Původ života: svět RNA?

Jonathan M. [2]

(Článek vyšel 22. srpna 2011 na http://www.evolutionnews.org/2011/08/the_rna_world_a_response_to_ni04987... [3]. Přeložil M. T. – 9/2011)

Nedávno jsem na ENV (Evolution News and Views) zveřejnil recenzi nového článku [4], který se objevil v New Scientist a týkal se scénáře světa RNA a jeho role při vzniku života. Nick Matzke mezitím na Pandině palci odpověděl na tuto recenzi kritikou [5] mých argumentů. Toto je moje odpověď na jeho poznámky.

Výzkum provedený Sutherlandovou skupinou

Matzke píše,

…před jedním či dvěma týdny JonathanM vyvěsil na internetu [UD = Uncommon Descent - Původ nikoli ze společného předka] svou recenzi, ve které formou myšlenkových polotovarů nastoluje různé námitky vůči přirozenému vzniku života; jedna z nich zní, že by bylo těžké vytvořit RNA, protože by příroda by musela oddělit [sic] cukry, báze a fosfáty zvlášť, a pak je poskládat. Jediná odpověď na tuhle námitku, ať už měla původně jakýkoli účel, zní, že byla bezprostředně vyvrácena slavnými pokusy Sutherlandovy skupiny roku 2009. A je to! Napsal jsem to takhle na UD, a třebaže se to neobešlo bez jistého skřípění zubů, byli nakonec někteří zastánci UD víceméně nuceni připustit, že JonathanM se na jejich webu uťal. Zdá se však, že JonathanM si počíná, jako by nikdy nedošlo k tomu, co před několika týdny udělal – jako děd vševěd nám vytmavil, jak to s tím vznikem života bylo.

Tohle je podivné vyjádření, v neposlední řadě proto, že jsem se Sutherlandovým výzkumem [6] ve svém předešlém článku [4] podrobně zabýval. Také mě překvapuje, že Matzke konstatuje, že „…třebaže se to neobešlo bez jistého skřípění zubů, byli někteří zastánci UD víceméně nuceni připustit, že JonathanM se na jejich webu uťal.“ Tak tomu prostě není, jak se můžete přesvědčit ze sledu příslušných komentářů [7].

Každopádně se vraťme k Sutherlandovu výzkumu. Jaké jsou jeho klíčové problémy?

1) Vznikly v něm pouze pyrimidinové (nikoli purinové) ribonukleotidy.

2) Problém specifičnosti sekvencí zůstává nevyřešen.

3) Problém chirality zůstává nevyřešen.

4) Vědci nevytvořili RNA, která by měla nějaký biologický význam.

5) Celým pokusným projektem prolínají šikovné manipulace (např. umělé upravování pH a teploty „za pochodu“ podle potřeby; používání UV záření v přesné době a dávkování tak, aby se odstranily problematické vedlejší produkty, atd.), které stěží simulují prebiotické podmínky.

Casey Luskin napsal před nedávnem článek o tomto tématu [8]. Cituje v něm organického chemika Dr. Charlese Garnera:

Pokud jde o otázky původu života (OOL = Origin of Life), potýká se chemie s celou plejádou obvyklých problémů. Výchozí materiály lze „obstojně“ získat abiotickými prostředky, ale je nutné uchovávat je izolovaně jeden od druhého až do toho správného kroku, jak Sutherland připouští. Jedním z výchozích materiálů je jedinečný zrcadlový izomer, který nelze za normálních podmínek abioticky získat. Pak nechal Sutherland proběhnout tyto reakce tak, jak by to učinil kterýkoli organický chemik, s čistými materiály za pečlivě kontrolovaných podmínek. Obecně řečeno, po každém kroku kýžené produkty čistil, a v průběhu celého procesu nastavoval podmínky (pH, teplotu, atd.) maximálně výhodně. Což vůbec neodpovídalo situaci, jakou byste očekávali od laguny organické polévky. Sutherland dále poznal, že nezabrání tomu, aby nevznikla spousta biologicky problematických vedlejších produktů, ale zjistil, že ozáření ultrafialovým světlem v pravou chvíli a po přiměřenou dobu by mohlo většinu (?) tohoto odpadu zničit, aniž by to příliš poškodilo materiál žádoucí. Což samozřejmě znamená, že bez velké péče by nebylo myslitelné valnou část kýžených chemikálií vytvořit. Přesto to vědcům věřícím v abiogenezi bohatě stačí ke štěstí a k vyvolání předčasné euforie v tisku. Přesto někteří badatelé studující původ života (OOL), byť nezastávali myšlenku inteligentního plánu, připustili, že celý pokus nenasimuloval pravděpodobné prebiotické podmínky.

Jak konstatoval článek přinášející aktuality roku 2009 [9] na webových stránkách britské Královské vědecké společnosti,

Avšak Robert Shapiro, bývalý profesor chemie na Newyorské univerzitě, nesouhlasí. „Ačkoli jako cvičení v chemii to představuje kus velmi elegantní práce, nemá to naprosto nic společného s původem života na Zemi“, říká. Podle Shapira je těžké si představit, že RNA vznikala v prebiotickém světě tak, jak se ji pokusil syntetizovat Sutherland.

„Možnost, že by se slepá, neřízená, mrtvá chemie utrhla ze řetězu a v nesčetných krocích použila činidla právě v tom správném pořadí, aby vytvořila RNA, je vysoce nepravděpodobná“, tvrdí Shapiro. Místo toho zastává teorii, že nejdříve docházelo na světě k metabolickým procesům: že rané samostatné autokatalytické chemosyntetické systémy spojené s aminokyselinami tu byly dříve než RNA.

Nick Matzke dále ve své odpovědi na mou recenzi píše,
Tohle všechno může být důvodem toho, proč poté, co jsem vyvěsil na webovou stránku inteligentního designu následující komentář k recenzi JonathanaM na článek Svět RNA - - několik hodin poté, co byl původní článek Svět RNA zveřejněn, pamatuji-li se dobře - - , odpověděla stránka ID „komentář jsme dostali“, ale moderátoři to nikdy nepotvrdili. Takže takhle to je, Davide Klinghoffere - - odpovídám na tvou otázku, proč jsme JonathanaM neklepli přes prsty.

Je nám líto, že se Matzkeho komentář podle všeho ztratil. Nejsme si vědomi toho, že bychom ho dostali, a určitě jsme ho nevymazali. Nevíme, co se s ním stalo.

Genová duplikace jako zdroj změn?

Takže přejděme raději opět k zásadním námitkám Matzkeho komentáře. Poté, co znovu zopakoval svou argumentaci o Sutherlandově výzkumu, píše:

Není pravda, že „informace je fenoménem, který je neodmyslitelně spojen s inteligentními příčinami.“ Přírodní procesy genových duplikací plus mutací a výběru přece neustále vyrábějí nové genetické informace. Tohle konstatování vyvrací klíčovou argumentaci zastánců ID, jak jste mi ji sám přiblížil.

Touhle Matzkeho námitkou jsme se na ENV i jinde zabývali tolikrát, že není třeba ji opět podrobně vyvracet. V tomto ohledu prosím laskavé čtenáře, aby se seznámili s prací Douglase Axeho model bakteriálních populací [10]. V tomto článku Axe tvrdí, že model získávání nových vlastností genovou duplikací funguje pouze tehdy, stačí-li k nabytí nové kvality přínosné pro přežití nebo k přestrukturování a zmnožení funkcí určitého organizmu jen velmi málo změn. Je-li zdvojený gen neutrální, pak maximální počet mutací (nepočítáme-li vlastní duplikaci), které může vyžadovat neobvyklá inovace v bakteriální populaci, nepřesahuje šest. Pakliže zdvojený gen platí za svou inovativnost určitým malým zhoršením jiných funkcí, pak klesá maximální počet zmíněných mutací na dvě či ještě méně. Viz též moje poznámky o genové duplikaci zde [11] a zde [12], stejně jako poznámky Caseye Luskina zde [13], zde [14], zde [15]a zde [16].

Model předpokládající přestrukturování a zmnožení funkcí cestou duplikací a divergencí genů čelí mnoha problémům. Jednou z doprovodných často přehlížených překážek je fakt, že změna v sekvenci aminokyselin, která má dát proteinu novou funkci, musí být doprovázena změnami v sekvencích řídicích. Vezměte si například evoluci globinů, jeden z nejběžněji citovaných učebnicových příkladů genové duplikace. Předpokládá se, že v určitém okamžiku se gen kódující hemoglobin zdvojil. Jedna kopie si zachovala svou původní funkci (přenos kyslíku krví), zatímco druhá zmutovala v myoglobin: protein podobný hemoglobinu využívaný svalem při snaze získat pro svou práci kyslík z krve. Myoglobin to dokáže díky své vyšší tendenci ke slučování s kyslíkem. Změny v aminokyselinové sekvenci proteinu za účelem jeho přestrukturování z hemoglobinu v myoglobin by musely být doprovázeny změnami v jeho sekvencích řídicích, aby se zajistilo, že myoglobin bude produkován ve svalu, kde je potřeba, a nikoli v kostní dřeni, kde vznikají červené krvinky. Myoglobin přítomný v červených krvinkách by svému organizmu nepřinášel výhodu při přírodním výběru. Dokonce by mu škodil, protože by na sebe vázal příliš mnoho kyslíku a neuvolňoval by ho do tkání.

Každopádně už toho bylo řečeno dost. Ať už genové duplikace a divergence představují schůdný mechanizmus pro tvorbu nových genetických informací či ne, nelze takovou hypotézu použít jako primární prostředek pro vysvětlení původu biologické informace. Však také přírodní výběr ve své podstatě předpokládá apriorní existenci informace, na které by stavěl. Ale jelikož se tahle diskuze týká v první řadě původu biologické informace, není třeba se tolik věnovat podružným záležitostem jako byla Matzkeho námitka argumentující významem genových duplikací.

Podivný argument?

Matzke dále cituje mé prohlášení, že ribonukleotidy „budou polymerizovat pouze tehdy, budou-li nukleotidy přítomny ve vysokých koncentracích“, což označuje za „podivný argument“. To je zajímavé, jelikož se Nick Lane (čelný teoretik v oblasti problematiky původu života) potýká přesně s týmž problémem ve své knize Vývoj života: deset velkých vynálezů evoluce, i když tam jisté řešení nachází – řešení, které jsem rozebral ve své předchozí kritice [17] jeho teorií původu života.

Nick Lane ve své knize píše,

…zásadité hydrotermální kanály jsou prostoupeny spojovacími póry. V důsledku teplotních výkyvů jimi obíhají dva druhy proudů, konvekční čili vzestupné proudy (jako když se vaří voda) a termální difuze (samovolné pronikání atomů nebo molekul z oblasti vyšší koncentrace do oblasti nižší koncentrace vlivem tepelného pohybu částic – pozn. překl.), rozptyl tepla do chladnějších vod. Uprostřed pak zaplňují tyhle dva termální proudy postupně spodní póry mnoha malými molekulami včetně nukleotidů. V simulované hydrotermální soustavě tak koncentrace nukleotidů dosáhla výchozí úroveň potřebnou ke vzniku života tisíckrát a dokonce milionkrát. Tak vysoké úrovně by měly pohodlně zkondenzovat nukleotidy do řetězců RNA nebo DNA.

Tento názor má v podstatě dvě slabiny. Za prvé, při vysokých teplotách nejsou organické molekuly stabilní. Za druhé, zrodil-li se život ve vodním roztoku prebiotických monomerů, pak - - podle Le Chatelierova principu - - přítomnost látky (v tomto případě vody) reakci zpomalí. Le Chatelierův princip v podstatě říká, že při reverzibilní reakci bude mít reakční směs (látek základních a látek přidaných – činidel) vždy tendenci směřovat k rovnovážnému složení: jelikož tedy produktem kondenzační reakce mezi nukleotidy tvořícími nukleové kyseliny je voda, a jelikož je jí v podmínkách postulovaných Lanem více než jakékoli jiné látky v reakční směsi, podle Le Chatelierova principu bude celý proces směřovat k hydrolýze (která rozštěpí nukleové kyseliny opět na nukleotidy). Ve vodním roztoku není možné polymerizovat větší množství monomerů na polymery. Takže nutná fáze reakce - polymerizace – by nemohla probíhat ve vodě. Totéž platí o polymerizaci aminokyselin na peptidy.

Někdo by mohl namítnout, že teplo z hydrotermálních kanálů by mohlo stačit k vytvoření omezené oblasti s dostatkem energie, ve které by mohly probíhat procesy obcházející zmíněný princip a umožňující nukleotidům vytvářet nukleové kyseliny a aminokyselinám vytvářet dipeptidy. Zde se však opět setkáváme s problémem nestability organických materiálů při vysokých teplotách. Abychom překonali tuhle nesnáz, musíme uvažovat o opakovaném cyklu zahřívání a vysušování. Problémem však je, že musíme odstranit všechnu vodu, ale musíme dávat pozor, abychom syntetizované polymery nezahřáli příliš - - a tak je v mžiku nerozštěpili. Takový pokus by znamenal neustálé udržování křehké rovnováhy a rovněž pohotové doplňování organického materiálu jako okamžité náhrady za teplem rozštěpené molekuly. Proto není snadné si představit, jak takový scénář s potenciálem, který máme k dispozici, naplnit.

Nick Matzke píše, že

„se zdá, že chápete přirozenou produkci jistých molekul jako jednorázovou transakci. Proč? Vytvořil-li geochemický proces takové molekuly jednou, mohl by je přece vytvářet znovu - - bylo by to přece pravděpodobnější než aby se takový proces už neopakoval, zejména budou-li panovat podobné podmínky. Vždyť nejběžnější situací v přírodě by byl stav, kdy by molekuly existovaly v jistém druhu rovnováhy. Například fosfát, jedna z důležitých molekul v celém procesu, se vymývá z jistých hornin jistou rychlostí, a pak se spotřebovává v chemických reakcích nebo se jistou rychlostí zase vysráží. Odstartuje-li nějaký polymerizační proces, který začne spotřebovávat fosfát, nedojde přece zároveň k tomu, že se náhle tento fosfát jakýmsi kouzlem přestane z hornin vymývat. A přece jste z nějakého záhadného důvodu sebejistě přesvědčen o opaku!“

Zdá se, že Matzke nepochopil, co jsem chtěl v této souvislosti demonstrovat. Fosfát je jen jednou složkou nukleotidů (dalšími jsou cukr-ribosa a dusíkatá báze). Já jsem však napsal [4], že „zmatené tvrzení, že mohou vznikat izolované ribonukleotidy, ještě nic neřeší. Ribonukleotidy vzniknou polymerizací pouze tehdy, bude-li výchozí koncentrace nukleotidů vysoká.“ Zdá se tedy, že Matzke nerozlišuje syntézu nukleotidů a jejich následnou polymerizaci.

Původ replikace

Nick Matzke končí své úvahy tím, že mě odkazuje na práci Nowaka a Ohtsukiho (2008) [18], kteří v resumé shrnují obsah svého výzkumu takto:

Život je tím, co se replikuje a vyvíjí. Původ života znamená současně počátek evoluce. Zásadní otázkou je, kdy se z chemické kinetiky stává evoluční dynamika? Zde formulujeme obecnou matematickou teorii původu evoluce. Veškerý známý život na zemi je založen na biologických polymerech, které fungují jako nositelé informací a katalyzátory. Proto musí každá teorie původu života analyzovat to, jak takový systém vznikl. Popisujeme neživou hmotu jako abecedu aktivních monomerů, ze kterých vznikají náhodné polymery. Neživá hmota je tvořivá soustava, která umí vyrobit informaci. Předevoluční dynamika zná přírodní výběr a mutace, ale ještě nezná replikaci. Pak vzniká život, a ten už je schopen replikace: polymery působí jako šablony pro svou vlastní reprodukci. Neživá hmota je lešením, na kterém vzniká stavba života. Život a neživá hmota spolu však také soupeří. Existují mezi nimi fázové přechody: překročí-li faktická míra replikace jistou kritickou hodnotu, pak život zvítězí nad hmotou neživou. Replikace není nezbytnou podmínkou pro výběr, nýbrž naopak, výběr může sloužit lepší replikaci. Mutace nám ozřejmuje chybový práh (míru nerovnováhy) mezi životem a neživou hmotou.

Ve svém článku pak zmínění autoři píší:

Tradiční představa přírodního výběru jej považuje za mechanizmus volby mezi různými replikátory. Takový výběr probíhá tehdy, množí-li se jeden organizmus rychleji než jiný a mění-li se tak relativní četnost těchto dvou typů v populaci. Přírodní výběr může vést k zániku jednoho druhu v soutěži s jiným nebo ke koexistenci obou. V současné teorii však přírodní výběr předchází replikaci. Různí nositelé informace soutěží v boji o zdroje, a tak se mění jejich množství v populaci. K přírodnímu výběru dochází už v neživé hmotě a v období mezi životem a neživou hmotou. V naší teorii není přírodní výběr důsledkem replikace, nýbrž naopak přírodní výběr vede k replikaci.

Není zcela jasné, v jakém smyslu autoři užívají termín „informace“ ani zda mu dobře rozumějí. Říkají nám, že „neživá hmota je tvořivou soustavou, která může vyrábět informace.“ Také se dovídáme, že „evoluce potřebuje nějaký tvořivý motor, který bude umět vyrobit neomezené množství informace. Evoluce potřebuje populace nositelů informace.“ Hned na první stránce nám také sdělují, že „umějí definovat prebiotickou chemii, která bude umět vyrobit jakýkoli binární řetězec a tak v podstatě vygenerovat neomezené množství informace a rozmanitých kódů.“ Odkdypak byla sada náhodných řetězců písmen standardní definicí „informace“ - - alespoň v nějakém rozumném smyslu, jak je používána v biologii?

Zdá se, že autoři zde bez ladu a skladu považují jakýkoli polymer, který je životaschopnější než jiné polymery díky tomu, že je větší, za předstupeň ke vzniku života. Všimněte si zde předpokladu, že všechny sekvence mají stejně intenzivní sklon kódovat život. Jak lze takové tvrzení ospravedlnit? Vždyť vždy musí přijít okamžik, kdy velký polymer musí obsahovat funkční informaci. Však také i ty nejjednodušší mikroorganizmy, které známe, vyžadují nejméně dvěstě nebo třista genů (či pár set tisíc párů bází DNA).

Model navržený v článku Nowaka a Ohtsukiho je vysoce teoretický a spekulativní - - nezaštítěný žádným poctivým praktickým pokusným výzkumem.

Souhrn & závěr

Probrali jsme pouhou hrstku složitých problémů spojených s chemickým původem života. Tohle není argumentem typu „z nouze Franta dobrej“, jak tvrdí Matzke, nýbrž spíše pozitivní zprávou založenou na naší jednotné a opakované zkušenosti, že každý důsledek má svou příčinu. Není založena na tom, co nevíme, nýbrž na tom, co víme: že inteligence je nutnou a dostatečnou podmínkou pro vznik nové komplexní a funkčně specifikované informace. Hypotéza o plánu je založena na zdravé a konvenční vědecké metodologii. Užívá historickou čili abduktivní metodu a vede k nejlepšímu vysvětlení z nesčetných soupeřících hypotéz.

Příloha	Velikost
00451-5.9.2011-puvod_zivota_-_svet_rna.doc [19]	77 KB