| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Živá hmota ve vesmíru?
Martin Zeman
Možná nás samotné někdy udivuje, jak jednoduše odlišujeme živé od neživého. Jsme schopni rezolutně rozhodnout, že židle, na které právě sedíme, je neživá. Stejně jednoznačně mouchu považujeme za živý organismus. Právě proto snad veškeré pokusy o nalezení té nejuniversálnější definice života selhaly.
V. N. Tsytovich z fyzikálního ústavu Ruské akademie věd v Moskvě a jeho spolupracovníci z Institutu Maxe PlanckaMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech. Zahrnuje celkem 80 ústavů, jde o německou obdobu naší Akademie věd. a Univerzity v Sydney se nám rozhodli úvahu ještě ztížit. V srpnu 2007 publikovali výsledky numerických simulací chování zrn neorganických materiálů v plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství., ve kterém zpozorovali prvky připomínající chování živých organismů. V abstraktu článku uvádějí: „Vyvozujeme, že komplexní autonomní plazmatické struktury vykazují, za podmínek, které jim umožňují přirozený vývoj, všechny vlastnosti nutné k tomu, abychom je klasifikovali jako hmotu živou.“ [1].
|
Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. Nukleotidy – fosforylované nukleosidy, na pátý uhlík sacharidové složky je navázán jeden nebo více zbytků kyseliny fosforečné. Sacharidovou složku tvoří buď ribóza (ribonukleotidy) nebo deoxyribóza (deoxyribonukleotidy). Tvoří monomery nukleových kyselin, dále vstupují (přímo nebo ve formě derivátů) do enzymatických reakcí, přenosu energie a informace. Genetická informace je kódována posloupností nukleotidů. Nukleové kyseliny – makromolekuly zajišťující v živé buňce ukládaní, přenos a zpracování genetické informace, jsou lineární orientované polymery tvořené nukleotidy. Informační obsah nukleotidů nesou heterocyklické dusíkaté báze odvozené buď od purinu, nebo od pyrimidinu. V ribonukleotidech, vytvářejících ribonukleovou kyselinu (RNA) jsou purinové báze adenin (A) a guanin (G) a pyrimidinové báze cytosin (C) a uracil (U) navázány v místě uhlíku 1’ na ribóza 5-fostát. V deoxyribonukleotidech, vytvářejících deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) je na uhlíku 2’ nahrazena hydroxylová skupina vodíkem. DNA využívá purinové báze A a G, avšak pyrimidinové báze cytosin (C) a thymin (T). DNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. RNA – Ribonucleic acid, ribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejiž cukernou složkou je ribóza, nukleotidy jsou obdobné jako v DNA, pouze báze thymin je nahrazena uracilem, který také umožňuje komplementaritu s adeninem. Hlavní funkcí RNA je přenos informace z DNA do dalších struktur. Na rozdíl od DNA dvoušroubovice není typickou strukturou RNA. Virus – struktura nacházející se na hranici mezi živým a neživým. Ty nejprimitivnější viry obsahují pouze svoji genetickou informaci ve formě DNA nebo RNA, které jsou uloženy ve vnitřní části (nukleoidu) obklopeném proteinovou schránkou (kapsidou). Obalené viry mají navíc virový obal z membrány tvořené proteinovou a lipidovou dvouvrstvou. Viry nejsou schopny samostatné replikace bez hostitelské buňky. Buňka slouží pouze jako biologická továrna a sklad náhradních dílů potřebných pro vznik nových virů. |
Jak definovat co je živé?
Obecně lze živou hmotu definovat jako autonomní (z řeckého nomos – zákon; a autos – sám, samostatný) systém s následujícími vlastnostmi (tyto vlastnosti však nepřisuzujeme například virům nebo samotným DNA řetězcům, které považujeme za základní stavební kámen živé hmoty.):
| Fundamentální vlastnosti života |
|---|
|
Autopoiéze (z řeckého poiein – tvořit; a autos – sám): schopnost samoorganizace a tvorby systému, jehož funkce a struktura jsou vzájemně propojené a neoddělitelné (komplementární) vlastnosti. Disipativní systémy jsou tradičně utvořeny tak, aby zůstávaly stabilní i tehdy, prochází-li jimi neustále hmota a energie. Tradiční organický systém sestává z:
|
|
Homeostáze (z řeckého hómos – rovnoměrný; a istémi – stát): představuje schopnost organismu uchovat sebe sama, zachovat organizovanost snižováním lokální entropie systému. To zahrnuje způsob zpracování energetického příjmu. (V případě organismů jde o metabolismus; proces který přetváří energetický příjem na potřebné biochemické sloučeniny.) To vyžaduje:
|
|
Reprodukce: schopnost systému vytvořit instanci sebe sama. Rozmnožování může probíhat na úrovni prostého kopírování (replikace) či na úrovni asexuální/sexuální reprodukce. Rozmnožování je nutnou podmínkou evoluce v systémech s komplexnější strukturou. |
| Další znaky života |
|
Uspořádané struktury v plazmatu
Výsledky výzkumu ukazují, že anorganická hmota se ve složitějších plazmatických systémech sama organizuje do stabilních symetrických struktur. Děje se tak díky makroskopickým tokům a vzájemnému stínění částic v plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.. Vzniklé útvary jsou pohromadě udržovány elektrostatickými silami, rychlost pohybu částic je tlumena třením.
1. Autopoiéze
Kromě vnitřní uspořádanosti mají struktury v plazmatu i schopnost reprodukce a takové termodynamické vlastnosti, které doposud byly přisuzovány jen živým organismům. Za přesně daných počátečních podmínek mohou vznikat struktury sférické, v ostatních případech je pravděpodobnější vznik struktur cylindrických či helikálních (ve tvaru šroubovice). Uspořádané struktury mají pevné hranice a jsou od sebe separovány prázdnými místy. Tento jev byl pozorován jak v laboratořích tak v experimentech s mikrogravitací na ISSISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. V roce 2008 byl k ISS připojen evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 byl instalován víceúčelový americký modul Leonardo a v roce 2021 zatím poslední ruský modul Nauka. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán. Od té doby zajišťují styk se stanicí lety ruských lodí Sojuz, v poslední době se přidaly lodi Crew Dragon soukromé společnosti SpaceX. Na ISS operuje stálá posádka. [5].
Obr. 1. Simulace vývoje sféricky symetrické uzavřené struktury v plazmatu: (a) je počáteční stav systému v čase t = 0; stav (b) odpovídá času t = 0,3 s a stav (c) času t = 3 s. Barva částic na obrázku odpovídá jejich rychlostem a roste od modré k červené [1].
V přírodě není nic ideálně symetrické, proto má největší pravděpodobnost vznik helikální struktury. Lze ukázat, že helikální struktury mají v mnoha situacích minimální energii. Simulace rovněž ukazují, že jakékoliv cylindricky symetrické útvary v čase konvergují k helikální struktuře. Velmi podobně se chovají živé organismy, které jsou schopny udržovat komplexní strukturu jen za určitých podmínek, v opačném případě se rozpadají.
2. Homeostáze
Dvojité šroubovité struktury byly hlavním objektem zájmu vědců právě pro svoji enormní podobnost s DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. řetězci. Jednou z jejich specifických vlastností je bifurkaceBifurkace – větvení řešení, které vede k náhlé změně chování systému v závislosti na malé změně nějakého řídícího parametru (například u fázového přechodu může jít o teplotu). K typické bifurkaci dochází v systému s několika základními stavy (energetickými minimy). Za nízké teploty dojde ke spontánnímu narušení symetrie a systém si „vybere“ jeden z dostupných základních stavů., schopnost přecházet mezi několika rovnovážnými stavy, tedy různými geometrickými parametry šroubovice. Helikální struktury mohou uchovávat informaci, jelikož jedna struktura se může nacházet v různých stavech. Tyto stavy jsou stabilní a udržované elektrostatickými silami a prouděním částic (přítok/odtok).
Obr. 2. Helikální struktury v plazmatu [1].
3. Reprodukce
Proces je naznačen na následujícím obrázku, body (c) a (d). Jakákoliv bifurkaceBifurkace – větvení řešení, které vede k náhlé změně chování systému v závislosti na malé změně nějakého řídícího parametru (například u fázového přechodu může jít o teplotu). K typické bifurkaci dochází v systému s několika základními stavy (energetickými minimy). Za nízké teploty dojde ke spontánnímu narušení symetrie a systém si „vybere“ jeden z dostupných základních stavů. v helikální struktuře vyvolá změnu proudění, která vytvoří pár válcovitých vírů (a), (b) v okolí šroubovice. Rotace horní části víru je po směru hodinových ručiček, je-li helikální struktura nabita záporně. Rotace dolní části víru je vždy opačná. Představme si jinou šroubovici bez bifurkace, která se dostane do blízkosti vírů. Vystaví se tak změnám proudění částic a změnám elektrického pole, které nakonec vytvoří totožnou bifurkaci v této struktuře. Dochází tak k přenosu informace (v podobě zmíněné bifurkace) a vytvoření identické kopie původní struktury. Jedná se tedy o replikaci.
Jak se ukázalo, přítomnost plazmatických vírů je nutnou podmínkou reprodukce. Evoluce systému se urychluje s přibývajícím počtem vírů a replikovaných struktur. Různé bifurkace mezi sebou bojují o „teritorium“ právě díky jejich vlivu na okolní prostředí (to lze interpretovat jako „boj o potravu“). Větší změny v průměru a úhlu natočení šroubovice produkují v okolí silnější víry.
Obr. 3. Replikace helikálních struktur [1].
Experimenty a pozorování
První experimentální pozorování uspořádaných struktur v plazmatu (viz obrázek 1a) bylo provedeno při zkoumání stejnosměrných elektrických výbojů v chlazených plynech [3], viz obrázek 2a. Na obrázku je zřetelně vidět „červ“ dlouhý přes 5 mm (souřadnice x je v milimetrech).
Teorie předpovídá, že obdobné struktury bychom měli být schopni pozorovat ve vesmíru v plazmatu smíchaném s mezihvězdným prachem (v tzv. prachovém plazmatu). Kolektivní oscilace organizovaných struktur ovlivní infračervené spektrum prachového plazmatu.
Snahy o vysvětlení původu života na ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. naráží na problém, že v použitých modelech je pro spontánní vznik tak složitých struktur, jaké lze pozorovat v naší biosféře, potřeba mnohem více času, než Země skutečně měla k dispozici (4,5 miliardy let zkrátka nepostačí!). Možná lze vysvětlení hledat právě u anorganických struktur jaké simuloval tým V. N. Tsytoviche. Podobné podmínky na povrchu planety dokáží vytvořit například blesky při bouřkách. Další možností je vznik samoorganizovaných struktur v molekulárních mračnech, kde hvězdy a planety vznikají, a jejich sekundární zanesení na povrch planet. Ať probíhal vznik života jakoukoliv cestou, simulace a experimenty jevů probíhajících v prachovém plazmatu nám ukazují, že život může mít vedle biopolymerů a počítačových programů [10] ještě další rozměr.
Odkazy
- V. N. Tsytovich et al.: From plasma crystals and helical structures towards inorganic living matter; New J. Phys. 9 (2007) 263.
- K. Ruiz-Mirazo et al.: A Universal Definition of Life: Autonomy and Open-Ended Evolution; Origins of Life and Evolution of Biospheres 34/3 (2004).
- J. D. Watson, F. H. C. Crick: Genetical Implications of the Structure of Deoxyribonucleic Acid; Nature 171 (1953) 964–967.
- V. Tsytovich et al.: Dust-dust interactions and formation of helical dust structures; IEEE Transactions on Plasma Science 32/2 (2004) 637–652.
- > A. P. Nefedov et al.: PKE-Nefedov: Plasma Crystal Experiments on the International Space Station; New J. Phys. 5/33 (2003).
- Wikipedia: Autopoiesis.
- Wikipedia: Homeostasis.
- A. Lobanov, A. Zensus: A Double Helix in Outer Space; MPI.
- Science Daily: Physicists Discover Inorganic Dust With Lifelike Qualities; 2007.
- V. Scholtz: Digitálná evolúcia, AB 9/2008.
