Vznik a vývoj života z pohledu vědy a filozofie I.

„Jak vznikl život?“ je jednou ze základních otázek, které si zároveň kladou přírodní vědy, filozofie a náboženství. 

V současnosti existují ve společnosti dva krajní pohledy na vznik života. Ten první vychází z doslovného výkladu Bible. Vesmír, život a člověk byl stvořen Bohem Stvořitelem v šesti dnech  v podstatě v dnešní podobě. Vědečtí stoupenci tohoto názoru, kteří sami sebe označují jako vědečtí kreacionisté, jsou často vášnivými kritiky moderní evoluční teorie.

Na druhé straně stojí materialističtí evolucionisté. Neviditelnou boží ruku ve své představě nahradili neviditelnou rukou slepé náhody. Díky ní vznikl před 14 miliardami jakousi kvantovou fluktuací náš vesmír z fyzikálního vakua. Díky ní vznikla před 5 miliardami let planeta Země a díky ní na jejím povrchu nejdříve primitivní a později i velice složitý organický život.

Já osobně nejsem stoupencem ani jednoho z těchto krajních názorů. Jsem stoupencem koncepce, která chápe vznik života jako zákonitý proces. Nepopírá evoluci, ale zdůrazňuje její spirituální dimenzi. Evoluce není jen slepým procesem, ale má své jasné směřování a cíl, který není definován hmotně, ale jako určitý duchovní stav vnitřního uvědomění postupně se vyvíjející a zdokonalující bytosti. Nejznámější představitel tohoto proudu, francouzský vědec a křesťanský teolog Teihard de Chardin jej nazval symbolicky bodem omega, jako protipól bodu alfa symbolizujícím počátek procesu stvoření.  

Nerovnovážná termodynamika

Při pohledu na živé organismy je zřejmé, že jsou složeny ze stejných základních prvků, jako jakákoliv anorganická hmota. Vyznačují se však výrazně větší složitostí a komplexitou než nejsložitější krystalicky uspořádaná neživá hmota.

Vědním oborem, který v současné době studuje jak se hmota ze stavu neuspořádanosti a chaosu organizuje do složitých struktur je od druhé poloviny 20.století Nerovnovážná termodynamika. Jejím zakladatelem je I.Prigogine,belgický vědec ruského původu, který za teorii samoorganizace systémů obdržel v roce 1977 Nobelovu cenu za chemii.

Nerovnovážná termodynamika studuje chování tzv. otevřených termodynamických systémů, které se vyznačují tím, že mezi nimi a jejich okolím neustále dochází k výměnám hmoty, energie a informací. Prigogine na základě řady experimentů prokázal, že v takových systémech vznikají zcela spontánně složité struktury organizované v prostoru i čase, které nazval disipativními strukturami.

Když se rozhlédneme kolem sebe a zvolíme si jakýkoliv přírodní systém, pak zjistíme, že každý z nich je systémem otevřeným. Od jednoduché buňky, přes libovolného živočicha a rostliny, ekosystému, planety Země zásobované sluneční energii až po nekonečný vesmír, který je stále napájen energii fyzikálního vakua z pohledu racionálně uvažujícího vědce, či z Boha- Podstaty z pohledu duchovního filozofa.

Příbuzným oborem nerovnovážné termodynamiky je již poměrně známá Teorie chaosu, která vznikla přibližně ve stejné době. Obě interdisciplinární disciplíny definují tzv. atraktory, které představují stav směřování daného systému. Existují tři druhy atraktorů.

Systémy, které se jen málo odchylují od rovnováhy mají za svůj atraktor statický bod. Postupně přecházejí do neměnného, stacionárního stavu. Příkladem je kmitající kyvadlo, které se po čase samo díky tření a odporu vzduchu zastaví.

Středně nerovnovážné systémy mají za svůj atraktor uzavřenou křivku. V jejich chování se objevují oscilace a vlny s  přesně definovanou periodou. Právě u těchto systému se objevuje jev časové, či prostorové spontánní organizace a hrají tak klíčovou roli při vzniku života a fungování biologických systémů.

Silně nerovnovážné systémy se chovají podle podivného traktoru. Jedná se o soustavu křivek, které se nikdy neprotnou. Chování systému je chaotické- dlouhodobě nepředvídatelné a citlivé na počáteční podmínky. Jen nepatrná změna jednoho parametru může mít dalekosáhlý důsledek-efekt motýlího křídla. Příkladem takovýchto systému je třeba naše atmosféra.

Organizované chování vody

Planeta Země byla na počátku své existence žhavá, nicméně pomalu chladla. Obklopovala jí  prvotní atmosféra obsahující vodní páru. Když poklesla její teplota pod bod varu, začala pára kondenzovat a země začala být bičována prudkými dešti. Voda se rychle z horké Země vypařila, ale po čase na stále více chladnoucím zemském povrchu přece je začala tvořit potoky a řeky, tůně a jezera a nakonec i moře a oceány.

Na příkladu vody si nyní ukážeme, jak i v tak jednoduchém systému mohou vznikat složité struktury.

Představme si Petriho misku s vodou a začněme jí zespodu ohřívat. Brzy se vytvoří teplotní gradient, tedy rozdíl teplot mezi teplým dnem a chladnějším povrchem. Ten podle zákonů fyziky vyvolá tok tepla z míst teplejších do chladnějších.

Pokud bude teplotní gradient malý, pak voda zůstane v klidném stacionárním stavu. Teplo bude přenášeno pouze vedením-kondukcí, jak je tomu i u pevných látek.

Pokud se teplotní gradient zvýší, pak ve vodě dojde ke vzniku proudění-konvekce, která přenáší teplo efektivněji než kondukce. Ve struktuře vody se objeví organizované útvary jako konvekční válce, Taylorovy víry, či Benárdovy buňky. Právě tyto struktury podobné buňkám, které se vyskytují ve viskózní kapalině jakou je třeba olej, se vyznačují nejpozoruhodnějšími vlastnostmi. Mají přesně šestiúhelníkový tvar, přičemž teplá kapalina v jejich středu proudí nahoru a po obvodu pak zase stéká po ochlazení dolů. Jen pro zajímavost. Záhadný šestiúhelníkový útvar se nachází i na jednom z pólů planety Saturn jako pravděpodobný důsledek fyzikálních procesů v jeho atmosféře poukazuje na to, že vysoce organizované útvary mohou vznikat i v atmosférách planet.   

Třetí případ, kdy se voda bude chovat podle podivného traktoru nastane, když ještě zvýšíme přísun tepla. Zrychlené kmitání molekul povede k rozbití organizovaných struktur a voda se začne řídit zákony chaosu. Jinými slovy se v ní začnou šířit nepravidelné turbulence.

Voda je základním prostředím pro život. Lze tak předpokládat, že různé formy uspořádání jejich molekul sehrálo význačnou roli při vzniku života a stále dosud neprozkoumaným způsobem ovlivňují i různé fyzikální a chemické procesy v organizmu.

Chemické cykly a vlny

V pravěkém moři, nebo oddělených vodních tůních se postupem času vytvořily podmínky, které byly předpokladem vzniku organizovaných útvarů ( snad koacervátů),  které se staly předstupněm prvních živých organizmů.

Byly zde přítomny všechny čtyři živly, potřebné k vzniku organického života. Živel země představovaly na uhlík bohaté minerály. Živel vzduchu plyny pocházející z prvotní atmosféry, či plyny v podobě kouře vycházející z horkého zemského nitra. Živel ohně sluneční záření, teplo z nitra země, či energie elektrických výbojů v atmosféře. Čtvrtý živel představovala samotná, na rozpuštěné minerály bohatá voda.

V termodynamicky nerovnovážných podmínkách se spustily řetězce různých chemických reakcí, které vedly ke vzniku jednoduchých a později složitých organických molekul a sloučenin, jakými jsou bílkoviny a nukleové kyseliny.  

Současná chemie se zabývá studiem řady chemických procesů, které vedou ke vzniku organizovaných struktur. Klíčovou roli zde hrají především  autokatalytické reakce, během kterých samotný produkt reakce katalyzuje ( urychluje), nebo naopak inhibuje (zpomaluje ) vlastní reakci. Velký význam má i studium souběžných reakcí, kdy průběh jedné reakce ovlivňuje reakci druhou a naopak, tedy reakcí ve kterých se uplatňují principy zpětné vazby. Příkladem je vzájemný zpětnovazebný vztah mezi syntézou bílkovin podle předlohy nukleových kyselin, jejichž vlastní syntézu katalyzují bílkovínné enzymy, který je ještě dále provázaný s dalšími reakcemi složitou sítí vzájemných vazeb.

Byly pozorovány dva druhy organizovaného chování těchto chemických systémů: chemické oscilace a vlny.

Chemickou oscilaci poznáme na první pohled tak, že kapalný roztok v určitých časových, třeba minutových intervalech náhle skokem mění barvu s takovou přesností, že si podle toho můžeme nastavit i hodinky. Hovoří se proto o chemických hodinách. Ač běžně známé chemické reakce směřují ke stavu rovnováhy, kdy se reakce na makroskopické úrovni zastaví, zde reakce může probíhat takřka do nekonečna. Během jednoho reakčního cyklu může nastat několik etap spojených s periodickou změnou koncentrace jednotlivých látek, které nejdříve jako produkty reakce vznikají, aby posléze zase jako reaktanty v další reakci zanikly do doby následného cyklu, kdy se opět objeví.    

Chemické vlny vznikají tam, kde roztok není během reakce promícháván a kde reaktanty a produkty reakce mají odlišné difuzní koeficienty. Průběh reakce můžeme sledovat na Petriho misce jako sled řady vln šířících se buď podobně jako vlna na hladině vody po hodu kamenem, tedy ve tvaru kružnic, nebo jako spirály z místa spuštění- iniciace samotné reakce. Vzájemným skládáním a interakcí těchto vln vznikají v původně zcela homogenním roztoku chemických látek mnohdy složité strukturní útvary, které jsou buď stabilní, nebo se jejich forma stále mění v čase.

Autokatalýza, chemické oscilace a vlny hráli klíčovou roli nejen při vzniku života, ale stále ji hrají během četných biochemických procesech. Příkladem autokatalytických reakcí je vznik enzymů z proenzymů. K chemické oscilaci dochází v buňkách při glykolýze-štěpení cukrů, která je podstatou buněčného dýchání. Zároveň koncentrace a aktivita řady důležitých látek v těle, jako jsou některé enzymy a hormony vykazují cyklický průběh. Šíření chemických vln je spojeno s šířením mozkových elektrických proudů a signálů řídících srdce. Je také zodpovědné za barevné vzory lastur měkkýšů, či za pruhované zbarvení zeber. Na vyšší úrovni pak oscilace a vlny se projeví v podobě cyklů bdění a spánku, nebo dokonce  v ekonomických cyklech konjunktur a krizí.

K pravidelným chemickým oscilacím dochází ve středně nerovnovážných podmínkách. Pokud například zastavíme přísun potřebného reaktantu do směsi, nebo na druhé straně přidáme jinou látku, která průběh dosavadních reakcí naruší, může dojít k zániku chemických oscilací a k ustálení systému v nehybném stacionárním stavu. V živém organismu se to projeví v útlumu nějaké funkce, v nejhorším případě v zástavě srdeční činnosti a práce mozku.

Silně nerovnovážné podmínky naopak zase mohou vést k nepravidelným oscilacím systémů. To se může projevit ve fungování organizmu v podobě buněčného chaosu, nepravidelného dechu, srdeční arytmie, poruch biorytmů, či epileptického záchvatu provázeného chaotickou činností nervových buněk.

                                                     --- pokračování příště---

Zdroje:

Prigogine: Řád z chaosu

Nerovnovážná termodynamika a její aplikace

Od matematiky k biologii, medicíně a zpět