zpravodajství životního prostředí již od roku 1999

Asteroidy a původ života na Zemi

27.01.2018
Příroda
Asteroidy a původ života na Zemi

  Počátek života na Zemi stále zůstává zahalen tajemstvím...

Jeho roušku se však daří stále víc odkrývat - a to i díky výzkumům dr. Martina Feruse zÚstavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR. Ukázal, že základní stavební kameny života - báze nukleových kyselin - mohly vznikat díky dopadům asteroidů do rané atmosféry Země.

Martin Ferus a jeho spolupracovníci prokázali z teoretického i experimentálního hlediska, že stavební kameny živých struktur, které se na Zemi objevily před asi 4-3,85 miliardy let, mohly vzniknout například z molekuly formamidu. Zdrojem energie pro takovou energeticky náročnou syntézu biomolekul byly četné dopady asteroidů - a právě tyto impakty společně s bleskovými výboji možná vyprodukovaly na Zemi první biomolekuly.


Martin Ferus z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR obdržel v roce 2016 Prémii Otto Wichterleho (2016) a rovněž Cenu
Učené společnosti ČR za prokázání tvorby bází nukleových kyselin dopadem asteroidů do rané atmosféry Země.


Jak jste zkoumali fungování transformace určitých molekul včetně formamidu za vzniku biomolekul?
V podstatě jde o to, jak zavřít plazma vznikající při dopadu asteroidu do zkumavky a studovat jej za kontrolovaných laboratorních podmínek. Abych byl úplně přesný, mechanismů souvisejících s podmínkami na rané Zemi, které mohly zapříčinit vznik biomolekul, byla navrženo mnoho. Jde o fotochemické reakce, elektrické výboje či působení vysokých tlaků a teplot. Tyto děje lze v laboratoři dobře zkoumat. Když ale vědci studovali stáří kráterů na Měsíci, bylo zjištěno, že v době vzniku života na naší planetě docházelo k četným dopadům asteroidů také na její povrch. Když si představíme takovou událost, na místě je domněnka, zda nemohla nejenom zničit vznikající život, ale také rozložit každou složitou organickou látku či biomolekulu na jednoduché anorganické látky. Abychom zjistili, zda příroda takto skutečně funguje, museli jsme najít laboratorní pokus, který by simuloval účinky dopadu asteroidu, a zjistit, co se při něm stane s jednoduchými látkami (například formamidem, ale dnes už jsme se dostali také k výzkumu mnohem jednodušších látek, jako jsou methan, čpavek, oxid uhelnatý a další), jestli při vystavení vysoké teplotě a tlaku mohou vzniknout nějaké biomolekuly, nebo se nestane nic zajímavého, alespoň ve spojitosti se vznikem základních kamenů života. Někdy se pro tyto účely používá ostřelování terčů vysokorychlostními projektily, kdy bohužel nedochází k simulaci plazmatu kolem tělesa, protože rychlost projektilu je pořád malá oproti rychlosti asteroidu (mluvíme zde o jednotkách km/s proti desítkám km/s). Takzvané rázové trubice zase simulují dobře rázovou vlnu, jenže teplota v nich je asi poloviční oproti plazmatu kolem asteroidu. Výzkum laserových jisker v souvislosti se simulací dopadu asteroidu a možným vznikem biomolekul sahá v České republice dvacet let zpátky. S experimenty začali Svatopluk Civiš, Pavel Kubát a Libor Juha. Naše laboratoř pod vedením Civiše v tomto výzkumu systematicky pokračovala a díky spolupráci se špičkovými teoretiky z brněnského Biofyzikálního ústavu AV ČR a nově také s pařížskou Sorbonnou se nám podařilo skutečně zavřít padající a dopadající asteroid do pověstné zkumavky.

Vycházeli jste z jediné hypotézy, nebo jste prověřovali několik základních scénářů?
V našich původních experimentech se vycházelo spíše ze scénáře vzniku biomolekul ze směsi jednoduchých plynů, jako je dusík, vodní pára a oxidy uhličitý a uhelnatý. V roce 2004 italští vědci Saladino a Di Mauro publikovali práci o tom, že základní molekulou pro vznik života by mohl být formamid. O výsledcích také referovali na konferenci Mezinárodní společnosti pro astrobiologii a bioastronomii ve Florencii v roce 2011. Jako student jsem na ní měl poster o transformaci planetárních atmosfér působením dopadů asteroidů. Můj tehdejší školitel a nyní kolega profesor Civiš si vyslechl přednášku Italů, kteří studovali chemii formamidu v přítomnosti uměle připraveného mezihvězdného prachu. Neváhal a koupil meteority, které jsme ozařovali společně s formamidem pulsy laseru. Jenže se ukázalo, že meteority nejsou tak dobré, jak Italové do dneška tvrdí. My jsme zjistili, že mnohem lepších výsledků lze dosáhnout například působením železitých jílů. Ale abych byl spravedlivý, stále se bavíme o laserové jiskře, italští vědci pracují se zahříváním, UV zářením či radioaktivitou.




Experimenty pomocí vysokoenergetických laserových pulzů prokazují, že báze nukleových kyselin mohly vzniknout z formamidu pomocí energie uvolněné při dopadech asteroidů.

Co konkrétně z vašich pozorování vyplynulo?
Na těchto experimentech je vidět, že také hodně záleží na zdroji energie, který se pro syntézu biomolekul použije. Dnes se již pomalu od formamidu odpoutáváme a studujeme další alternativní mateřské látky, směs čpavku a oxidu uhelnatého, z něhož ovšem jako meziprodukt vzniká také formamid, ale rovněž nezávislou chemii kyanidů, jichž je ve vesmíru plno. Vždy říkám, že podle mého názoru je věda v současnosti ohledně zkoumání vzniku života ve středověku, kumulují se poznatky, které systémy fungují, které nikoli, ale nikdo definitivně nemůže prozatím říci, který z fungujících systémů je pravý. Je ale pravda, že když se oči vědců obrátily k formamidu či systémům, v nichž tato látka vzniká alespoň coby meziprodukt, dosáhlo se pozoruhodných pozitivních výsledků, jakých se nikdy předtím při výzkumu ostatních mateřských sloučenin a směsí nepodařilo dosáhnout. Závěry opravdu sahají od jednoduchých látek a jejich transformací například impaktem asteroidu, což je naše parketa, až po polymerace a vznik RNA.

Formamid je laboratorní rozpouštědlo, ale vzniká i hydrolýzou kyanidů v mořské vodě. Mohl se koncentrovat v lagunách na pobřeží a zde mohlo například působením rázové vlny, UV záření či tepla dojít k syntéze biomolekul. Nezapomeňme, že na rané Zemi byly pro tyto procesy k dispozici časové horizonty stovek milionů let a třeba i energie miliard dopadů asteroidů. Právě časové horizonty my v laboratoři k dispozici nemáme. Nakonec bych ještě poznamenal jednu věc. Když se podíváme do budoucna, bude poměrně brzy k dispozici technologie pro detailní výzkum chemismu exoplanet. Asi si dovedete představit, že vesmír je plný různých hvězd v různých stadiích vývoje, a tím pádem i různě starých planet různých typů. Až jednou najdeme mladý ekvivalent Země, spektroskopicky změříme složení atmosféry - dozvíme se něco o podmínkách panujících na naší vlastní planetě. Co objevíme? Atmosféru nasycenou přehřátou vodní parou a oxidem uhličitým? Svět rudých polymerů kyanidů jako na Titanu? Planetu s lagunami formamidu? Atmosféru ze čpavku, metanu, oxidu uhelnatého a vodíku, jak si mysleli Miller s Ureyem? Každý vědec může mít zatím svůj vlastní, dobře podložený názor a výherce bude znám, až se pozorování povede.



Nakonec se podařilo demonstrovat reakce vedoucí od molekul formamidu přes mnohé meziprodukty ke vzniku všech nukleových bází - základních stavebních kamenů molekuly ribonukleové kyseliny RNA, kterou považujeme za primární biologickou molekulu: adeninu, guaninu, uracilu a cytosinu. Poprvé se tak podařilo v jednom reakčním systému syntetizovat všechny základní nukleové báze. Nakolik se podařilo přesvědčit vědeckou komunitu ve vašem oboru?
Řevnivost a množství názorů jsou značné i ve vědecké komunitě zkoumající vznik života. Možná, že laiky tato problematika zajímá, ale někteří vědci nás zpočátku vnímali jako hračičky, kteří skutečnou vědu nedělají a vytvářejí laserem homunkula. Myslím si, že to častokrát bylo jen přátelské škádlení, ale jak my, tak i manželé Šponerovi z brněnského Biofyzikálního ústavu AV ČR, jsme se setkali s až nepřátelskými recenzemi na naši práci hlavně od světové vědecké komunity. Přesvědčit vědce o čemkoli je těžké, zejména pokud má vědec na danou věc vlastní názor odlišný od vašeho. Nicméně mi připadá, že se české vědě podařilo se ve světové komunitě etablovat velice dobře a v současnosti máme mnohé spolupráce s vynikajícími kapacitami v oboru prebiotické chemie. Publikace ve Sborníku Národní akademie věd USA je toho důkazem, protože bez dobrého jména před mezinárodní komunitou a v daném oboru by redakce multidisciplinárního časopisu této úrovně nepřijala ani jeden ze tří článků, které jsme zde uveřejnili.

Myslím si, že vědecká komunita přijímá vznik biomolekul následkem impaktu asteroidu jako skutečnost. Podali jsme přesvědčivé důkazy. Podařilo se též do detailu popsat mechanismy této chemie na kvantově mechanické úrovni díky spolupráci s teoretiky z Brna a Paříže; mnohé meziprodukty jsme jako experimentátoři pomocí složitých a časově náročných experimentů také potvrdili. Nicméně si ale vůbec nedělám patent, že zrovna tato cesta musela nezbytně nutně vést ke vzniku života. Mechanismů je mnoho, sami jsme potvrdili, že formamid nemusí být jedinou zázračnou mateřskou molekulou, ale jen meziproduktem, a nedávno se nám podařilo prokázat, že to, co platí pro formamid, platí také pro směs metanu, oxidu uhelnatého, dusíku a vodní páry. Ukazuje se, že impakt asteroidu poskytuje spoustu energie pro vznik biomolekul. Ale jak to bylo dál?



Co vás přivedlo ke zkoumání vzniku života na Zemi?
Nikoliv co, ale kdo. Vlastně to byl můj školitel Svatopluk Civiš. Původně jsem pod jeho vedením řešil problematiku detekce škodlivin v životním prostředí. Postupně jsem přešel k experimentům s laserovými jiskrami a dnes je tento výzkum jednou z hlavních náplní mé vědecké práce. Trošku jsem se vrátil do dětství, protože historie Země, dinosauři, ale také astronomie a vesmír mě vždycky bavili.

Přispěly vaše poznatky k odpovědi na otázku, jestli je život na naší planetě ojedinělým jevem, nebo je výsledkem daných procesů, k nimž dochází i jinde ve vesmíru?
Jak se to vezme. Jelikož k působení impaktu asteroidu na formamid, čpavek a oxid uhelnatý, dusík, metan a vodní páru dochází všude ve vesmíru, určitě vznikají tímto způsobem biomolekuly - a to jak na planetách, tak patrně i v meziplanetárním či mezihvězdném prostoru. Například Zita Martins, vědkyně z Imperial College London, zkoumala vzorky meteoritů typu uhlíkatých chondritů a objevila v nich spoustu biomolekul včetně nukleových bází. Jenže to nestačí. My zatím nevíme, spíš pouze tušíme, co je ke vzniku života z těchto látek třeba. V této souvislosti dosáhli podnětných výsledků brněnští kolegové. Ve vesmíru je spousta biomolekul a o existenci života víme zatím jen na naší planetě. Například jak my, tak výzkumníci vedení Sarah Hörstovou z USA jsme zjistili, že biomolekuly musejí vznikat v atmosféře Saturnova měsíce Titanu působením elektrických výbojů či dříve také impaktů asteroidů. Na Titanu život ale zřejmě není. Často se mluví o možné existenci života na Jupiterově měsíci Europa, kde je podpovrchový oceán. Co když ale vznik života vyžaduje přímořské laguny a porézní minerály, jako jsou jíly? Jakmile byly objeveny tzv. Superzemě, hovořilo se o pohádkově přátelském prostředí pro život. Některé studie ukazují, že takové planety budou světy bez deskové tektoniky, na kterých bude například z hlediska teploty velmi nestabilní až nepřátelské prostředí.

Poslední studie dlouhověkých hvězd, tzv. červených trpaslíků, kolem nichž také měly údajně kroužit dlouhodobě obyvatelné světy, ukazují na nepředvídatelné a divoké chování těchto stálic. Obecné přesvědčení chemika mě vede k domněnce, že mimozemský život bude založen na bázi uhlíku - z hlediska jeho příhodné reaktivity a mocenství. Naši brněnští kolegové Judit a Jiří Šponerovi jdou ovšem dál a tvrdí, že život tam venku bude pravděpodobně založen na podobných biochemických principech jako zde na Zemi. V této podobě je totiž chemicky nejstabilnější.

Vezmeme-li v potaz dosavadní výzkumy, kde lze ve vesmíru objevit vhodné místo pro život ?
Když si srovnám všechny poslední mně známé výzkumy, nabývám dojmu, že k životu bude možná příhodná jen a zase kopie naší planety. Terestrická planeta obíhající v zóně s výskytem kapalné vody kolem hvězdy podobné Slunci. Jenže i takových planet může být ve vesmíru velká spousta, a jelikož pevně věřím, že vznik života je přírodními zákony daný geochemický proces, byť možná vzácný a specifický, jistě musel a bude muset ve vesmíru probíhat na více místech. Jak moc je život přírodním zákonem, se dozvíme hned, jak se prokáže, nebo vyvrátí existence dřívějšího života na Marsu, kde panovaly podle mého názoru velmi podobné podmínky jako na rané Zemi. Když ale pominu Mars, je vesmír tak velký, že lidé možná druhé, třetí či milionté místo vhodné pro život ve vesmíru nikdy neobjeví."

(K tématu hledání původu života na Zemi více rovněž v článku o výzkumech manželů Šponerových z Biofyzikálního ústavu AV ČR v časopise A / Věda a výzkum.)



Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Stanislava Kyselová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

Komentáře k článku. Co si myslí ostatní?

Další články
Podněty ZmapujTo
Mohlo by vás také zajímat
Naši partneři
Složky životního prostředí