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

Koncentrace nezbytných chemických sloučenin v prebiotické polévce: příklad aminokyselin
Dospěli jsme k tomu, že na prebiotické Zemi a v jejích oceánech byly organické látky podstatně zředěnější, než se obvykle předpokládá. Jak velké bylo toto zředění? Pokusme se nyní o odhad koncentrace důležitých látek v prebiotické polévce.

Obecně se soudí, že dávné oceány obsahovaly ohromné množství organické hmoty. Urey předpokládá, že prebiotický oceán byl tak bohatý na organické látky, že rozpuštěné uhlíkaté sloučeniny tvořily asi 10 % roztok.⁵² To odpovídá koncentraci 10^-3 M pro každou z 1 000 chemických sloučenin polévky, pokud uvažujeme průměrnou relativní molekulovou hmotnost 100.

Modernější výpočty opravily Ureyho odhad na nižší hodnoty. Sagan odhaduje, že během miliardy let by vlivem ultrafialového záření vzniklo v prebiotické atmosféře tolik organických látek, že by po rozpuštění v oceánech tvořily 0,3 % - 3 % roztok.⁵³ Na základě dat, získaných při pokusech s elektrickým výbojem, Wolman a spol. odhadují, že oceány prebiotické Země obsahovaly aminokyseliny v koncentraci asi 2 x 10^-3 M.⁵⁴ Oba tyto novější odhady jsou však stále velice optimistické. Sagan totiž předpokládá, že "nedošlo k destrukci syntetizované hmoty"⁵⁵ a Wolman a spol. říká: "předpokládáme... že rozklad aminokyselin po syntéze byl minimální."⁵⁶ Přesto, jak vyplynulo z této kapitoly, nemůže žádný realistický odhad osudu chemických látek, např. aminokyselin, na dávné Zemi přehlížet jejich značnou destrukci vlivem různých druhů energie či chemických interakcí v polévce.

Účinnost těchto rozličných přirozených procesů destrukce organických sloučenin naznačuje, že rovnovážná koncentrace aminokyselin v primordiálním oceánu byla poměrně nízká. Jak nízká lze zjistit jen způsobem, který zahrnuje množství nejistot. I přes to byly vytvořeny přijatelné odhady, které počítají s destruktivními procesy. Odhad provedený Dosem uvažuje destrukce v oceánu vlivem UV záření, ale zanedbává rozklad aminokyselin v atmosféře vlivem tohoto záření a destrukce aminokyselin jejich interakcí s jinými chemickými látkami v oceánu.⁵⁷ Dose uvádí horní mez koncentrace aminokyselin v prebiotickém oceánu 10^-7 M, což je asi 10 000krát větší zředění, než k jakému dospěly předchozí optimistické odhady. Ukazuje se, že průměrná současná koncentrace aminokyselin v Severním atlantickém oceánu je také asi 10^-7 M.⁵⁸

Druhý odhad, který poskytuje podobné výsledky, bere v úvahu destruktivní interakce mezi aminokyselinami a různými látkami polévky, zejména cukry, ale zcela zanedbává negativní vliv ultrafialového záření.⁵⁹ Tento odhad je založen na procesu odstraňování aminokyselin z polévky a následné polymeraci. Po komplikované polymerační reakci je polymer odstraněn sedimentací. Prvním krokem polymerace je dehydratačně-kondenzační reakce mezi aminoskupinou (-NH₂) aminokyselin a karbonylovou skupinou (>C=O) redukujících cukrů, uvedená dříve. Tímto způsobem jsou v dnešních oceánech odstraňovány cukry a aminokyseliny, které se tam dostávají nepřímo, rozkladem složitější organické hmoty dříve živých objektů. Dávný oceán byl podle předpokladů teorie chemické evoluce přímo zásobován aminokyselinami a cukry abiotického původu. Není důvod pochybovat o tom, že proces odstraňování organických látek existoval i v dávném oceánu.

Protože byl tento proces z geologického hlediska okamžitý (1 000 - 3 500 let), je obtížné si představit, že by koncentrace aminokyselin v prebiotické polévce byla větší než 10^-7 M.⁶⁰ Nissenbaum et al. stručně vyjádřil důležitost procesů, kterými se snižují koncentrace látek v polévce, pozorováním:

Vlivem odstraňování organické hmoty z oceánů polymerací a sedimentací byly koncentrace těchto abioticky vytvořených látek v oceánu mnohem nižší než se obvykle předpokládá. Je obtížné pochopit, jak mohla za takových okolností "primordiální polévka" vůbec existovat.
Třetí odhad koncentrace aminokyselin v dávném oceánu bere v úvahu destrukční vliv ultrafialového záření v atmosféře i v oceánech, ale nepočítá s odstraňováním aminokyselin v důsledku jejich reakcí s jinými složkami polévky.⁶² Je založen na srovnání rychlostí tvorby a rozkladu aminokyselin vlivem ultrafialového záření. Ukazuje, že jen asi 3 % aminokyselin vytvořených ve vrchních vrstvách atmosféry (kde probíhala většina syntézy aminokyselin iniciovaná UV) by se bez poškození dostaly do oceánu. Tak by mohla být maximální rovnovážná koncentrace aminokyselin v prebiotickém oceánu 10^-12 M.

Skutečně realistický odhad musí spojit vliv těchto faktorů a dalších destruktivních procesů a počítat také s působením všech zdrojů energie. Takový odhad by vyžadoval velice složitý výpočet. Uvedené odhady však dostatečně naznačují, že primordiální oceán byl extrémně zředěnou "polévkou", mnohem zředěnější, než aby bylo rozumné předpokládat spontánní tvorbu proteinů.⁶³ Populární představa, že život vznikl v oceánu, sice všeobecně přetrvává, ale " vědci a výzkumníky z této oblasti je nyní obecně přijímán názor, že koncentrace polévky byla pravděpodobně příliš malá pro účinné syntetické procesy, zejména pro tvorbu biopolymerů."⁶⁴

My na závěr dodáváme, že existovala-li kdy prebiotická polévka chemických sloučenin, byla příliš zředěná, než aby v ní mohla proběhnout chemická evoluce.
Zahušťování v malých nádržích
Představa, že organická polévka byla příliš zředěná, než aby v ní mohly přímo vznikat polymery, může zpochybňovat myšlenku chemické evoluce. Jak však napsal Bernal, "Původní představa prebiotické polévky musí být odmítnuta jen co se týče oceánů a velkých objemů vody. Zájem musí být přesunut k reakcím v podstatně omezenějším prostoru."⁶⁵ (Důraz doplněn autory knihy). Měl na mysli jezera, tůně, laguny a pod. V těchto prostově omezenějších oblastech by mohl život vzniknout spíše než v oceánu. Význam těchto míst spočívá v jejich mechanismech zahušťování nezbytných chemikálií. Zvýšením koncentrace monomerů by vzrostla pravděpodobnost jejich vzájemné interakce, a došlo by tak podle zákona působení aktivní hmoty ke zvýšení reakčních rychlostí. Podle tohoto zákona je rychlost chemické reakce přímo úměrná koncentraci reagujících látek. Proto se významně zvyšuje pravděpodobnost tvorby polymerů v nádrži s vysokou koncentrací chemických látek.

Dokonce i fosfát, jehož dříve uvedená maximální koncentrace v oceánu byla 10^-6 M, mohl být koncentrovanější v rezervoáru s nedostatkem vápenatých a hořečnatých solí. Zvýšení koncentrace fosfátu by bylo nezbytné, protože fosforylace, kterými se aktivují aminokyseliny pro další reakce, vyžadují jeho dostatek. Tuto představu můžeme považovat za přijatelnou, protože byla objevena přirozená naleziště vysoce rozpustného fosfátu NaBePO₄ a dokonce naleziště dihydrogenfosforečnanu sodného NaH₂PO₄, která jsou pravděpodobně nebiologického původu.⁶⁶

Pro zvyšování koncentrace organických látek v jezerech, tůních, lagunách atd. byly navrženy dva mechanismy: (1) prosté odpařování a (2) vymražování vody. Oběma těmto mechanismům je připisována důležitá úloha při zvyšování rychlostí procesů chemické evoluce.


Vypařování⁶⁷
Představme si, v souladu s předpokládaným mechanismem vypařování (viz obr. 4-5), malý rezervoár ukrytý v jeskyni, kde jsou nashromážděné organické sloučeniny chráněny před ultrafialovým zářením. Horké plyny, vystupující z blízké sopky, představují zdroj tepla nezbytného pro odpařování vody. Umístění rezervoáru na pobřeží zajišťuje přísun organických sloučenin, které přináší příliv, aniž se současně odplavují koncentrované látky. Během odlivu se koncentrace organických látek zvyšuje odpařováním vody. Četným opakováním tohoto cyklického procesu se pak vytvoří rezervoár koncentrovaných organických sloučenin.

Toto hypotetické schéma odpařování je jen jedním z mnoha, která si můžeme představit. Přesto na něm budeme ilustrovat několik aspektů tohoto mechanismu. Nehledě na detaily týkající se určitých nádrží, jezer nebo lagun, nalezneme vždy tyto společné rysy:

1. Vhodný rezervoár pro zahuštění organických sloučenin.

2. Zdroj tepla pro odpařování vody.

3. Opakované přitékání mořské polévky do rezervoáru.

4. Ochrana organických sloučenin před ultrafialovým zářením.

Pokud existovaly rezervoáry s těmito vlastnostmi, jistě v nich docházelo k zahušťování netěkavých látek, jakými jsou aminokyseliny, puriny atd. Takové rezervoáry však nebyly schopny koncentrovat těkavé sloučeniny jako aldehydy a HCN. Tyto látky by se při vypařování vody z rezervoáru odpařily také a později by se znovu rozpustily v podstatně zředěnějších roztocích. To je obzvláště důležité, protože, jak jsme se již zmínili, k polymeraci HCN může podstatnou měrou dojít jen, je-li jeho koncentrace větší než 0,01 M. Pokud byla koncentrace HCN v otevřeném oceánu asi 10^-6 M⁶⁸, musel existovat ještě nějaký jiný mechanizmus jeho zakoncentrování, jestliže měl sehrát důležitou úlohu v chemické evoluci.

Vymražování
Jestliže na dávnou Zemi, jak jsme se již zmiňovali, dopadalo sluneční záření o menší intenzitě než dnes, bylo mnoho vodních nádrží pokryto ledem, nebo byly úplně zmrzlé. V určitých rovníkových oblastech (kde mohla voda setrvávat v kapalném skupenství) by v těchto nádržích docházelo, snad v závislosti na ročním období, ke střídavému zmražování a rozpouštění jejich obsahu. Na základě této představy ukázal Orgel, že se zředěné roztoky HCN (10^-5 M) mohly v létě dostat z oceánu do menšího rezervoáru a tam se shromažďovat. Když byla voda během zimy zmrzlá, HCN se zahušťoval v roztoku pod ledem. Zde se ho mohlo 10% přeměnit na organické látky. Pokračováním tohoto cyklického procesu se mohl každý milion let nahromadit materiál molární koncentrace.⁶⁹


Kritická analýza koncentračních mechanismů
Není známý žádný geologický důkaz existence rezervoáru organického materiálu, který by vznikl tím či oním mechanismem, na této planetě.⁷⁰ Naproti tomu existuje mnoho důkazů, že v dávných dobách existovaly rezervoáry anorganického materiálu. Můžeme se s nimi ještě dnes setkat v Yellowstoneském národním parku.

To, že nebyly nalezeny důkazy svědčící o existenci isolovaných rezervoárů organických sloučenin, však není příliš závažné. Bylo by jich nepochybně celkem málo, protože na organický rezervoár jsou kladeny větší požadavky. Pokud takový rezervoár existoval, může trvat delší dobu, než bude nalezen.

Mnohem významnější je již dříve zmiňovaná skutečnost, že nebyl nalezen geologický důkaz svědčící pro prebiotickou polévku. Pokud kdy existoval zředěný oceán, který zásoboval menší rezervoáry organickými sloučeninami, mělo by pro to být množství důkazů ve starších usazeninách prekambria. Žádné však nebyly nalezeny. Uvědomme si, že jestliže byla polévka tak rozšířená jak navrhuje teorie, byly by doslova všude po celé Zemi v hluboko uložených sedimentech velkého stáří organické zbytky. Přes všechny snahy vědců však nebyly žádné organické sloučeniny nalezeny.

Pokud přesto nějakým způsobem vznikly rezervoáry koncentrovaných sloučenin, zahušťovaly by se v nich nejen žádoucí sloučeniny, ale i nežádoucí nečistoty. Odpařováním vody z nádrže by se tak zahušťovaly nejen netěkavé sloučeniny, jako jsou aminokyseliny, ale také mořské soli, např. NaCl.⁷¹ Vymražování vody a koncentrování těkavých sloučenin, jako je HCN, by mělo stejný efekt. Jestliže by tyto soli byly ve velkém nadbytku, což není nepravděpodobné, nedošlo by k významnému zahuštění organických sloučenin v nádrži v důsledku jejich "vysolení". Při tomto jevu dochází ke kompetici NaCl a ostatních mořských solí s organickými sloučeninami, např. aminokyselinami, o molekuly vody. Sůl má větší afinitu k vodě než tyto organické sloučeniny. Aby soli zůstaly rozpuštěné, musejí se organické sloučeniny z roztoku vysrážet.

Existuje však ještě jiný druh "nečistot", který mohl být největší překážkou úspěšného zahuštění organických sloučenin v omezeném prostoru. Je jím velké množství organických sloučenin přítomných v oceánu, jakými jsou aminy, aminokyseliny, aldehydy, ketony, cukry, karboxylové kyseliny atd., které by vzájemně reagovaly za vzniku nefunkčních produktů.⁷² Důsledkem jejich zahuštění by podle zákona působení aktivní hmoty bylo urychlení mnoha destruktivních reakcí (stejně jako reakcí vedoucích potřebným směrem), probíhajících pomaleji, jak jsme se již zmiňovali dříve, ve zředěnějším oceánu.

Výjimku by tvořil kyanovodík, protože s rostoucí koncentrací u něj převažuje polymerace. Hydrolýza HCN by tedy probíhala snáze ve zředěném oceánu. Polymery HCN by však po hydrolýze poskytovaly zranitelné aminokyseliny.⁷³ Jestliže v atmosféře vznikaly peptidy přímo z polymerovaného HCN, bylo by po vymytí do moře ⁷⁴ jejich prodlužování ukončeno reakcí s aminy, karboxylovými kyselinami atd., jak je uvedeno dříve.

Na procesy zahušťování se soustředilo mnoho badatelů. Z jejich diskuze však podle nás vyplývá, že pro uskutečnění chemické evoluce by musel existovat přirozený třídící mechanizmus, tj. prostředek selekce organických sloučenin a jejich izolace od ostatních chemikálií, které by mohly způsobit jejich destrukci. Doposud však nic, kromě samotné myšlenky, nenaznačuje, že takový třídící mechanizmus na naší planetě existoval.

Jinými slovy, je těžké si představit, že by se v prostorově omezených oblastech, tedy jezerech, rezervoárech, lagunách, nebo dokonce v oceánu, někdy nahromadily dostatečné koncentrace nezbytných organických sloučenin. Jak jsme viděli, je při odhadu jejich skutečných koncentrací nezbytné počítat i s jejich odbouráváním, které mnozí vědci zanedbávají.

Závěr
Na základě předcházejícího geochemického rozboru usuzujeme, že v atmosféře a v různých vodních nádržích na prebiotické Zemi destruktivní interakce natolik snížily (ne-li zcela zničily) koncentraci nezbytných chemických prekurzorů, že chemická evoluce probíhala jen zanedbatelnou rychlostí. Polévka byla příliš zředěná, než aby v ní probíhala přímá polymerace. Tento problém se týkal dokonce i malých nádrží, v nichž se koncentrovaly složky polévky.

Kromě toho žádný geologický důkaz nenaznačuje, že by na této planetě někdy existovala organická polévka či nějaká i malá nádrž organických sloučenin. Ať už tedy život na této Zemi vznikl jakkoli, je obecně přijímaná představa o jeho vzniku v oceánu organických sloučenin tou nejméně přijatelnou hypotézou. Můžeme tedy oprávněně označit tento scénář jako "mýtus prebiotické polévky."

Literatura

1. P.H. Abelson, 1966. Proc.Nat.Acad.Sci. U.S. 55, 1365; P.E. Cloud, 1968, Science 160, 729.

2. A.C. Lasaga, H.D.Holland a M.J. Dwyer, 1971. Science 174, 53.

3. J.P. Pinto, G.R. Gladstone, Y.L. Yung, 1980. Science 210, 1983; C. Ellis a A.A. Wells, 1941. The Chemical Action of Ultraviolet Rays, revidované a rozšířené vydání, ed. F.F. Heyroth. New York: Reinhold, str.417; Abelson, Proc.Nat.Acad.Sci. U.S. 1365; H.R. Hullet, 1969. J. Theoret.Biol. 24, 56; H.R. Hullet, 1973. V Proceedings of the Fourth Conference on Origins of Life: Chemistry and Radioastronomy, ed. Lynn Margulius. New York: Springer-Verlag, str.80.

4. N.H. Horowitz, F.D. Drake, S.L. Miller, L.E. Orgel, C. Sagan, "The Origins of Life," 1970. V Biology and the Future of Man, ed. P. Handler. New York: Oxford U. Press, str.163.

5. Abelson, 1966. Proc.Nat.Acad.Sci. U.S., 1365; J.P. Ferris a D.E. Nicodem, 1972. Nature 238, 268. J.P. Ferris a D.E. Nicodem, 1974. V The Origin of Life and Evolutionary Biochemistry, ed. K. Dose, S.W. Fox, G.A. Deborin a T.E. Pavlovskaya. New York: Plenum Press, str.107; W.R. Kuhn a S.K. Atreya, 1979. Icarus 37, 207; J.S. Levine, 1982. J.Mol.Evol. 18, 161.

6. Abelson, Proc.Nat.Acad.Sci. U.S., 1365.

7. C. Sagan, 1977. Nature 269, 224.

8. Kuhn a Atreya, Icarus, 207.

9. Ferris a Nicodem, v The Origin of Life and Evolutionary Biochemistry, str. 107; S. Miller, H. Urey a J. Oro, 1976. J.Mol.Evol. 9, 59.

10. Ferris a Nicodem, v The Origin of Life and Evolutionary Biochemistry, str. 107.

11. C.G. Davidson, 1965. Proc.Nat.Acad.Sci. U.S. 53, 1194; R.T. Brinkman, 1969. J.Geophys.Res. 74, 5355; E. Dimroth a M. Kimberly, 1976. Can.J.Earth Sci. 13, 1161; J.C. Walton, 1976. Origins 3, 66; J.H. Carver, 1981. Nature 292, 136; J.S. Levine, 1982. J.Mol.Evol. 18, 161.

12. News Release č.30-72-7, Výzkumná laboratoř amerického námořnictva, Washington, D.C.; G.R. Carruthers a Thornton Page, 1973. Science 177, 788.

13. G.R. Carruthers, osobní sdělení, 28.září 1981.

14. Michael I. Ratner a James C.G. Walker, 1972. J.Atmos. Sci. 29, 803; A.J. Blake a J.H. Carver, 1977. J.Atmos. Sci. 34, 720; Carver, Nature, str. 136.

15. L.E. Orgel, 1973. The Origins of Life. New York: Wiley, str. 129; Horowitz a spol., Biology, str. 171.

16. Hulett, J.Theoret.Biol., str. 60.

17. D.E. Hull, 1960. Nature 186, 693.

18. Miller, Urey a Oro, J.Mol.Evol., str.59.

19. Hull, Nature, 693.

20. L.V. Berkner a L.C.Marshall, 1965. J.Atmos.Phys. 22, 225.

21. J.W.S. Pringle, 1954. New Biology č.16, str.54.

22. S.L. Miller a L.E. Orgel, 1974. The Origins of Life on the Earth. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, str. 127.

23. Horowitz a spol., Biology, str. 174.

24. Horowitz a spol., Biology, str. 174.

25. J. Brooks a G. Shaw, 1973. Origin and Development of Living Systems. London a New York: Academic Press, str.78.

26. Hulett v Proceedings, str.93.

27. A. Bar-Nun, N. Bar-Nun, S.H. Bauer a C. Sagan, 1970. Science 168, 470.

28. Bar-Nun a spol., Science, str.472.

29. C. Ponnamperuma, 1978. Chemistry 51, 6.

30. Hullet, J.Theor.Biol., str.61.

31. N.H. Horowitz a J.S. Hubbard, 1974. Ann.Rev.Genetics 8, 393.

32. R.Sanchez, J. Ferris a L.E. Orgel, 1966. Science 153, 72.

33. Hulett, J.Theoret.Biol., str. 61.

34. J. Hulshof a C. Ponnamperuma, 1976. Origins of Life 7, 197.

35. A. Nissenbaum, 1976. Origins of Life 7, 197.

36. Abelson, Proc.Nat.Acad.Sci. U.S., str. 1365.

37. J.F. Walker, 1964. Formaldehyde, ACS Monograph 159, 3.vydání. New York: Reinhold, str. 399ff.

38. Tamtéž, str.404.

39. Tamtéž, str.399.

40. Tamtéž, str.398.

41. K. Dose v The Origin of Life and Evolutionary Biochemistry, str.69.

42. Encyclopedia of Science and Technology, 1982. "Amino Acids," 1.díl, str. 411-424. New York: McGraw-Hill.

43. S. Miller a M. Parris, 1964. Nature 204, 1248; a D.H. Kenyon a G. Steinman, 1969. Biochemical Predestination. New York: McGraw-Hill, str. 175ff a 218.

44. Abelson, Proc.Nat.Acad.Sci. U.S., str. 1365.

45. Hulett, J.Theoret.Biol., str. 62.

46. E.J. Griffith, C. Ponnamperuma a N.W. Gabel, 1977. Origins of Life 8, 71.

47. Abelson, Proc.Nat.Acad.Sci. U.S., str. 1365.

48. Lasaga, Holland a Dwyer, Science, str. 53.

49. Abelson, Proc.Nat.Acad.Sci. U.S., str. 1365; Cloud, Science, str. 729.

50. Nissenbaum, Origins of Life, str. 415.

51. Brooks a Shaw, Origin and Development of Living Systems, str.359.

52. H. Urey, 1952. The Planets. New Haven, Conn.: Yale Univ. Press, str.152.

53. C. Sagan, 1961. Rad.Res. 15, 174.

54. T. Wolman, W.J. Haverland a S. Miller, 1972. Proc.Nat. Acad.Sci. U.S. 69, 809.

55. Sagan, Rad.Res., str.176.

56. Wolman a spol., Proc.Nat.Acad.Sci. U.S., str. 811.

57. Dose v The Origin of Life and Evolutionary Biochemistry, str. 69.

58. R. Pocklington, 1976. Nature 230, 374.

59. Nissenbaum, Origins of Life, str. 413.

60. Nissenbaum, Origins of Life, str. 413.

61. A. Nissenbaum, D.H. Kenyon a J. Oro, 1975. J.Mol.Evol. 6, 253.

62. Hull, Nature, str. 693.

63. Dose v The Origin of Life and Evolutionary Biochemistry, str. 74.

64. Nissenbaum a spol., J.Mol.Evol., str. 259.

65. J.D. Bernal, 1960. Nature 186, 694.

66. E.J. Griffith, C. Ponnamperuma a N.W. Gabel, 1977. Origins of Life 8, 71.

67. Miller a Orgel, The Origins of Life on the Earth, str. 129ff.

68. Hulett, J.Theoret.Biol., str. 61.

69. R. Sanchez, J. Ferris a L. Orgel, 1967. J.Mol.Biol. 30, 223.

70. Dose v The Origin of Life and Evolutionary Biochemistry, str. 75.

71. Clair Edwin Folsome, 1979. The Origin of Life. San Francisco: W.H. Freeman and Co., str. 84; C.E. Folsome, ed. 1979. Life: Origin and Evolution. San Francisco: W.H. Freeman and Co., str. 3.

72. Folsome, The Origin of Life, str. 57, 59.

73. C.N. Matthews a R.E. Moser, 1967. Nature 215, 1230.

74. Clifford N. Matthews, 1975. Origins of Life 6, 155; C. Matthews, J. Nelson, P. Varma a R. Minard, 1977. Science 198, 622.

KAPITOLA 5
Kritický pohled na údaje o složení dávné Země a její

atmosféry

V posledních desetiletích vzrostlo značnou měrou množství poznatků o dávné Zemi, které vytvářejí velmi důležitý zásadní pohled na teorie chemické evoluce. V této kapitole se budeme zabývat třemi důležitými otázkami. Nejprve vytvoříme časový rámec, neboli zjistíme po jakou dobu mohla probíhat chemická evoluce. Dále přezkoumáme chemické složení atmosféry prebiotické Země, abychom určili, zda bylo vhodné pro abiogenezi. Za třetí prošetříme důležitou otázku přítomnosti kyslíku na dávné Zemi a v její atmosféře. Zjištění pravděpodobných atmosférických podmínek pomůže určit výchozí podmínky pro další generaci prebiotických modelových experimentů. Mnohé pokusy, popsané v kapitole 3, jsou založeny na předpokladu silně redukujících podmínek na prebiotické Zemi a v její atmosféře.
Vytvoření časového rámce
Jedna z nejdramatičtějších změn, které od šedesátých let zasáhly evoluční teorii, spočívala v pochopení, jak krátká je doba, po kterou mohly probíhat abiogenní syntézy. Richard E. Dickerson prohlásil: "Nejnápadnějším rysem evoluce života na Zemi je, že proběhla tak rychle."¹ Cyril Ponnamperuma z univerzity v Marylandu a Carl Woese z univerzity v Illinois předpokládají, že život může být stejně starý jako Země a že se doba jeho vzniku možná shoduje se zrodem naší planety.² V této části prozkoumáme údaje, které podporují toto tvrzení.

Pomocí radiometrických metod bylo odhadnuto stáří kamenných meteoritů na 4,6 miliardy let.³ Pokud se Slunce, planety, meteority a jiné úlomky Slunce vytvořily z téhož primordiálního oblaku prachu zhruba ve stejnou dobu, byla by Země stará přibližně 4,6 miliardy let. V informacích o Zemi existuje obrovská mezera, která pokrývá dobu od jejího vzniku přes období prekambria až do doby před asi 0,6 miliardami let.⁴ Právě do této mezery spadají údaje o chemické evoluci.⁵ Až do konce šedesátých let byl za nejstarší důkaz života považován výskyt zkamenělých stromatolitů (fotosyntetizující řasy) ve 2,7 miliardy let starých vápencích v jižní Rhodesii.⁶ Koncem šedesátých let však několik vědců při zkoumání velmi starých hornin (3,2 miliardy let) nalezlo molekulární fosilie a mikrofosilie, tedy důkaz svědčící o minulém životě.

Molekulární fosilie
Molekulární fosilie (neboli chemické fosilie) jsou chemické sloučeniny nalezené v horninách, o nichž se soudí, že to jsou pozůstatky kdysi živé hmoty. Chemické látky, které mohou být důkazem života, jsou velmi různorodé. Existují však dvě možnosti, jak prokázat spojitost mezi nalezenými sloučeninami a živými organismy:
1. Tyto sloučeniny mohou být produkty odbourávání chemických látek nacházejících se v živých organismech. Isoprenoidy, např. pristan a fytan, jsou považovány za produkty štěpení chlorofylu. Isoprenoidy nalezené ve starých horninách mohou být tedy památkou na živé organismy. Ve velmi starých horninách lze nalézt i mnoho jiných chemických látek, které mají vztah k živým organismům, jako jsou porfyriny a deriváty steranu.
2. Metabolizmus živých organismů vždy selektivně upřednostňuje izotop uhlíku ¹²C před ¹³C. Zvýšený poměr ¹²C ku ¹³C v chemických látkách může tedy ukazovat na vztah k životním procesům.
Mikrofosilie
Mikrofosilie mohou také svědčit o minulém životě. Mikrofosilie jsou mikroskopické otisky, nalézané v horninách, které vypovídají o minulých formách života. Obvykle se jedná o velmi jednoduché, řasám podobné, kulovité či vláknité útvary, nalezené v horninách bohatých na uhlík. Byli bychom rádi, kdyby kromě jejich morfologických charakteristik zůstal zachován pro naše zkoumání i nějaký detail. To se však stane jen výjimečně. Přesto se následkem chemické analýzy a mikroskopického zkoumání velmi starých hornin bohatých na organické látky mění celý pohled na základy chemické evoluce.* Před nalezením mikrofosilií a molekulárních fosilií se většina vědců domnívala, že chemická evoluce probíhala 2 miliardy let.
* Jedná se však o velmi choulostivý problém, protože někdy může dojít k záměně anorganického materiálu za mikrofosilie (E.L. Merek, 1973. Bio.Science 23, 153; N. Henbest, 1981.New Scientist 92, 164)
Důkazy
Od šedesátých let byly nalezeny následující důkazy podporující myšlenku, že se život na Zemi objevil brzy po jejím vzniku:
1. 1967: Mikropaleontologická studie uhlík obsahujícího rohovce z "Fig Tree Series" v jižní Africe (stáří více než 3,1 miliardy let) prokázala přítomnost kulovitých mikrosfér. Schopnost fotosyntézy byla u těchto primitivních mikroorganismů prokázána geoorganickou analýzou a analýzou izotopů uhlíku.⁷
2. 1977: Shluk organických mikrostruktur opatřených stěnami, které pocházely ze svazijské plošiny z jižní Afriky, byl identifikován jako pozůstatek primitivních prokaryot. Horniny byly staré 3,4 miliardy let.⁸
3. 1979: Buňkám podobné inkluze v křemičitých vrstvách kvarcitu, který je součástí "Isua series" v jihozápadním Grónsku, byly složeny z biologických materiálů. Přítomné uhlovodíky se vyznačovaly vysokým poměrem mezi izotopy C¹² a C¹³. Stáří bylo přibližně 3,8 miliardy let.⁹
4. 1980: Vědci nalezli v horninách v oblasti "North Pole" v Austrálii objekty podobné buňkám. Skály byly staré 3,5 miliardy let. Ještě více ohromila skutečnost, že mezi nimi bylo možné rozlišit pět různých druhů buněk. "To dokazuje, že život byl různorodý, hojný a z chemického hlediska skutečně pokročilý."¹⁰
5. 1980: V železitém dolomitickém rohovci z "Pilbara Block" v západní Austrálii se zachovala zkamenělá vrstva vláknitých mikroorganismů nazývaných stromatolity. Jejich stáří bylo odhadnuto na 3,4 až 3,5 miliardy let.¹¹
Až do nedávna byly "kvasinkám podobné mikrofosilie" pocházející z oblasti Isua v jihozápadním Grónsku považovány za důkaz existence živých struktur. Někteří badatelé však nyní zpochybňují tuto interpretaci¹² a naznačují, že se nejedná o zbytky prahorních živých forem. Proto jsou australské depozity staré 3,5 miliardy let považovány v současné době za nejstarší sedimenty obsahující přesvědčivé důkazy biologické činnosti. Přesto mnoho vědců věří, že život existoval před více než 3,8 miliardami let.
Doba trvání evoluce
Brooks a Shaw tvrdí, že nejstarší horniny na Zemi jsou staré pravděpodobně 3,98 miliardy let.¹³ Největší stáří, potvrzené pomocí izotopové techniky u hornin z oblasti Isua v Grónsku, bylo však 3,8 miliardy let.* V každém případě je možno téměř s určitostí tvrdit, i když to může znít překvapivě, že život byl na Zemi prakticky od počátku její existence. Před 3,98 miliardami let (od 4,6 do 3,98 miliard let) byla Země pravděpodobně příliš horká, než aby na ní mohl být život.¹⁴ Podle toho by se život objevil zhruba před 3,81 miliardami let. To znamená, že jen 170 milionů let se mohl život formovat abiotickou cestou. Podle Brookse a Shawa je tato doba "příliš krátká"¹⁵ pro abiogenní syntézy nezbytných prekurzorů, natož pro chemickou evoluci. Objev mikrofosilií, který potvrdil tento závěr, byl jedním z důvodů dramatické změny ve vědeckém myšlení, zdůrazněné Millerem: "Neudivilo by mě, kdyby život vznikl během pouhých 10⁶ let (0,001 miliardy)."¹⁶ Jiní vědci se domnívají, že se jedná o období 10⁷ až 10⁸ let nebo méně poté, co Země zchladla. Např.: "Jestliže byl zemský povrch horký ještě před 4 miliardami let, vznikl život pravděpodobně zhruba před 3,9 miliardami let."¹⁷ Výzkum se nyní soustřeďuje na mechanismy které by vysvětlily tento "geologicky okamžitý" vznik života.
* Nedávno bylo stanoveno stáří zirkonu z oblasti australského Shieldu na 4,2 miliardy let. Chem.Eng.News, 22.dubna 1983, str.20; Science News, 18.června 1983, str.389.