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 Plancka a Univerzity v Sydney se nám rozhodli úvahu ještě ztížit. V srpnu 2007 publikovali výsledky numerických simulací chování zrn neorganických materiálů v plazmatu, 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 alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny 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, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Nukleotidy – organické molekuly tvořené zbytky kyseliny fosforečné, cukernou složkou a heterocyklickými aromatickými sloučeninami (bázemi). Genetická informace je kódována posloupností nukleotidů. Nukleové kyseliny – lineární orientované polymery nukleotidů. Zbytek kyseliny fosforečné spojuje kovalentními vazbami cukerné složky sousedních nukleotidů. Báze nesou vlastní informaci. Zajímavou vlastností nukleotidů je, že v závislosti na navázané bázi vytvářejí vzájemně se doplňující dvojice - komplementární páry. Komplementaritou bází je zajištěno rozpoznávání na molekulární úrovni. 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 umožňuje komplementaritu k nukleotidu 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 v kapsidě a několik málo proteinů tvořících virový obal. Viry nejsou schopny samostatné replikace bez hostitelské buňky. Buňka slouží pouze jen jako biologická továrna a sklad náhradních dílů potřebných pro vznik nových virů. Bifurkace – výběr jedné z více možností. K typické bifurkaci dochází v systému s několika základními stavy. Za nízké teploty dojde ke spontánnímu narušení symetrie a systém si "vybere" jeden z dostupných základních stavů. |
 |
| 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 plazmatu. 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 ISS [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 DNA řetězci. Jednou z jejich specifických vlastností je bifurkace, 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 bifurkace 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 Zemi 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 ještě další substrát.
| Odkazy |
