By: Astrobiology Magazine staff
Is it alive?
A crystal can grow, reach equilibrium, and even move in response to stimuli, but lacks what commonly would be thought of as a biological nervous system.
Image Credit: National Ignition Facility Programs
How to define „life“ is a sweeping question that affects whole branches of biology, biochemistry, genetics, and ultimately the search for life elsewhere in the universe.
Přirovnáme-li tento sémantický úkol ke staroindickému příběhu o identifikaci slona tím, že se každý ze šesti slepců dotkne pouze ocasu, chobotu nebo nohy, může se odpověď, kterou může dát biolog, dramaticky lišit od odpovědi teoretického fyzika.
Jakási počáteční shoda je však možná. Živé organismy bývají složité a vysoce organizované. Mají schopnost přijímat energii z prostředí a přeměňovat ji pro růst a rozmnožování. Organismy směřují k homeostáze: rovnováze parametrů, které určují jejich vnitřní prostředí. Živí tvorové reagují a jejich podněty podporují reakce podobné pohybu, odreagování a v pokročilých formách i učení. Život je reprodukční, protože k evoluci je zapotřebí určitého druhu kopírování prostřednictvím mutací a přírodního výběru v populaci. Aby živí tvorové mohli růst a vyvíjet se, potřebují být především konzumenty, protože růst zahrnuje obměnu biomasy, tvorbu nových jedinců a vylučování odpadu.
Aby bylo možné tvora označit za živého, musí splňovat určitou variantu všech těchto kritérií. Například krystal může růst, dosahovat rovnováhy a dokonce se pohybovat v reakci na podněty, ale postrádá to, co by se běžně považovalo za biologickou nervovou soustavu.
Ačkoli je nutná definice „jasnou čarou“, hraniční případy dávají definici života výrazně šedou a rozmazanou kvalitu. V naději, že pracovní definici omezíme alespoň pozemsky, se zdá, že všechny známé organismy sdílejí chemii založenou na uhlíku, jsou závislé na vodě a zanechávají po sobě fosilie s izotopy uhlíku nebo síry, které ukazují na současný nebo minulý metabolismus.
Pokud tyto tendence vytvářejí bohatý soubor charakteristik, byly kritizovány jako ignorující historii života jako takového. Z pozemského hlediska se život řadí do čtyř biologických čeledí: archea, bakterie, eukaryota a viry. Archea jsou nedávno definovanou větví, která často přežívá v extrémních prostředích jako jednotlivé buňky a sdílí znaky s bakteriemi i eukaryoty. Bakterie, často označované jako prokaryota, obvykle postrádají chlorofyl (s výjimkou sinic) a buněčné jádro a k výrobě energie fermentují a dýchají. Mezi eukaryota patří všechny organismy, jejichž buňky mají jádro – člověk a všichni ostatní živočichové jsou tedy eukaryota, stejně jako rostliny, protisty a houby. Poslední skupina zahrnuje viry, které vůbec nemají buňky, ale fragmenty DNA a RNA, které se paraziticky množí, když infikují kompatibilní hostitelskou buňku. Tyto klasifikace objasňují velkou hádanku existujícího života, ale jen málo přispívají ke konečné definici.
Definice života nabývá uhrančivějšího charakteru, když se rozšíří mimo pozemskou biosféru. Nedávné zařazení extrémofilů (archeí) do stromu života podtrhuje představu, že život je definován tím, co známe, co jsme již viděli a co se nám často podařilo ochočit na laboratorní Petriho misku.
Astrobiology Magazine vyhledal odborný názor na tuto důležitou otázku u Dr. Carol Clelandové, která vyučuje filozofii na Coloradské univerzitě v Boulderu a je členkou Astrobiologického institutu NASA. Během svého studijního pobytu ve španělském Madridu v Centru astrobiologie (CSIC-INTA) se s námi podělila o své myšlenky o síle definic, které formují vědu a filozofii.
Rozhovor s Carol Clelandovou
„Zajímá mě formulování strategie pátrání po mimozemském životě, která umožňuje posunout hranice našeho pozemsky orientovaného pojetí života“. -Carol Clelandová
Obrázek: University of Colorado
Q: Jaký je váš názor na pokusy o definici „života“?
V nedávném článku v časopise Origins of Life and Evolution of the Biosphere Christopher Chyba a já tvrdíme, že je chybou snažit se definovat „život“. Takové snahy odrážejí zásadní nepochopení povahy a síly definic.
Definice nám vypovídají o významu slov v našem jazyce, na rozdíl od toho, aby nám vypovídaly o povaze světa. V případě života vědce zajímá povaha života; nezajímá je, co slovo „život“ náhodou znamená v našem jazyce. To, na co se skutečně potřebujeme soustředit, je vymyslet přiměřeně obecnou teorii živých systémů, na rozdíl od definice „života“.
Ale abychom mohli formulovat obecnou teorii živých systémů, potřebujeme víc než jen jeden příklad života. Jak ukazují pozoruhodné biochemické a mikrobiologické podobnosti, život na Zemi má společný původ. Navzdory své úžasné morfologické rozmanitosti představuje pozemský život pouze jediný případ. Klíčem k formulování obecné teorie živých systémů je zkoumání alternativních možností života. Zajímá mě formulace strategie hledání mimozemského života, která umožní posunout hranice našeho pozemsky orientovaného pojetí života.
Otázka: Vyloučil byste z kategorie toho, co je „živé“, to, co nazýváte „hraničními“ případy – viry, samoreplikující se proteiny nebo dokonce netradiční objekty, které mají určitý informační obsah, rozmnožují se, spotřebovávají a umírají (jako počítačové programy, lesní požáry atd.)?
To je složitá otázka. Jazyk je vágní a všechny pojmy se potýkají s hraničními případy. Je svobodný dvanáctiletý chlapec „mládenec“? A co osmnáctiletý? Kolik vlasů je třeba, aby se z „plešatého“ muže stal muž, který „není plešatý“? 20, 100 nebo 1000 vlasů?
To, že existují hraniční případy – že nemůžeme stanovit přesnou hranici – neznamená, že není rozdíl mezi starým mládencem a ženatým mužem nebo plešatým mužem a mužem, který není plešatý. Tyto potíže nepředstavují hluboké potíže; představují pouze skutečnost, že jazyk má určitou míru flexibility. Nemyslím si tedy, že by entity jako viry představovaly příliš zajímavé výzvy pro definice „života“.
Na druhou stranu si nemyslím, že definování „života“ je pro vědce příliš užitečná činnost, protože nám neřekne to, co skutečně chceme vědět, tedy „co je život“. Vědecká teorie života (což není totéž co definice života) by na tyto otázky dokázala uspokojivě odpovědět.
Jako analogii lze uvést, že středověcí alchymisté klasifikovali mnoho různých druhů látek jako vodu, včetně kyseliny dusičné (která se nazývala „aqua fortis“). Udělali to proto, že kyselina dusičná vykazovala mnoho smysluplných vlastností vody, a co je možná nejdůležitější, byla dobrým rozpouštědlem. Teprve s příchodem molekulární teorie mohli vědci pochopit, proč kyselina dusičná, která má mnoho vlastností vody, přesto vodou není. Molekulární teorie jasně a přesvědčivě vysvětluje, proč tomu tak je: voda je H2O – dva atomy vodíku a jeden atom kyslíku. Kyselina dusičná má jiné molekulární složení.
Dobrá teorie života by totéž dokázala i v případech, které zmiňujete, jako jsou počítačové programy. Pouhá definice „života“ tak, aby zahrnovala něčí oblíbenou netradiční „živou“ entitu, tento projekt vůbec neposouvá kupředu.
Q: Jaká je vaše oblíbená teorie toho, jak mohl život na Zemi vzniknout – hliněné krystaly, svět RNA, membrány nebo nějaká jiná možnost?
Freeman Dyson, zakladatel „teorie dvojího původu“
Obrázek: Trustees of Dartmouth College
Přijde mi, že všechny teorie vzniku života narážejí na dvě hlavní překážky. Tou největší je vysvětlení vzniku složitého kooperativního schématu vypracovaného mezi proteiny a nukleovými kyselinami – řízené výroby samoreplikujících se katalytických systémů biomolekul. Všechny populární výklady o vzniku života mi připadají, že tuto otázku pomíjejí. Místo toho se zaměřují na jinou překážku: výrobu aminokyselin a nukleotidů a jejich polymerizaci do proteinů a nukleových kyselin (typicky RNA). Zdá se mi však, že žádný z nich nám neposkytl příliš uspokojivý příběh o tom, jak k tomu došlo.
Všechny scénáře, které byly navrženy pro výrobu RNA za věrohodných přírodních podmínek, postrádají experimentální důkaz, a to včetně popisů světa RNA, krystalů hlíny a vezikul. Nikdo nebyl schopen syntetizovat RNA bez pomoci bílkovinných katalyzátorů nebo šablon nukleových kyselin, a navíc se k tomuto problému přidává křehkost molekuly RNA, se kterou je třeba se potýkat.
Ale stále si myslím, že závažnějším problémem je další fáze procesu, koordinace bílkovin a RNA prostřednictvím genetického kódu do samoreplikujícího se katalytického systému molekul. Pravděpodobnost, že k tomu dojde náhodou (při náhodné směsi bílkovin a RNA), se zdá být astronomicky nízká. Přesto se zdá, že většina badatelů předpokládá, že pokud dokáží dát smysl nezávislé produkci proteinů a RNA v přirozených prvotních podmínkách, koordinace se nějak postará sama o sebe.
Předpokládám, že kdybych si měl vybrat oblíbenou teorii, byla by to teorie dvojího původu Freemana Dysona, která postuluje počáteční svět proteinů, který nakonec vytvořil svět RNA jako vedlejší produkt stále sofistikovanějšího metabolismu. Svět RNA, který začíná jako povinný parazit světa bílkovin, nakonec vytvoří kooperativní schéma, a tedy život, jak ho známe dnes. Líbí se mi, že se tento popis pokouší zabývat vznikem kooperativního schématu.
Otázka: Myslíte si, že mohlo dojít k vícenásobnému vzniku života, nebo že život mohl na Zemi přijít odjinud?
Život vzniklý vícekrát z neživých materiálů se mohl vyskytnout i jinde než na Zemi, ale mohl vzniknout i na Zemi. Je možné, že existuje mimozemský život a že veškerý život má přesto společného předka. Vědci se nyní domnívají, že mikrobi mohou přežít meziplanetární cesty zakotveni v meteoritech vzniklých při dopadech asteroidů na planetární tělesa obsahující život. Jinými slovy, všichni bychom mohli být potomky Marťanů – nebo Marťané, pokud náhodou existují, by s námi mohli mít společného předka! Stručně řečeno, samotný objev mimozemského života nezaručuje, že život měl více než jeden původ.
Otázka: Myslíte si, že jako jednu z největších záhad a výzev vědy můžeme původ života určit pomocí experimentů?
Doufám, že ano! Ale dokud nebudeme mít odpovídající teorii života, která by nás vedla k formulaci správných experimentů, bude to těžké zjistit. Předpokládám, že je vždy možné, že život není přirozenou kategorií, a tudíž nelze formulovat žádnou univerzální teorii života. Ale pochybuji o tom.
Je také možné, že život na Zemi je produktem velmi složitého historického procesu, který zahrnuje příliš mnoho nepředvídatelných okolností, než aby byl snadno přístupný definitivnímu experimentálnímu zkoumání. Dostatečně obecná teorie života by to však objasnila. Kromě toho je historický výzkum docela dobře schopen získat empirické důkazy, které mohou vyřešit historické otázky tohoto druhu – důkazy, které jsou stejně přesvědčivé jako ty, které poskytuje klasický experimentální výzkum! I když tedy nedokážeme v laboratoři vytvořit život z neživých materiálů, neznamená to, že se nikdy nedozvíme, jak život na Zemi vznikl.
Co bude dál?
Evropská kosmická agentura zahájí počátkem léta 2003 misi na Mars. Podle současných plánů má její přistávací modul Beagle 2 provádět biologické experimenty, jejichž cílem je hledat důkazy života na Marsu. Jako příklad toho, jak může definice života přímo formovat průzkumnou vědu, bude vědecké užitečné zatížení na Beagle 2 zkoumat společné znaky, o nichž se předpokládá, že indikují život. Beagle 2 bude například hledat přítomnost vody, existenci uhličitanových minerálů, výskyt organických zbytků a případnou izotopovou frakcionaci mezi organickou a anorganickou fází. Každý z těchto faktorů poskytne vodítko k pravděpodobnosti výskytu života na Marsu, pokud bude porovnán s převládajícími podmínkami prostředí, jako je teplota, tlak, rychlost větru, tok UV záření, oxidační potenciál a prachové prostředí.
Abstrakt z Cleland, Chyba (2002): „Neexistuje žádná široce přijímaná definice ‚života‘. Navrhované definice se potýkají s problémy, často v podobě robustních protipříkladů. Zde využíváme poznatků z filozofického zkoumání jazyka a tvrdíme, že definování ‚života‘ v současnosti představuje dilema analogické tomu, kterému čelili ti, kdo doufali, že definují ‚vodu‘ před existencí molekulární teorie. Při neexistenci analogické teorie o povaze živých systémů je nekonečná polemika o definici života nevyhnutelná.“
Cleland, Carol E.; Chyba, Christopher F., Origins of Life and Evolution of the Biosphere, v. 32, Issue 4, s. 387-393 (2002).