sobota 15. května 2010

Přednášky z astrobiologie II

Po absolvování posledního bloku přednášek z astrobiologie jsem se rozhodl zapsat ještě několik dalších perliček, o které se rozdělím. (Mj. abych je sám nezapomněl.) Samozřejmě si uvědomuji, že molekulární biologii vůbec nerozumím, takže budu vděčný za opravy nepřesností, které mi unikly.. Takže směle do toho!

Univerzalita genetického kódu
Možná jste se zamýšleli nad tím, nakolik by bylo odlišné genetické kódování potenciálního mimozemského života. V minulém příspěvku jsem psal, že je představitelných několik koster nukleových kyselin. Nemusí ji tvořit ribosa nebo deoxyribosa, ale třeba i peptidy, nebo jiné látky. V následující přednášce jsme zkoumali, nakolik jsou univerzální báze a kód, na základě kterého se podle nich kóduje tvorba proteinů. Velice zajímavou souvislostí je, že ačkoliv je dnes namodelováno, nebo i experimentálně připraveno mnoho bazí, které by mohly nahradit ty používané námi, cytosin, adenin, guanin a uracil (potažmo thymin) jsou něčím vyjímečné. A to sice tím, že jsou-li excitovány UV zářením, oproti většině alternativních bazí se velmi rychle vracejí do základního stavu - rozdíl je přitom značný [1] (z 10-8 s na 10-12 s). To je klíčové pro stabilitu nukleových kyselin proti UV záření. To totiž molekulu nerozbíjí tak, že by přiletěl foton, který ji prostě rozštípne. Jen ji excituje - a excitovaná molekula je chemicky vysoce nestabilní. Čím dříve se na základní stav vrátí, tím větší je šance, že se molekula nerozštípne. Pokud by se tedy život vyvíjel v prostředí s UV zářením, je velmi pravděpodobné, že by zvolil tytéž báze. Oproti nim však např. ještě existuje varianta, kde je každá z bazí rozšířena o aromatický kruh [2]. Jejich vlastnosti se zdají být podobné (čili tato varianta by asi byla rovněž přípustná) a navíc jsou odolnější vůči teplotě. Je tedy jakási šance, že by je mohly používat organismy, které se již od začátku musely vyrovnat s vyššími teplotami.


Modifikované báze DNA, a vzhled alternativní šroubovice. [2]

Genetický kód je však něco docela jiného. Pro ty, kteří nejsou příliš biologicky zdatní, stejně jako já, napíši, že proteiny se v živých organismech staví tak, že molekula tRNA tvoří jakousi čtecí hlavu, která se přes slabé vazby váže na „datovou pásku“ - mRNA. Z prostorových důvodů, které vypadají v případě nukleových kyselin poměrně univerzálně, se kontakt uskutečňuje vždy přes tři báze (druhá je v nejsilnějším kontaktu, třetí v nejslabším). Podle trojice bází a podle tvaru tRNA se na řetízek proteinů tRNA již tažený, připojí další aminokyselina, nebo se řetízek přeruší. V něm obecně platí, že co nejvíce informace nese druhá pozice (je nejpevnější, tedy i nejméně chybová) a že složitější aminokyseliny jsou kódovány méně redundantně, protože tRNA nemusí zaujmout tolik speciální tvar, aby je připojila. Genetický kód však není univerzální a pro některé živočichy se liší. V průběhu evoluce života se pravděpodobně výrazně měnil. Předpokládá se, že původní přiřazení bylo vesměs náhodné (tRNA není ničím speciální - už dnešní biotechnologie ji umí modifikovat tak, aby kódovací tabulku změnila - a to dokonce přímo uvnitř živých buněk). Případný mimozemský virus (pokud se nevyvinul na místě, odkud byl život ze Země nebo naopak zavlečen - viz teorie panspermie) by tedy byl pro nás zcela neškodný - při syntéze by totiž dostal úplně jiné proteiny, než na jaké je zvyklý.

Alternativní postranní řetězce k RNA - threosová, peptidová, odvozená z glycorelu a z pyranosylu. B značí bazi.

Masová vymírání
Pokud bychom chtěli vyšetřit, jak stabilní podmínky mnohobuněčný život potřebuje, nejlepší je pravděpodobně podívat se na to, za jakých podmínek na Zemi došlo k velkým vymíráním. Asi nejznámějším z nich je vyhubení dinosaurů před 65 milióny let, které dlouho bylo nevyřešenou záhadou. Dnes již panuje všeobecná shoda, že za jejich vyhubení je zodpovědný impakt planetky o rozměru cca 10 km, který způsobil nejprve horkou rázovou vlnu, která spálila většinu lesů na planětě a poté dlouhé období zimy, které zahubilo plankton a velkou část rostlinstva a tak přerušilo potravní řetězce na planetě. (Jako jeden z hlavních důkazů se uvádí vrstvička iridia - prvku jinak na Zemi vzácného - nacházející se v příslušné geologické vrstvě všude na planetě. Pod ní je vždy vrstva utvořená ze schránek živočichů a těsně nad ní už jen vrstva sedimentů.. Vcelku přesvědčivý argument.)

Co je ovšem zajímavé je, že se zdá, že bylo nějméně několik ještě fatálnějších vymírání, kdy žádné náznaky kosmických impaktů nejsou, nebo jsou přímo vyloučeny. (Před 199-214 mil. lety, před 251 mil. lety před 364 mil. lety, ..) Jako pravděpodobný mechanismus se jeví masivní výlev lávy, který se tou dobou odehrál. Tyto události jsou totiž spojené s výlevy lávy při rozpadu kontinentu Pangey a při vzniku tzv. Sibiřského a Dekanského trapu. Oba trapy jsou masivní vrstvy lávy rozkládající se na značném území Sibiře a Indie. Tak velký výlev měl mnoho neblahých důsledků - výrazné zvýšení koncentrace SO2, CO2 a CH4 v atmosféře vedlo jednak k mohutnému skleníkovému efektu a rychlé změně klimatu, ale i k redukci atmosféry a poklesu hladiny kyslíku. Podle poměrně nové teorie z r. 2005 [6] tyto podmínky svědčí anaerobním mikroorganismům žijícím na dně moře a produkujícím H2S. Právě jejich biologické markery byly nalezeny ve vrstvách z epizod některých významných vymírání. (Tuto informaci nemám z Kopeckého přednášky, takže snad jsem to nemisinterpretoval..) Zdá se, že prudký nárůst teploty a redukce atmosféry způsobí jejich rozšíření, které se projeví zrůžověním části moří, ve kterých se vyskytují. Nakonec to tedy možná není nedostatek kyslíku nebo teplo, ale nadprodukce sulfanu, který mnohobuněčný život zkrátka otráví. Peter Ward o této teorii mluví v následujícím TEDTalku [7]. (Ward rovněž uvádí, že při 1000 ppm oxidu uhličitého v atmosféře kompletně roztají polární čepičky a při asi dvakrát vyšší koncentraci začíná „efekt růžových moří“ - CO2 však není jediný plyn, jehož koncentrace se měnila.)

Bezkyslíkaté prostředí v mělkých mořích může způsobit rozšíření bakterií produkujících sulfan - při masovém rozšíření vede k vymíráním [7], [9].

Na konci Permu, před příchodem éry dinosaurů, bylo množství kyslíku v atmosféře tak velké, že hořelo skoro i mokré dřevo. Toto množství kyslíku začátkem Triasu rapidně pokleslo. Tehdy souši vládla zvířata ne nepodobná dnešním savcům. Přestože mohla být životaschopnější za běžných podmínek - byla chytřejší a teplokrevná, měla větší nároky na kyslík, díky čemuž pravděpodobně během období redukce atmosféry a jejího zamoření sulfanem podlehla plazům. Z toho, jak může být zemská tektonika fatální lze nepřímo usuzovat, že planety těžší než Země s větší tektonickou činností, mohou svůj mnohobuněčný život pravidelně hubit - to by ještě zúžilo aktuální rozmezí hmotností planet, na kterých se život může vyvinout.

Dobrou příležitost k výzkumu vymírání představuje kompendium asi 36 000 druhů mořských měkkýšů, kteří mají relativně stabilní podmínky v podstatě celou dobu své historie. Podle vývoje počtu jejich druhů můžeme datovat vymírání poměrně podrobně. Ukazuje se, že impakty planetek na Zemský povrch pravděpodobně nejsou tak fatální, jako velké výlevy lávy (co do počtu vyhynutí), ale zato jsou častější. Ve vymíráních lze vypozorovat dvě významné frekvence. ~ 63 milionů let a ~ 140 milionů let. (První je jistá, druhá je těsně na hranici chyby.) Není bez zajímavosti, že právě toto jsou periody, se kterými Slunce prochází spirálními rameny Mléčné dráhy a galaktickou rovinou - tedy místy s větší hustotou hvězd. Pravděpodobný scénář těchto periodických vymírání tedy je, že blízké hvězdy naruší dráhy těles na vnějšku Sluneční soustavy a tím se zvýší množství dopadů na vnitřní planety. (Zda dopad planetky nastartuje „efekt růžových moří“ nebo ne nevím. Pravděpodobně však není vyhrazen jen pro výlevy lávy.)

 Efekt růžových moří zjištěný pomocí biomarkerů anaerobních bakterií vyžadujících sulfan - [9].

Jak je Země vzácná?
Téměř pokaždé, když Vám někdo něco povídá o mimozemnském životě, přijde ke slovu Drakeova rovnice pro výpočet četnosti mimozemských civilizací. Ta je sice z definice správná, ale obsahuje spoustu pravděpodobnostních koeficientů, které většinou nejsme schopni nijak blíže odhadnout. Přesto mi přišlo zajímavé se zamyslet nad jednotlivými členy. Hlavní slovo bude mít člen zodpovědný za výskyt planet podobných Zemi. Ten dnes můžeme odhadovat jednak z pozorování exoplanet a z modelování vzniku slunečních soustav. Předevěším se ukazuje, že se poměrně velmi často stává, že dráhy plynných obrů jsou nestabilní a během vývoje migrují. Nezanedbatelné procento soustav skončí s „horkým Jupiterem“ někde kolem vzdálenosti Merkura, který skrz gravitační rezonance vymete všechny menší planety z obyvatelné zóny. Toto vymetení se může udát i během procesu migrace planet, aniž by se plynní obři přímo dostali do blízkosti hvězdy. (Bohatě stačí jedna, která má výstřední dráhu a jednou za čas prolétne dostatečně blízko.) Navíc je ovšem vhodné mít tyto planety vně, protože třeba Jupiter odvrací velké množství impaktů svou přítomností. (Jak jsem psal minule - tento fakt by znamenal, že život na měsíci takové planety by měl sice zaručenou stabilní dráhu, ale musel by si poradit s častými impakty a vysokou radiací plynného obra - a jak mohou být impakty fatální víme díky vymíráním.)

Další nepravděpodobnou věcí je velký měsíc, který má poměrně důležitou funkci, neboť stabilizuje rotační osu Země. Zachycení takové oběžnice v podstatě není možné - soudí se, že Měsíc vznikl srážkou s tělesem velikosti Marsu a vyvržením části hmoty na oběžnou dráhu. Taková událost je poměrně málo pravděpodobná. Kromě toho, že Měsíc stabilizuje osu, podporuje slapovým působením deskovou tektoniku, která je v jisté míře důležitá, aby všechny biogenní sloučeniny neskončily pasivně v usazeninách a údajně snad mohl hrát jím způsobený přiliv a odliv roli při vzniku života pravidelným zavlažováním a následně odpařováním zahušťováných pobřežních jezírek, kde se život mohl vyvíjet, nejsem tak úplně přesvědčený, že bez něj by to nešlo. To už je ale velmi spekulativní závěr.

Pak je tu ještě omezení na velikost. Planety menší než je Země budou ztrácet poměrně rychle vodu do kosmického prostoru (permanentně uniká i ze Země) a rychle zchladnou a ztratí tenktonickou činnost, důležitou pro aktivní biosféru. Jak jsem psal výše, větší planety zase mohou mnohobuněčný život nadměrnou tektonikou hubit.

Hypotézou, která by už tak nízkou pravděpodobnost výskytu Země znížila na naprosté minimum je hypotéza vzplanutí jádra galaxie. (Také dosti spekulativní, přesto zajímavá.) Astronomové pravidelně pozorují tzv. Seyfertovy galaxie. Jsou to spirální galaxie, kde černá díra uprostřed nesedí pasivně, jako v té naší, ale polyká velké množství hmoty, které se dostalo do jejího okolí. Jádro takové galaxie je pak až stokrát zářivější, což má za následek sterilizaci všeho živého v celé galaxii vlivem gama záření, je-li jádro na dohled (to naše není), popř. intenzivním částicovým bombardováním, i pokud viditelné není. Četnost vzplanutí jádra spirálních galaxií se odhaduje na jednou za milion až miliardu let. Hypotéza říká, že i Mléčná dráha byla několikrát Seyfertovou galaxií - oběžná dráha Slunce je však natolik speciální, že se Slunce opakovaně nacházelo ve spirálním rameni, když ke vzplanutí došlo. (Slunce skutečně má jinou rychlost než okolní hvězdy.) Tamní vyšší hustota plasmy by částicové bombardování odstínila a tím by se život na Zemi zachránil. Tato teorie je sice značně spekulativní, nicméně pokud by byla pravdivá, pak nejen, že jsme v naší galaxii skoro jistě sami, ale i pravděpodobnost vzniku inteligentního života v jiných spirálních galaxiích bude mizivá. (Ward v knize Vzácná Země uvádí, že eliptické a nepravidelné galaxie mají pro život příliš nízkou metalicitu, takže možná mnohobuněčný život vůbec bude velmi vzácný, zdroj jsem ale ještě neověřil.

I když pomineme Seyfertovy galaxie, zdá se, že ačkoliv může být vznik mikrobiálního života poměrně pravděpodobný a hojný, podmínky potřebné pro mnohobuněčný život budou daleko více speciální.

Citace:
Vystavil v

Žádné komentáře:

Okomentovat

Přihlásit se k odběru: Komentáře k příspěvku (Atom)