Pavel Kábrt, V humnech 10/14, 193 00 Praha – Horní Počernice, tel [phone]

Retrospektivní analýza vzniku života
Bohužel se ukázalo, že je tento názor zcela unáhlený. O čtyřicet let později byl Miller, jenž se stal profesorem chemie na kalifornské universitě v San Diegu, citován v Scientific American: "Problém vzniku života se ukázal být mnohem složitějším, než jsme já a většina dalších lidí předvídali."⁸

Nelze říci, že by se od roku 1953 nic neudálo. Během čtyřiceti let, které následovaly po Millerově původním pokusu, byly uskutečněny analogické nebo velmi podobné experimenty, které ukázaly, že za prebiotických podmínek mohlo být syntetizováno množství základních stavebních kamenů DNA (deoxyribonukleové kyseliny), RNA (ribonukleové kyseliny) a bílkovin. Tyto organické sloučeniny se mohly posléze nahromadit v různých vodních nádržích, v nějaké "malé teplé louži", o čemž uvažoval Charles Darwin v jednom dopise. S. W. Fox a K. Dose⁹ a další ukázali v šedesátých a sedmdesátých letech, jak z těchto stavebních kamenů mohly polymerací vznikat biopolymerní prekurzory až současné biomakromolekuly, jakými jsou bílkoviny a DNA. Pokusy z počátku osmdesátých let zdánlivě dokončovaly celý obraz tím, že prokázaly schopnost autoreplikace RNA bez spoluúčasti enzymů. Tento důležitý objev, za nějž obdržel profesor university v Coloradu T. R. Cech Nobelovu cenu, naznačoval možnost, že první život sestával z RNA a že tento dávný "svět RNA" mohl být pojítkem mezi jednoduchými chemickými stavebními kameny, jakými jsou aminokyseliny a cukry, a velmi složitými buňkami, v jejichž centru se nachází DNA a které tvoří soudobé organismy.¹⁰

Zatímco se Millerovy pokusy dokumentující prebiotickou tvorbu stavebních kamenů a "svět RNA", co by most spojující jednoduché stavební kameny s buňkami obsahujícími DNA, staly součástí učebnic, byla v osmdesátých letech novými výzkumnými objevy vážně otřesena pravdivost obou představ. Bylo zjištěno, že syntéza RNA by byla za podmínek, které pravděpodobně převládaly v době vzniku života, krajně obtížná.¹¹ Mimoto bylo prokázáno, že RNA nedokáže vytvářet kopie sebe samé tak snadno, jak se původně myslelo.¹² A k završení všeho byly zpochybněny rovněž Millerovy původní pokusy, neboť přírodovědci zabývající se studiem atmosféry dospěli nově k závěru, že atmosféra dávné Země nikdy neobsahovala významné množství amoniaku, metanu nebo vodíku.¹³ Kromě toho dokládá výzkum kráterů na Měsíci, že dávná Země byla opakovaně pustošena obrovskými meteority a kometami. Christpher P. McKay z Amesova výzkumného centra NASA byl citován v Scientific American: "Zdá se pravděpodobné, že život nezačal v poklidu malé teplé louže, ale uprostřed zuřící bouře."¹⁴

Co je tedy podstatou vývoje posledních čtyřiceti let? Klaus Dose z Biochemického ústavu v Mainzu, v Německu, naznačuje, že naše společné úsilí "směřovalo spíše k lepší představě nezměrnosti problému vzniku života na Zemi než k jeho řešení. V současnosti končí všechny diskuze o nejdůležitějších teorií a experimentech z této oblasti buď ve slepé uličce nebo přiznáním nevědomosti."¹⁵

O čem se bude hovořit v této kapitole

Tato kapitola má tři cíle: (1) shrnout pro čtenáře, kteří nejsou obeznámeni s touto problematikou, současné představy o vzniku života založené na Oparinově hypotéze "prebiotické polévky," (2) podrobit tyto scénáře kritice jednak z hlediska skutečných experimentálních problémů a jednak z hlediska odhalených teoretických problémů a (3) vzít v úvahu alternativní hypotézy, zahrnující i vliv inteligence, které nalezly odpověď na mnoho zdánlivě neřešitelných problémů týkajících se teorie prebiotické polévky. Začneme tím, co považujeme za minimální funkční požadavky živých systémů. Pak ukážeme vztah mezi biologickou funkcí a trojrozměrnou molekulární strukturou. Následně uvedeme, jak závisí trojrozměrná molekulární struktura, která udává funkce biopolymerů, na vysoce specifickém uspořádání molekulárních "stavebních kamenů" v těchto biopolymerech. Tím bude čtenář seznámen se základními pojmy, které jsou spojeny se záhadou vzniku života, jejíž podstatou je specifická složitost neboli biologická informace.

Poté představíme Oparinovu hypotézu vzniku života, která byla řídícím paradigmatem pro většinu výzkumných prací týkajících se vzniku života. Prozkoumáme nezbytné kroky, uvedené na obr. 5.1, jež jsou navrženy tímto paradigmatem, které je někdy označováno jako "teorie prebiotické polévky". Každá šipka na obr. 5.1 představuje důležitý krok: (1) tvorba stavebních kamenů z atmosféry dávné Země, (2) vytvoření rozličných biopolymerů spojováním těchto stavebních kamenů a (3) uspořádání různých biopolymerů za vzniku prvních buněk, zpravidla označovaných jako protobionty, protobuňky nebo koacerváty. V této kapitole pomineme následný vývoj "progenotes" (prvních forem současného života) a jejich rozrůznění na archaebacterie, eubacterie a eukaryonty, kteří jsou považováni za předchůdce zbytku rostlinné a živočišné říše.

Nakonec vezmeme v úvahu možné alternativy Oparinovy hypotézy "prebiotické polévky", včetně vlivu inteligence. Naším cílem je potvrdit totéž, oč usiluje většina vědců zabývajících se touto problematikou, že ke vzniku života vedly přirozené příčiny, což nemusí být nezbytně označováno jako naturalismus. Jak lze na základě zkušenosti poznat, že za probíhajícími "přirozenými" procesy nestála v pozadí nějaká vyšší síla nebo inteligence (Bůh?)? Právě na to se spoléhá velká část křesťanských teistů. To znamená, že nemůžeme na základě zkušenosti vytvořit metafyzický závěr o naturalismu. Podle Iana Barboura je "Naturalismus stále alternativou vzniku života, ale je jasné, že musí být obhajován jako filozofický názor a ne závěr vědy."¹⁶ Rovněž, když se na základě zkušenosti usuzuje, že za strukturu života nese zodpovědnost určitá inteligence, není to nezbytně supernaturalistický závěr. Na základě zkušenosti nemůžeme určit, zda domnělá inteligentní příčina vzniku života pochází z vesmíru (naturalismus) nebo je mimi něj (supernaturalismus). To je další úsudek, který není založen na zkušenosti.

Problém vzniku života
Obecně je přijímán názor, že živé systémy se příliš neliší od neživých systémů svým elementárním chemickým složením, protože se ve skutečnosti skládají z velmi běžných prvků jakými jsou uhlík, dusík, kyslík a vodík. Liší se však svou komplikovanou strukturou, která určuje specifické biologické funkce. Živé systémy se odlišují od neživých zpracováním energie, informačním obsahem a replikací.¹⁷ Ačkoliv je obecně platným názorem, že první živý systém musel být mnohem jednodušší než nejjednodušší současný živý systém, kterým je bakterie, musel dosahovat určité základní hladiny složitosti, která je nezbytná pro zajištění tří uvedených funkcí. Kromě toho by neměly být přijímány jednoduché analogie mezi biologickou evolucí založenou na přirozené výběru a chemickou evolucí, protože přirozený výběr biologické evoluce předpokládá systémy se schopností replikace. Problém vzniku života však spočívá ve vývoji takových systémů. Bertalanffy výstižně definuje: "Selekce, tj. přednostní přežití ´lepších´ prekurzorů života, již předpokládá samoudržující se složité, otevřené systémy, které mohou kompetovat; selekce tedy nemůže vysvětlit vznik takových systémů."¹⁸

Lze snadno znázornit vztah mezi biologickou aktivitou a molekulární strukturou za předpokladu, že molekuly bílkovin působí jako katalyzátor (viz obr. 5.2). Ve vodných roztocích probíhá chemická reakce mezi ATP a glukózou (cukr) jen velmi pomalu: je nepravděpodobné, že by tyto dvě molekuly setrvaly v optimální poloze dostatečně dlouho, aby spolu mohly zreagovat. Za přítomnosti molekuly bílkoviny, která funguje jako katalyzátor, se však ATP a glukóza váží ke katalyzátoru tak, že jejich vzájemná orientace je optimální; tím je umožněna velmi rychlá chemická reakce. Důsledkem toho je, že se rychlost chemické reakce zvýší desetmilionkrát.

V živých systémech jsou chemické reakce běžně regulovány pomocí těchto katalyzátorů. Na obr. 5.2 je objasněno, jak přesná musí být trojrozměrná topografie společně s místními povrchovými chemickými vlastnostmi katalyzátoru, aby se podstatně urychlila reakce mezi ATP a glukózou.

Nyní je známo, že trojrozměrná topografie je nedílně spojena jak se sekvencí stavebních kamenů v řetězci polymeru (kterým je protein), tak i s povahou chemické vazby, která spojuje tyto stavební kameny.¹⁹ Na obr. 5.3 je uveden příklad molekuly proteinu. Je tvořen dvaceti druhy L-aminokyselin, které jsou v určitém pořadí spojeny pomocí velmi specifické peptidové vazby. Ačkoliv trojrozměrná struktura nezávisí na správném umístění každé aminokyseliny v řetězci, je přibližně polovina z těchto míst kritická. Umístění nesprávné aminokyseliny na těchto tzv. aktivních místech může mít osudné následky, jako např. při srpkové anémii, která je způsobena jediným nesprávným aktivním místem v řetězci aminokyselinových "článků", které tvoří molekulu hemoglobinu.

Nadto jen určité druhy vazeb umožní vytváření trojrozměrného uspořádání, ke kterému nutně dochází po odstartování polymerace. Všechny aminokyseliny musí být připojeny peptidovou vazbou (viz schéma na obr. 5.4). Prebiotické modelové pokusy vykazují v tomto ohledu jen 50 procentní úspěšnost.

Konečně, zatímco existují aminokyseliny ve formě L- a D- optických izomerů, jak ukazuje obr. 5.5, obsahují biologicky aktivní proteiny pouze L-aminokyseliny. Protože jsou L- a D-aminokyseliny zastoupeny v přírodě stejnou měrou a v jejich chemické reaktivitě také není žádný rozdíl, představuje jejich existence další problém při tvorbě enzymaticky funkčních proteinů. Podobně jako v případě peptidových vazeb představuje i polymerace pouze L-aminokyselin za vzniku řetězce nezbytnou podmínku pro poskládání řetězce v prostoru tak, aby vzniklá molekula měla katalytickou aktivitu.

Podobně ještě naléhavější problémy obklopují tvorbu biologicky aktivních molekul DNA a RNA. Podstatné je, že biologická funkce je nedílně spojena s vysoce specifickým uspořádáním molekulárních stavebních kamenů v biopolymeru. Bylo ukázáno, že tato molekulární složitost může být kvantifikována pomocí informační teorie.²⁰ Záhadu vzniku života lze tedy nakonec omezit na otázku, zda mohou molekuly s vysokým informačním obsahem vznikat z jednoduchých stavebních kamenů pouze pomocí toku energie systémem a snad vlivem výběru molekul určitého druhu.

Z toho, co bylo až doposud uvedeno, vyplývá, že předpokladem biologické funkce je vysoce specifická molekulární struktura, která vyžaduje molekuly s vysokým obsahem informace. Vznik těchto informačně bohatých molekul je jedním z klíčů vedoucích k porozumění vzniku života.

Oparinova hypotéza
Klasický pokus, který veřejně předvedl Louis Pasteur v roce 1864 na pařížské Sorbonně, pohřbil teorii spontánního vzniku. Pasteur směle tvrdil: "Nikdy se teorie spontánního vzniku nevzpamatuje ze smrtelné rány, kterou jí zasadil tento jednoduchý pokus," a sebejistě později v téže publikaci dodal: "Ne, dnes není známa žádná okolnost, která by mohla potvrdit, že mikroskopické formy života se objevily na tomto světě, aniž by existovaly rodičovské mikroorganismy, které se jim podobají."²¹ I tehdy však byly důvody věřit, že se Pasteurova předpověď tak zcela nevyplní. Darwinova evoluční teorie - publikovaná o pět let dříve, v roce 1859 - byla mezi akademiky rychle přijata. Jestliže se z první buňky vyvinuly postupně přirozenými procesy různé druhy tvorů až po lidstvo, pak je logické předpokládat, že tato evoluce musela začít přirozenou cestou. Sám Darwin v dopise z roku 1871 uvažoval o tom, že "v malé teplé louži plné chemických látek" mohlo sluneční záření vyvolat reakce nezbytné k produkci prvé formy života.²²

Nicméně minulo půl století než byla navržena podrobná hypotéza vzniku života. V historickém článku z roku 1924 předpokládal ruský biochemik A. I. Oparin, že atmosféra dávné Země musela být zcela odlišná od dnešní atmosféry.²³ Domníval se zejména, že obsahovala amoniak, metan a vodík, vodní páru, ale žádný kyslík. Dále navrhoval, že vlivem blesků a ultrafialového záření by v takové atmosféře probíhaly chemické reakce za vzniku rozličných organických molekul - včetně aminokyselin, dusíkatých bází, cukrů a lipidů - což jsou nezbytné stavební kameny biopolymerů. Předpokládal, že by se těmito procesy postupem času vytvořily v mořích a jezerech významné koncentrace molekulárních stavebních kamenů, vznikla by tedy známá prebiotická polévka. Po dosažení kritických koncentrací by tyto stavební kameny chemicky regaovaly za vzniku polymerů (tj. mnohomerů neboli molekulárních podjednotek). Během dlouhé doby by se pravděpodobně podle této představy objevily v prebiotické polévce polymery s biologickou aktivitou. Podle Oparina mohly shlukováním polymerů vznikat buňkám podobné útvary nazývané "koacerváty" nebo "protobuňky", které se nakonec i jako buňky chovaly.

Oparinova hypotéza přelstila experimentální "důkaz" podaný Pasteurem v roce 1864 proti teorii spontánního vzniku tím, že postulovala nikoliv spontánní ale postupný vznik života, který se uskutečnil v průběhu mnoha a mnoha miliónů let; jeden malý chemický krok uskutečněný během dlouhé doby. Pasteurův jednoduchý, leč vynikající pokus zjevně v žádném případě nevyloučil tuto možnost. Podobně jako Darwinova evoluční teorie byla obecně přijímána až po roce 1924, získala si i Oparinova hypotéza dodatečně důvěru.

Stručně řečeno, Oparinova hypotéza a podobné myšlenky postulované přibližně ve stejné době britským chemikem J. B. S. Haldanem určily intelektuální pracovní oblast, skutečné vůdčí paradigma, které dalo konečnou podobu podstatné části výzkumu vzniku života ve dvacátém století.²⁴ Millerovy pokusy z počátku padesátých let, kterými jsme otevřeli tuto kapitolu, představovaly první experimentální snahy ověřit paradigma vzniku života. Nyní se o nich zmíníme podrobněji.

Tvorba molekulární stavebních kamenů nezbytných pro život
Stanley L. Miller zareagoval v roce 1952 na výzvu Harolda Ureye a pomocí skleněné aparatura naplněné plyny, které podle Oparina tvořily atmosféru dávné Země, tj. amoniak, metan, vodík a vodní pára, počal ověřovat platnost Oparinovy hypotézy. Během několika dní vystavoval plyny vlivu jiskrového výboje, který měl nahradit působení blesků. Následná analýza obsahu sifonu, který byl použit pro odstranění vznikajících produktů z reakční směsi a pro jejich ochranu před působící energií, ukázala k všeobecnému vzrušení, že mezi produkty byly malou měrou (asi 2%) zastoupeny i molekulární stavební kameny biopolymerů, aminokyseliny.

Následovala záplava pokusů, při nichž byly napodobovány poměry na dávné Zemi. Během nich se podařilo připravit devatenáct z dvaceti biologicky důležitých aminokyselin (nebyl nalezen pouze lysin²⁵), všech pět nukleových bází, které jsou součástí RNA a DNA, a rozličné mastné kyseliny, jež tvoří buněčné membrány. Ukázalo se, že dřívější tvrzení o úspěšné modelové prebiotické syntéze ribózy a deoxyribózy, nezbytných stavebních kamenů RNA a DNA, bylo chybné. V roce 1986 na sympoziu Mezinárodní společnosti pro studium vzniku života (ISSOL - the International Society for the Study of the Origin of Life) v Berkeley ukázal v ohromující přednášce Robert Shapiro, absolvent Harvardu, chemik z university v New Yorku, že obecně rozšířená tvrzení, přejatá z druhé a třetí ruky, týkající se syntézy ribózy a deoxyribózy v Millerově pokuse, pocházejí původně z jednoho nedůvěryhodného článku. Následně dokázal, že tvorba ribózy je za prebiotických podmínek zcela vyloučena. Jeho práce byla pak uveřejněna v Origins of Life and Evolution of the Biosphere.²⁶ Podobná pozorování učinil i Dose, který zahrnul ribózu, deoxyribózu a replikovatelné oligo a polynukleotidy do seznamu obtížně syntetizovatelných molekulárních stavebních kamenů.²⁷ Horgan také poznamenává, že RNA a její stavební kameny je obtížné syntetizovat v laboratoři i za sebelepších podmínek, ještě obtížnější by to bylo za prebioticky pravděpodobných podmínek.²⁸

Navzdory skutečnosti, že Millerův pokus je symbolickým zástupcem experimentů, které napodobují podmínky na prebiotické Zemi a které by měly ověřit platnost Oparinovy a Haldaneovy hypotézy, narůstá vlna kritiky. V několika důležitých ohledech ukazuje, že tyto pokusy nedokáží věrohodně napodobit podmínky na dávné Zemi. Za prvé, Miller použil metan, ale jediným zdrojem energie byl jiskrový výboj napodobující blesky. Na atmosféru dávné Země však působily i jiné druhy energie, např. ultrafialové záření, které by přeměnilo metan na uhlovodíky vyšší molekulové hmotnosti, které by utvořily olejovou skvrnu zasahující až do hloubky deseti metrů.²⁹

Miller na tuto výtku reaguje slovy: "Předpokládáme-li, že pro vznik života byly potřebné aminokyseliny komplikovanější než glycin, bylo nutné, aby atmosféra obsahovala metan."³⁰ Jinak řečeno, metan musel být přítomen na dávné Zemi, jinak by nebyly vytvořeny aminokyseliny (alespoň ne přirozenou cestou).

Amoniak, další důležitá složka atmosféry v Millerově pokuse a jeho nápodobách, podléhá rychlému rozkladu vlivem ultrafialového záření za vzniku dusíku a vodíku, který uniká do vesmíru. Snadnost, s jakou se vodní pára disociuje na vodík a kyslík, přičemž vodík uniká do kosmu, také vyvolává pochyby týkající se předpokládané bezkyslíkaté atmosféry dávné Země. Nejsilnější argument podporující bezkyslíkatou atmosféru dávné Země nepochází z geologických pozorování oxidačního stupně minerálů, ale ze zničujícího vlivu kyslíku na prebiotické modelové pokusy.³¹ Opět jsme narazily na argumenty vycházející z předem utvořených úsudků a ne z experimentálních důkazů.

Vodík, který tvořil vedle metanu a amoniaku třetí hlavní složku Millerovy prebiotické atmosféry, se nemohl kumulovat v žádné významné koncentraci vzhledem k jeho slabé schopnosti udržet se v gravitačním poli Země. Názor, že atmosféra dávné Země nikdy neobsahovala významná množství amoniaku, metanu nebo vodíku, vznikl ve skutečnosti již koncem sedmdesátých let.³² Za pravděpodobnější složky jsou považovány dusík, oxid uhličitý a vodní pára.

Snaha vytvořit stavební kameny života z této atmosféry se bohužel podobá naléhání starých Egypťanů, aby jejich hebrejští otroci "stavěli na písku". Důvod je jednoduchý. Jak vyplývá z jednoduché rovnováhy hmoty a energie, kterou zná i chemik začátečník, je tvorba aminokyselin z amoniaku, metanu a vodíku exotermní reakcí (uvolňující energii), jíž odpovídá pokles entalpie přibližně o 200 kcal/mol. Ve srovnání s tím je tvorba aminokyselin z dusíku, oxidu uhličitého a vodní páry endotermní reakcí (vyžaduje dodání energie), jíž odpovídá vzrůst entalpie o 50 kcal/mol. Není divu, že chemici dávají přednost Oparinově hypotetické, i když nesprávné atmosféře amoniaku, metanu a vodíku.

Oparin sice neměl žádné geologické podklady pro to, aby navrhl složení atmosféry. Měl však dobrý důvod, který mu poskytla fyzikální chemie, aby nebral v potaz atmosféru bohatou na dusík, oxid uhličitý a vodní páru, která je nyní považována za nejpravděpodobnější atmosféru dávné Země. Pozdější pokusy potvrdily, že by v této atmosféře skutečně nemohly vzniknout základní stavební kameny.³³

Existují ještě další problémy týkající se pokusů Millerova typu. Aby byly dosaženy uspokojivé výsledky, byl samostatně používán určitý druh energie pocházející z jediného zdroje. Tato podmínka však neodpovídá situaci na dávné Zemi. Např. zatímco ultrafialové záření o kratších vlnových délkách může usnadnit tvorbu aminokyselin z amoniaku, metanu a vodíku, dlouhovlnnější část tohoto záření, která jistě také působila na dávnou atmosféru, způsobuje rychlý rozklad těchto aminokyselin. Podobně může tyto molekuly ničit teplo nebo nepřetržitý elektrický výboj. Pouze použití vybraného zdroje energie a rychlé odstranění produktů z dosahu energie pomocí sifonu umožňuje získat při těchto pokusech dokonce i malá množství aminokyselin (2 % nebo méně).

Uvědomujeme si, že optimistické prvotní nadšení vyvolané Millerovými pokusy významně pokleslo ve všech ohledech. Dnes je již mnohem zřejmější, že omezený úspěch pokusů Millerova typu při syntéze aminokyselin, bází nukleových kyselin a mastných kyselin byl vždy dosažen za použití vybraných chemikálií a vybraného zdroje energie, což jsou podmínky, které se jen vzdáleně podobají podmínkám dávné Země. Nadto syntéza základních stavebních kamenů DNA a RNA, např. ribózy, nebyla nikdy úspěšná s výjimkou použití vysoce nepřijatelných podmínek, které se v žádném případě nepodobaly podmínkám na dávné Zemi.

Jak uvidíme v následující části, je tvorba molekulárních stavebních kamenů ve skutečnosti nejjednodušší částí celého scénáře vzniku života; nicméně ani to si není snadné přestavit při našich současných znalostech.
Tvorba DNA, RNA a bílkovin, makromolekul tvořících život
V této části se dotkneme naléhavého problému tvorby funkčních biopolymerů ze stavebních kamenů. K nalezení pravděpodobnosti, že tyto funkční proteiny nebo DNA mohou vznikat spojováním molekulárních stavebních kamenů pomocí energie protékající systémem, použijeme termodynamickou analýzu. Nejprve stanovíme množství různých druhů práce nezbytné při sestavování stavebních kamenů, a pak uvážíme, zda ty druhy energie, které byly k dispozici na dávné Zemi, byly vhodné k tvorbě biopolymerů. Čtenářům, kteří se blíže zajímají o tyto analýzy a zejména o numerické výpočty, doporučujeme již dříve uveřejněné obsáhlé studie.³⁴

Podrobně se budeme zabývat spojováním aminokyselin za vzniku proteinů. Podobné, ale složitější problémy jsou spojeny s tvorbou DNA a RNA. Jak vyplývá ze zákonů klasické termodynamiky, bude polymerace probíhat spontánně, jestliže bude tento proces, tedy připojování stavebních kamenů, spojen s poklesem Gibbsovy volné energie G (∆G < 0). Je-li však spojování stavebních kamenů spojeno se vzrůstem Gibbsovy volné energie v systému (∆G > 0), pak je k uskutečnění této chemické reakce potřeba dodat práci.

Je to totéž, jako bychom chtěli, aby voda tekla do kopce. Voda dokáže snižovat svou Gibbsovu volnou energii tím, že teče s kopce dolů, ale kdyby se pohybovala nahoru, Gibbsova volná energie by vzrůstala. Aby voda tekla do kopce, museli bychom použít pumpu nebo jiný zdroj energie, kdežto dolů teče zcela samovolně.

Spojování stavebních kamenů. Na obr. 5.4 je znázorněno vlastní spojování stavebních kamenů pomocí peptidových vazeb. Povšimněte si, že dochází k přerušení dvou chemických vazeb (C - OH a H - N) a ke tvorbě dvou nových (H - OH a C - N). Změna Gibbsovy volné energie (∆G = ∆H - T ∆S) je fyzikálně spojena se změnou chemické vazebné energie (∆H = ∆E + p ∆V  E) a se změnou entropie systému (∆S). Entropie systému je spojena s množstvím možností, jak lze uspořádat hmotu a energii v systému. Systém s vysoce specifickým uspořádáním má vyšší Gibbsovu volnou energii než systém, který může být uspořádán libovolně. Zanedbáme-li prozatím velmi specifické uspořádání nezbytné pro biologickou funkci a budeme pouze uvažovat změnu Gibbsovy volné energie (∆G) při chemické reakci dvou aminokyselin (stavebních kamenů) za vzniku dipeptidové vazby, jak ukazuje obr. 5.4 (tj. vznik vzájemné chemické vazby), zaznamenáme vzrůst G o 3 000 cal/mol, což odpovídá 30 cal/g aminokyselin.³⁵ Tok energie systémem musí tedy zajistit konání práce, která umožní systému dosáhnout vyšší energetické hladiny, jíž odpovídá polymerace stavebních kamenů. Obsahuje-li typická bílkovina přibližně 100 aminokyselin, je pak celková práce potřebná k "náhodnému" pospojování těchto aminokyselin 300 kcal/mol proteinu.

Fox a Dose shromáždili pokusy, které vedly k získání této práce potřebné pro pospojování stavebních kamenů.³⁶ Zahříváním aminokyselin na sucho a odstraňováním vody, která se tvoří jako vedlejší produkt chemické reakce mezi dvěma aminokyselinami (viz obr. 5.4), lze uskutečnit polymeraci aminokyselin (touto chemickou reakcí vzniká řetězec stavebních kamenů). Tímto způsobem lze ve formě tepla úspěšně oddělit práci potřebnou pro náhodné pospojování stavebních kamenů od toku energie systémem.

Správné uspořádání stavebních kamenů. Obtíže nastávají, chceme-li, aby byly aminokyseliny k sobě připojovány specifickým způsobem, který umožní vznik funkčního proteinu, jak bylo popsáno již dříve v této kapitole. S tím jsou spojeny nejméně čtyři obtíže.

První z nich spočívá v existenci dvou forem každé aminokyseliny, formy L- a D-, které jsou svými zrcadlovými obrazy (viz obr. 5.5). Obě formy byly v prebiotických modelových pokusech přítomny ve stejné koncentraci a reagovaly stejně rychle mezi sebou i s aminokyselinami stejné symetrie. Ve všech přírodních proteinech však byly nalezeny pouze L-aminokyseliny. Dodatková práce potřebná pro zajištění přítomnosti pouze L-aminokyselin v řetězci obsahujícím sto těchto stavebních kamenů, což odpovídá délce typického proteinu, je 4,2 cal/g vzniklého proteinu.³⁷

Druhým problémem je skutečnost, že peptidová vazba je jen jednou z několika možností, jak mohou být navzájem spojeny dvě aminokyseliny. Analýza těchto vazeb utvořených během prebiotických modelových pokusů ukazuje, že ne více než polovina z nich je peptidová vazba.³⁸ Funkční bílkovina však vyžaduje 100 % peptidových vazeb, aby mohla vytvořit přesnou trojrozměrnou strukturu, která podmiňuje její biologickou funkci. Podobně jako v předchozím případě lze i zde spočítat dodatkovou práci potřebnou pro zajištění výhradní přítomnosti peptidových vazeb v řetězci o stu aminokyselin, v němž by jinak bylo přítomno 50 % nepeptidových vazeb; je to 4,2 cal/g vytvořeného proteinu.³⁹

Třetím kamenem úrazu při tvorbě funkčního proteinu z aminokyselin je potřeba přesné sekvence rozličných aminokyselin. Na obr. 5.6 je schematicky znázorněno pět z dvaceti aminokyselin nacházejících se v bílkovinách. Trojrozměrná topografie, která určuje biologickou funkci, závisí na pořadí těchto aminokyselin. K získání správné morfologie nebo topografie není nutné, aby na každém místě v řetězci byla správná aminokyselina, to je nutné dodržet alespoň na polovině míst, tzv. aktivních míst, kde musí být přítomna správná aminokyselina. Dodatková práce nezbytná pro dodržení tohoto stupně specifity je 18,2 cal/g pro 100 aktivních míst nebo 9,1 pro padesát aktivních míst v proteinu obsahujícím sto aminokyselin.⁴⁰

Čtvrtým a snad nejobtížnějším problémem uspořádání aminokyselin do řetězce, jehož trojrozměrná struktura zajišťuje biologickou funkci, je, aby aminokyseliny reagovaly pouze mezi sebou a ne s mnoha jinými chemickými sloučeninami, které byly také přítomny v prebiotické polévce. Z hodnoty práce potřebné pro vzájemnou reakci aminokyselin (30 cal/g) je zřejmé, že by spolu aminokyseliny nereagovaly snadno. Vstupovaly by však snadno (za výsledného poklesu Gibbsovy volné energie) do chemických reakcí s mnoha jinými sloučeninami, které se vyskytovaly v hojném množství v prebiotické polévce. Je tedy obtížné si představit, jak mohly být aminokyseliny zahuštěny v roztoku nebo selektivně adsorbovány na povrchy jílů apod. přednostně před chemickou reakcí s jinými sloučeninami prebiotické polévky. Protože složení prebiotické polévky není známo, není také možné spočítat hodnotu práce potřebné k zamezení těchto vedlejších reakcí a zachování pouze selektivních reakcí mezi aminokyselinami. Tato práce by byla však mnohem větší než její tři předchůdkyně.

Spočítali jsme, že práce potřebná k syntéze specificky složitého proteinu o délce sto aminokyselin se za předpokladu, že zanedbáme hlavní problém, tj. ochotu aminokyselin reagovat s jinými sloučeninami prebiotické polévky, podobá svou hodnotou (18,2 + 4,2 + 4,2 cal/g) práci potřebné k náhodnému uspořádání stavebních kamenů do řetězce (30 cal/g). Ačkoliv je tedy tok energie schopen konat práci požadovanou pro získání potřebného uspořádání, dá se pochybovat o tom, že by kdy mohl souviset s tvorbou informace.

Pravděpodobně je to z toho důvodu, že biologická informace, ačkoliv je matematicky totožná s konfigurační entropií (jak jsme již popsali⁴¹), nemá k ní vůbec žádný fyzikální vztah. Velmi přesvědčivě dokazoval tento názor Jeffrey S. Wicken.⁴²

Není nic horšího než všechny prebiotické modelové pokusy, které směřovaly k tvorbě proteinů za použití čistých aminokyselin místo toho, aby vycházely z reakčních produktů Millerových prebiotických modelových pokusů, při nichž byly získány 1-2 % aminokyselin a množství dalších sloučenin, které mohou s aminokyselinami velmi snadno reagovat. Nezbytnou práci v těchto případech tedy zajišťuje chemik, který tak sotva napodobuje skutečný scénář vzniku života. Chemik může také vycházet pouze z L-aminokyselin, aby se vyhnul problému tvorby řetězců obsahujících L- i D-formy. Přesto nedokáže upravit pokus tak, aby vznikaly pouze peptidové vazby (mezi L-aminokyselinami) a utvářely se biologicky významné sekvence aminokyselin a funkční topografie, jak ukazuje obr. 5.3. Nakonec i při "prokazatelných prebiotických" modelových pokusech vznikají řetězce aminokyselin, jejichž katalytická aktivita je přinejlepším zanedbatelná.

Závěrem lze říci, že tok energie systémem je schopen spojovat molekulární stavební kameny, ale není schopen je připojovat s takovou nezbytnou specifitou, aby vzniklá struktura měla biologickou funkci.