Kapitola první
Co je život?
Z hlediska zdravého rozumu nic nevypadá snadněji, než říci, co je živé a co není. Gerald Feinberg a Robert Shapiro, Life Beyond Earth
Malá ponorka Alvin směřovala dolů do temnoty hlubokomořského dna, několik tisíc metrů pod hladinou. Lidé stěsnaní uvnitř museli nějak přečkat zdánlivě nekonečný sestup, a tak si čas krátili vyhlížením přes silná skla okének. Plavba začala v sluncem zalité části moře plné života moderního vzezření. Následoval sestup jakoby i zpátky přes věky, protože mořské hlubiny skýtají domov řadě živoucích fosilií, velmi starých druhů. Ponorka nakonec přistála na místě, kde klidně mohl začít úplně první život. Na místě, kde dosud mohli přebývat mikrobi, kteří byli na scéně při utvoření prvního DNA-života. Mohl by tam být i život v podobě předchůdců našeho známého DNA-života. Ve kterém bodě takového zpětného postupu dosáhneme přechodu od života k neživotu? Problematičnost této konkrétní otázky měla toho dne v roce 1978 ještě stoupnout. Ponorku nejprve obklopovala pestrá a hojná fauna horních vrstev subtropického Tichého oceánu, zalitých denním světlem: oblaky planktonu, z něhož se většina vyvíjela již od období křídy; hejna malých ryb pronásledovaných většími dravými rybami, rovněž 27
Co je život?
relikty z křídy; deštníky medúz a jim podobných tvorů z daleko staršího rodu, avšak zastoupených druhy, které se mohly vyvinout teprve nedávno; hbité formy ploutvenek; skákající i klidně odpočívající korýši, kteří vypadali ještě moderněji než ryby ve sluncem zalitém moři. Ponorka sestoupila hlouběji a jas i barva vody se změnily, postupně putovala přes celou paletu modré ve všech odstínech k stále tmavším. Teď byl život nenápadnější a vypadal jinak. Sardinkovitý tvar ryb se změnil, stejně jako vzhled bezobratlých živočichů. Podmořský svět nejvíce připomínal druhohory, alespoň paleontologovi. Příležitostně se objevily sépie, ovšem ani ty už nevypadaly jako jejich dobře známí, u hladiny žijící bratranci. Některým z různých oblastí hlavy visela dlouhá tykadla, zatímco jiné měly pokrčená, amoniakem vyplněná těla, jimiž připomínaly drobné horkovzdušné balony. Původem i ekologií tyhle exotické sépie pravděpodobně představovaly nejbližší příbuzné rozsáhlého rodu vymřelých amonitů, nešťastných obětí dopadu planetky na konci křídy, a samy o sobě byly velmi staré. Zde, nyní už ve středních hloubkách, na místě stejně vzdáleném ode dna jako od hladiny, žila fauna z dávných dob, jejíž existence závisela na vzplývajících váččích, které těmto tvorům umožňovaly, aby zůstali trvale ponořeni. Za okny malé ponorky, v hloubce přes 1,6 kilometru, vědci sledovali vlnivé pohyby vznášejících se tvorů či pomalu plovoucích bezobratlých, zářících duhami třpytivě svítících barev. Ještě hlouběji, blízko 3,2 kilometru, začala temnotou probleskovat světýlka, jako hvězdy křižující vůkolní pastviny života, nikoli nepodobná svatojánským muškám za soumraku teplého ohijského dne. Kolem oken občas propluli větší predátoři, podivné ryby a sépie. Obrovské tlamy některých z nich, lemované ostrými zuby, působily překvapivě groteskním dojmem. Tito obyvatelé hlubin měli na opačných stranách těla rozdílné zbarvení – světlé břicho a tmavá záda. Při pohledu shora tudíž byla vidět pouze čerň, zatímco zdola se na pozadí matného světla daleké hladiny jejich silueta nedala rozpoznat. Svým tvarem vesměs připomínali zploštěné pancířnaté ryby, známé díky devonským fosiliím z clevelandské břidlice či červeného pískovce, jimž se vyvinuly podivné obrácené žraločí ocasy. Dnes 28
Co je život?
se vyskytují pouze u těchto hlubinných živočichů – a u fosilií druhů, které obývaly moře planety Země před čtyřmi sty miliony let. Sytá modř tropického moře se nakonec úplně ztratila. Nahradila ji sametová noc. Velké reflektory Alvina vnesly jasné světlo do oblasti po miliony let zahalené v temnotě. Ponorka konečně, po cestě dolů do hlubin a jakoby i zpátky v čase k červánkům života na Zemi, dosáhla dna. Od ponoření pod hladinu uplynula asi hodina. Po zdánlivě nekonečném sestupu, kdy se již v myslích pasažérů usadily chmurné představy, jak je bezbranné v obrovském tlaku a chladu hlubin ponorka nechá na holičkách, zahlédli dno. Drsné a bez života připomínalo všechna mořská dna z doby předcházející kambrické explozi, tedy před 550 miliony let, v níž se utvořily kmeny živočichů. Po 3,5 miliardy let předtím bylo veškeré mořské dno neživou pustinou vyjma mikrobů, prázdnou jako zde. Alvin se nějakou dobu klouzavě sunul nad tímto pouštním mořským dnem. Nabízela se představa možné podoby s hlubokomořským dnem na Europě. Jistě i tam by šlo o hladkou tabuli sedimentu, spočívající v absolutní temnotě. Ovšem byla by opravdu bez života? A co hlubokomořské dno v Tichém oceánu pod Alvinem? Uhlazené bahno na něm prudce, až šokujícím způsobem, ustoupilo kamenné krajině. Alvin osvětlil spletitou skalní divočinu, krajinu podmořských sopečných průduchů. Dno připomínalo neuspořádanou skládku odpadu, s ohromnými poli polštářové lávy a pokroucenými útvary nyní ztuhlé horniny, které vypadaly jako vytlačená zubní pasta, pokryté patinou sedimentu. Alvin byl asi pět metrů nade dnem a motor jej hnal přes nekonečná pole lávové horniny. Překvapení lidé v ponorce se najednou ocitli mezi hojností živočichů nepodobných životu v oblastech blíže u hladiny. Šlo o průduchovou faunu, podivné živočichy, které lidé poprvé spatřili teprve před dvěma roky při ponorech u Galapág. Potápěli se tam však ke mnohem klidnějšímu dnu, než bylo toto, kde se voda zamlžila a byla plná prachovitých částic a velkých vloček odpudivě vypadajícího slizu. Teď tu byli trubicoví červi, bílé škeble, krabi a množství dalších bezobratlých, jež dosud lidstvo neznalo a jejichž soupis by zaplnil celé svazky. 29
Co je život?
U červů, krabů a škeblí nebylo pochyb, že Alvin nalezl život – podivný život, samozřejmě, nicméně zcela nepochybně šlo o tělesné schránky pozemského života. Co však s tím ve vodě se vznášejícím slizem, bílými vločkami, které silně zakalily ještě před několika minutami čisté moře? Co to bylo za hmotu? Byl to život? Členitost skalnatého dna stoupla, objevily se strmé stěny a hluboké úzké průrvy. Skály této nové krajiny kaňonů pokrýval hnědý porost – mikrobiální povlaky? –, a ačkoli to posádka malé ponorky nemohla vědět, mnoho z mikrobiálního slizu, který mezi touto hlubinnou kamennou sutí viděli, tvořily živé fosilie, tak jako u větších živočichů. V tomto případě ovšem nešlo o druhy z období prvohor, nýbrž z daleko dávnější doby – z mládí Země, od něhož je třeba měřit čas v miliardách, nikoli milionech let. Najednou se přímo vpředu objevila vysoká a štíhlá kamenná věž. Pokrývaly ji různé formy života, zraky vědců však upoutalo něco mnohem zajímavějšího: Kamenný sloup chrlil do temné vody obrovské množství mihotajícího se černého dýmu. Kalnou vodou prosvítaly z větší vzdálenosti další vysoké komíny. Některé byly vysoké jako tři až čtyři poschodí. Z přítomných živočichů byly nejnápadnější velké bílé škeble a spektakulární trubicoví červi, formy pozorované již během ponorů Alvina u Galapág. Vědce v malé ponorce však živočichové až tolik nepřekvapili. Ponorka totiž jakoby vplula do noční můry režiséra Tima Burtona, gothamské verze Anglie v době průmyslové revoluce: vysoké černé skalní komíny chrlily ještě černější dým do čisté mořské vody nad omšele temným městem změti skalních činžáků. Vědci dospěli do průmyslového srdce planety. Lidé poprvé spatřili krajinu černých kuřáků. Výsledkem byla nová ucelená představa o vzniku života na Zemi – a možná i jinde. Černé kuřáky ovšem bylo třeba prozkoumat důkladněji. Vědci namačkaní na palubě Alvina požádali pilota, aby mechanickým ramenem plavidla urazil vrcholek jednoho ze skalních komínů. O hlavu kratší komín zareagoval ještě mohutnějším chrlením jedovaté černé kapaliny. Vědci poblíž setnutého komínu opatrně umístili teplotní sondy. Zjistili, že černý dým (ve skutečnosti superhorká 30
Co je život?
tekutina vystupující z hlubin zemského nitra, nikoli pravý dým) je horký – má téměř 38 °C. To značně přesahovalo nejvyšší teplotu zaznamenanou v prvních známých hlubokomořských vývěrech, objevených u Galapág dva roky před tímto ponorem nedaleko Mexika – ten dosahoval necelých 16 °C. Vědci měli nejprve podezření, že teploměry z nějaké příčiny ukazují špatně. Opakované analýzy však prokázaly správnost naměřených hodnot. Jak horká byla tekutina před opuštěním těchto vysokých kamenných komínů? Když se Alvin vrátil na mateřskou loď, údržbáři při kontrole přístrojového vybavení prohlédli rovněž teplotní sondu. Měla roztavený umělohmotný konec. To bylo vysoce vzrušující. Vědci rychle vyzkoušeli teplotu tavení použitého tuhého plastu. Zjistili, že je přes 176 °C, vysoko nad teplotou varu vody. Z podivných geologických komínů, černých kuřáků, zjevně prýštila superhorká voda. Do sondovacích systémů Alvina proto dali okamžitě zabudovat lepší teploměry. Při následujících ponorech pak nemohli věřit svým očím – naměřená teplota černé tekutiny vystupující z kuřáků totiž přesáhla 316 °C. Vědci užasli. Tohle nikdo nepředvídal. Kapalina zůstávala kapalinou pouze díky vysokému tlaku v mořských hlubinách. Ponorka dopravila na hladinu kusy komínů. Vyšlo najevo, že obsahují mnoho sulfidových minerálů. O těch se již vědělo, že slouží jako zdroje energie velké skupině bakterií, což vysvětlovalo, proč se v prostředí kuřáků na každém povrchu vyskytoval povlak mikrobů. Při dalších ponorech vědci zaznamenali jiný jev. Tentokrát nešlo o oheň a síru, nýbrž o důkaz života. Nalezli mikrobiální život uprostřed pekelného objetí – nikoli pouze na kuřácích, ale i přímo v nich. Stali se svědky nového druhu ekologie, zosobňované druhy, které nejenže zvládly pobyt v extrémních prostředích, nýbrž tam v hojném počtu skutečně prosperovaly. V případě všech ostatních ekosystémů na planetě Zemi je v konečném důsledku hybným mechanismem tak či onak sluneční světlo, zprostředkované fotosyntézou. Hlavním zdrojem energie tohoto seskupení velkých živočichů a mikrobů však bylo zemské teplo. Za potravu příslušným podivným živočichům sloužily bakterie, které se zase udržovaly při životě nikoli 31
Co je život?
slunečním světlem, nýbrž horkými tekutinami s vysokým obsahem různých chemických látek, vystupujícími z říše samotného Háda. Popis prostředí kolem hlubokooceánských sopečných zlomů, domova těchto nově objevených ekosystémů, vystačí s jediným slovem: extrémní. Extrémní teplo obklopené extrémním chladem, všechno v extrémním tlaku a absolutní temnotě, a navíc uprostřed látek, které mají povahu jedovatého chemického odpadu – zkrátka podmínky zdánlivě nehostinné pro vše živé. Přesto v těchto pařácích se superhorkou vodou vyrostla a prosperovala pestrá paleta mikrobů při teplotách, v nichž by nevydržel žádný živočich. Člověka to nutí se znovu zamyslet a uvážit takzvaná pravidla života, stejně jako předpoklady o tom, kde by se mohl a kde nemohl vyskytovat. Země má podle všeho nejméně dva naprosto odlišné režimy života. Ten tradiční vědci znají už řadu století. Rostliny v něm zachytávají sluneční světlo a přeměňují CO2 na živou hmotu, kterou spásají býložravci, kteří jsou požíráni většími a většími masožravci. Všechny zamořují paraziti a nakonec likvidují mrchožrouti. V nově objeveném režimu bakterie zachytávají energii ze sopečných průduchů – žádné sluneční světlo nepotřebujeme, díky – a zaujímají místo zelených rostlin v tradičním režimu. Mikrobi, nejnižší článek potravního řetězce v průduších, se živili tamějšími sloučeninami síry. V tomto systému skutečně představují ekvivalenty rostlin vyskytujících se všude jinde na povrchu planety. Většině mořských biologů jen pomalu docházelo, že aby porozuměli tomuto novému systému života, musí nejprve pochopit metabolismus mikrobů. Ponor, o němž mluvíme, proběhl koncem 70. let minulého století. Přestavuje dobrý úvod knihy o životě, protože právě v době těchto prvních objevů se začal doopravdy rozvíjet vědní obor astrobiologie. Celá sestava nově zjištěných tvorů zdiskreditovala většinu „obecných poznatků“ o pozemském životě. Zmátla tehdy sebejistou biologii, která se blazeovaně rozvíjela v přesvědčení, že její aktéři už objevili prakticky všechny základní druhy života, které měly být objeveny. Biologové ovšem sotva mohli tušit, že do několika málo let po zmíněných ponorech přijde revoluce vycházející ze srovnávání genů 32
Co je život?
různých tvorů, která svrhne celou koncepci historie a klasifikace života. Jestliže jsem však výklad této knihy zahájil zde, na tomto hlubinném dně věčné temnoty, kde jsou teploty buď příliš vysoké, nebo příliš nízké pro známější druhy pozemského života, nebylo to kvůli svrchu uvedeným důvodům, nehledě na jejich nepopiratelný význam. Ještě v tomto století se určité menší verze Alvina ponoří do jednoho a možná dvou různých oceánů, které se teplotou i chemickými poměry nebudou zvlášť lišit od našeho pozemského. Příslušníci našeho druhu vyšlou stroje do cizího prostředí pod povrchovým ledem Jupiterova měsíce Europy a Saturnova měsíce Titanu. Najdou tam život? To je samozřejmá otázka. Přesto je zde ještě jiná, ne tak samozřejmá. V této kapitole však uvidíme, že je stejně důležitá, ačkoli se na ni možná bude velmi těžko odpovídat. Alvin při prvním ponoru k černým kuřákům na hlubokomořském dně potkal vznášející se oblak plovoucího slizu, který školení biologové na palubě nedokázali ani identifikovat jako život, dokud ho podrobně neohledali nejmodernějšími přístroji. A to je zkušenost nabytá zde na Zemi! Rozpoznáme jako život jakýkoli jiný život, s nímž bychom se mohli setkat v oceánech Europy a Titanu? Život na Zemi, i ten, který nazýváme nejjednodušším, je složitý. Nenastavili jsme však v našich definicích, jaký by mohl být život, příslovečnou laťku nerealisticky vysoko? Nemohl by jím být rovněž pomalu rostoucí krystal nebo kousky jílu, k nimž jsou tu a tam připojené molekuly uhlíku, nebo dokonce podivné sloučeniny křemíku vázaného k uhlíku, pomalu plavající v jezírku superchladné ropy na povrchu některého Saturnova měsíce? Prozkoumáme teď první a nejkritičtější otázku, které čelí obyvatelé planety Země s dostatkem odvahy nazvat se astrobiology: Co je život?
33
Co je život?
Nuže co je tedy život? S tímto problémem zápolilo mnoho nejlepších mozků, jaké kdy zrodil druh Homo sapiens, aniž by dosáhly konsenzu. Naši představu o tom, jak vypadá život na tom či onom mimozemském světě, pravděpodobně až příliš ovlivní fakt, že patříme ke společenstvu pozemského života, jak ho známe. Pravděpodobnost, že se nakonec setkáme s tím, co nazývám jiný život, a že jej jako takový možná ani nerozpoznáme, je však vysoká. Totéž platí o možnosti, že takový život existuje, dosud neobjevený, na naší Zemi. Lidstvo se toho, že najdeme – nebo nenajdeme! – mimozemšťany někde na Zemi nebo v naší sluneční soustavě, značně obává. O šedivění hlav vědců se však spíše přičiňuje možnost, že by na život narazili, avšak jako život jej nerozpoznali. Na dalších stránkách uvidíte, že máme velké potíže rozhodnout, zda je určitý počet organické hmotě podobných forem na Zemi naživu. Prozrazuje to něco o naší schopnosti definovat, co je nebo není naživu na mimozemských světech? Názorným dokladem problematičnosti definice života je tento výrok: Všechny životní formy se skládají z molekul, které samy o sobě nejsou živé. Na jaké úrovni organizace pak dochází k „nakopnutí“ života? V jakých parametrech se liší živá hmota od neživé? Postihnout a definovat podstatu života se pokusila dlouhá řada opravdu chytrých hlav (rozumí se života na Zemi, poněvadž jen málokdy se uvažovalo i o životě v kosmu). Předmětná otázka Co je život? je dokonce v názvu několika knih. Nejproslulejší z nich, jejímž autorem je fyzik začátku 20. století Erwin Schrödinger, nabízí pro tuto diskusi skvělý výchozí bod. Schrödingerova nevelká knížka totiž znamenala skutečný mezník, nejen kvůli tomu, co v ní bylo napsáno, nýbrž i kvůli osobě autora. Přírodní vědy biologie, chemie a fyzika do té doby setrvávaly ve vlastních vymezených sférách. I když se chemie a fyzika nezbytně ve značné míře překrývaly, o svět živého organismu se zajímaly jen málo. Schrödinger patřil k prvním představitelům svého oboru, kteří tyto hranice překročili. O živých organismech začal přemýšlet ve fyzikálních pojmech. 34
Nuže co je tedy život?
Živé a neživé zřetelně rozlišil již v úvodních kapitolách, dále se většinou zabývá podstatou dědičnosti a mutacemi (knížka byla napsána před objevem DNA, kdy podstata dědičnosti byla nerozluštěnou záhadou), nad fyzikou „živého“ uvažuje až v závěrečné části, kde napsal, že „živá hmota se vyhýbá rozpadu do stavu rovnováhy“ a že život „konzumuje zápornou entropii“. Entropie je odborný výraz pro míru uspořádanosti systému. Přírodní systémy směřují od řádu k neuspořádanosti. Schrödinger se domníval, že život si počíná opačně, že určitým způsobem zvládá změnu neuspořádanosti na řád – čili obrací přirozený trend entropie. Z toho mu vyplynul výraz záporná entropie. (Což ukazuje, jak rád fyzik komplikuje jinak jednoduché věci.) Život toho dosahuje metabolismem, jídlem, pitím, dýcháním neboli látkovou výměnou. Představuje tohle klíč k životu? Snad – alespoň pro biologa. Fyzik Schrödinger však viděl cosi mnohem hlubšího: „Předpoklad o zásadním významu látkové výměny je absurdní. Vždyť každý atom dusíku, kyslíku, síry, a tak dále, je stejně dobrý jako kterýkoli jiný jeho druhu; co by šlo získat jejich výměnou?“ Co je pak oním cenným něčím, co se nazývá život, obsaženým v potravě, které nás chrání před smrtí? Schrödinger nachází snadnou odpověď: „Každý proces, jev nebo událost probíhající v přírodě znamená vzrůst entropie příslušné části světa. Živý organismus tak neustále zvyšuje svoji entropii...“ Život je tudíž zařízení, jímž se organismy udržují na docela vysokých úrovních řádu nepřetržitým nasáváním této uspořádanosti z okolního prostředí. Některé Schrödingerovy (a vůbec fyzikální) názory na život však přes veškerý jasnozřivý průnik k podstatě byly naivní. Uveďme si příklad. Život by se dal z fyzikálního hlediska pochopit jako série strojů, soustředěných a určitým způsobem integrovaných, které fungují tak, že je můžeme – i život sám – pochopit na základě fyzikálních zákonů. Během následujícího půlstoletí se tedy na otázku Co je život? odpovídalo jednoduše: Život je prostě seskupení strojů, měnící neuspořádanost na řád. Koncem 20. století však biologové, chemici a jiní fyzikové tento názor nejprve zpochybnili a později doplnili. 35
Co je život?
Tato renesance pochopení vědecké podstaty života zdůrazňovala, že na životě je zajisté něco víc než jen biologické stroje a entropie. Jejími vůdčími duchy se ironií osudu stali dva jiní fyzikové, Paul Davies a Freeman Dyson. Davies ve své knize z roku 1998 The Fifth Miracle (Pátý zázrak) napomáhá našemu pochopení toho, co je život, položením otázky Co dělá život? Kdyby se všechny jeho odpovědi daly chápat jako změna entropie biologickými „stroji“, v zásadě by jen potvrdil Schrödingerovu pointu. Davies ovšem ukázal, že na životě je opravdu cosi více. Takto odpovídá na otázku, co život „dělá“: Život metabolizuje Všechny organismy zpracovávají chemické látky, čímž do svých těl přinášejí energii. K čemu však tato energie slouží? Zpracovávání a uvolňování energie organismem označujeme jako metabolismus čili látkovou výměnu. Život tímto způsobem vytěžuje zápornou entropii popsanou Schrödingerem, která je nevyhnutelná, má-li si udržet vnitřní řád. Život má komplexitu a organizaci Neexistuje žádný opravdu jednoduchý život tvořený pouhou hrstkou (či dokonce několika málo miliony) atomů. Neboť každý život se skládá z velkého počtu složitě uspořádaných atomů. Komplexita však nestačí: puncem života je organizace této komplexity. Život se reprodukuje Toto je očividné, přičemž nikdo nemůže polemizovat s tvrzením, že sérii strojů by bylo možno naprogramovat, aby se reprodukovala. Daviesova pointa ovšem spočívá v tom, že život nejenže musí vytvořit kopii sebe sama, ale také kopii mechanismu, který umožňuje další kopírování – Daviesovými slovy, život musí zahrnovat i kopii replikačního aparátu. 36