ALAN WOODS, TED GRANT
Překlad: M.Matejovský
Je pozoruhodné, že chromozómy všetkých živých organizmov, od baktérií po človeka, majú podobné zloženie. Všetky gény pozostávajú z rovnakého typu chemických látok -nukleoproteínov. Platí to aj pre vírusy, najjednoduchšie známe živé organizmy, ktoré ležia na hranici organickej a neživej hmoty. Chemické zloženie nukleoproteínov umožňuje molekulárnej jednotke množiť sa, čo je základná charakteristika života, ako pre gény tak aj vírusy.
RANĚ FORMY ŽIVOTA
Je pozoruhodné, že chromozómy všetkých živých organizmov, od baktérií po človeka, majú podobné zloženie. Všetky gény pozostávajú z rovnakého typu chemických látok -nukleoproteínov. Platí to aj pre vírusy, najjednoduchšie známe živé organizmy, ktoré ležia na hranici organickej a neživej hmoty. Chemické zloženie nukleoproteínov umožňuje molekulárnej jednotke množiť sa, čo je základná charakteristika života, ako pre gény tak aj vírusy.
Engels poukazuje na to, že vývoj života nemožno pochopiť bez všetkých druhov prechodných foriem:
„Hard and fast lines (strnulé a pevné hranice, red.) sú nezlúčiteľné s vývojovou teóriou – dokonca hranica medzi stavovcami a bezstavovcami už nie je pevná práve tak ako medzi rybami a obojživelníkmi a hranica medzi vtákmi a plazmi mizne každým dňom stále viac. Medzi Compsognathom a Archaeopteryxom chýba už len niekoľko medzičlánkov a vtáčie zobáky so zubami sa objavujú na obidvoch pologuliach. ‘Buď to – alebo ono!’ je čoraz nedostatočnejšie. U nižších živočíchov nemožno presne stanoviť pojem jedinca. Nejde len o to, či nejaký živočích je jedincom alebo kolóniou, ale aj o to, kde vo vývoji jeden jedinec zaniká a druhý vzniká (dojky). – Stará metafyzická metóda myslenia už nestačí pre takýto stupeň názoru na prírodu, kde všetky rozdiely splývajú v medzistupňoch, kde všetky protiklady sú preklenuté medzičlánkami. Dialektika, ktorá práve tak nepozná nijaké hard and fast lines, nijako bezpodmienečne vždy platné buď-alebo!, ktorá nachádza vzájomné prechody medzi nehybnými metafyzickými rozdielmi a ktorá okrem buď-alebo! pozná na pravom mieste aj tak jedno – ako aj druhé! a sprostredkuje protiklady, je pre tento stupen náhľadu na prírodu jedinou výsostne primeranou metódou myslenia. Pre dennú potrebu, pre vedecké kupčenie, zostávajú, prirodzene, v platnosti metafyzické kategórie.“ (Engels, Dialektika prírody, str. 184-185)
Nie je možné jasne nakresliť hranicu medzi živou a neživou hmotou, medzi rastlinami a živočíchmi, plazmi a cicavcami. Napríklad vírusy tvoria triedu, o ktorej sa nedá povedať, že je živá, ako to všeobecne chápeme, a napriek tomu jasne preukazujú niektoré z atribútov života. Ako uvádza Ralph Buchsbaum:
„Vírusy sú jeden z najväčších známych proteínov a niekoľko rôznych vírusov sa podarilo pripraviť v čisto kryštalickej forme. Dokonca aj po opakovaných kryštalizáciach, zaobchádzaní, ktoré by žiadna živá hmota nebola nikdy schopná prežiť, vírusy, keď sa vrátia do priaznivých podmienok, obnovujú svoju činnosti a množia sa. Hoci sa ešte nikomu nepodarilo pestovať ich v neprítomnosti živej hmoty, je jasné, že vírusy pomáhajú preklenúť priepasť, ktorá, ako sa predtým myslelo, existuje medzi neživou a živou hmotou. Už sa nedá viac hovoriť, že existuje akýsi ostrý a tajomný rozdiel medzi neživým a živým, ale skôr sa zdá, že je tu postupný prechod v zložitosti.
Ak si predstavíme, že prvé samorozmnožujúce sa látky boli podobné vírusom, nie je ťažké predpokladať, že zoskupenie vírusom podobných proteínov by mohlo viesť k vývinu väčších, baktériam podobných nezávislých organizmov, ktoré vytvárajú svoju vlastnú potravu z jednoduchých látok a využívajú energiu zo Slnka.
Takáto úroveň organizácie sa dá porovnať s dnešnými formami, ako sú nezávislé baktérie, z ktorých niektoré prevádzajú fotosyntézu bez chlorofylu, využívajúc miesto neho rôzne zelené alebo fialové pigmenty. Iné využívajú energiu získanú z okysličovania jednoduchých lamiel dusíka, síry alebo železa. Môžu napríklad okysličovať amoniak na dusičnany, alebo sírovodík na sírany, čím sa uvoľňuje energia, ktorá sa využíje pri vytváraní sacharidov.“ (R. Buchsbaum, Animals Without Backbones, Vol. 1, str. 12)
Relatívne krátky interval medzi vznikom planéty a ochladením jej povrchovej kôry znamenal, že život sa objavil v prekvapivo krátkej dobe. Stephen J. Gould vysvetľuje, že „život v celej svojej spletitosti sa pravdepodobne objavil tak rýchlo, ako len mohol“. (S. J. Gould, The Panda’s Thumb, str. 181) Mikrofosílie staré 3,5 miliardy rokov sú, ako sa očakávalo, prokaryotické bunky, to znamená bez jadra (metanogeny, baktérie a sinice). Sú považované za najjednoduchšie formy života na Zemi, ale aj v tej dobe existovala rozmanitosť. To znamená, že pred 3,5 až 3,8 miliardami rokov sa spolu s ďalšími formami, ktoré zanikli, objavil náš spoločný predok.
V atmosfére bolo v tom čase málo, alebo možno nebol žiaden molekulárny kyslík. Organizmy, ktoré vtedy existovali, nepotrebovali kyslík - v skutočnosti by ich zabil. Svojim rastom okysličovali vodík, spotrebovávali oxid uhličitý a tvorili metán. Predpokladá sa, že tieto organizmy sa museli podobať eocytovým bunkám, ktoré obývajú veľmi horúce prostredie sopečných otvorov. Energiu nezískavajú z kyslíka, ale prostredníctvom premeny síry na sírovodík.
„Možno si predstaviť,“ píše Richard Dickerson, „že pred vznikom živých buniek sa praoceán hemžil kvapkami špeciálneho chemického zloženia, ktoré prežili dlhú dobu a potom zase zmizli.“ A pokračuje:
„Tie kvapky, ktoré čírou náhodou obsahovali katalyzátory schopné vyvolať ‘užitočné‘ polymerizácie, by prežili dlhšie ako ostatné; pravdepodobnosť prežitia by bola priamo úmerná zložitosti a účinnosti ich ‘metabolizmu‘. V priebehu vekov by prebiehala silná chemická selekcia medzi typmi kvapiek, ktoré v sebe obsahovali schopnosť prijať molekuly a energiu zo svojho okolia a začleniť ich do seba, čo by podporilo prežitie nielen materských kvapiek, ale aj dcérskych kvapôčok, do ktorých sa rodičia rozptýlili, keď príliš narástli. Toto ešte nie je život, ale blíži sa mu.“ (Scientific American, 239, [1978].)
Keďže neexistuje dostatok fosílií, je na osvetlenie pôvodu buniek potrebné preskúmať organizáciu súčasných buniek. Aby sa aj tie najjednoduchšie formy života reprodukovali, musí byť prítomný genetický materiál obsahujúci nukleové kyseliny. Ak sú bunky základnou jednotkou života, môžeme si byť takmer istí, že pôvodné organizmy obsahovali nukleové kyseliny alebo úzko príbuzné polyméry. Baktérie, napríklad, sa skladajú z jedinej bunky a je pravdepodobné, že sú prototypom všetkých živých buniek.
Baktéria Escherichia coli (E. coli) je tak malá, že milión miliónov jej buniek by bolo možné vtesnať do minimálne jedného kubického centimetra. Obsahuje bunkovú stenu, membránu, ktorá drží vnútri základné molekuly, ale tiež vyberá a nasáva užitočné molekuly z vonkajšieho prostredia bunky. Udržuje rovnováhu medzi bunkou a jej prostredím. Hlavný metabolizmus bunky prebieha v membráne, kde dochádza k stovkám chemických reakcií, ktoré pre rast a vývin využívajú živiny v prostredí. Baktérie E. coli sa rozmnožujú každých dvadsať minút. Túto jedinečnú transformáciu v bunke umožňuje skupina molekúl nazývaných enzýmy. Sú to katalyzátory, ktoré urýchľujú chemické reakcie bez toho, aby pri tom došlo k ich zmene. Fungujú opakovane, postupne premeňajú výživné látky na splodiny.
Reprodukcia je základným prvkom života. Keď dôjde k deleniu buniek, vytvorí sa súbor zhodných dcérskych buniek. Mechanizmus pre duplikáciu, pre výrobu novej molekuly proteínov s presne tou istou sekvenciou ako v materskej bunke, je zakódovaný v nukleových kyselinách. Sú unikátne v tom, že s pomocou určitých enzýmov sú samé schopné svojej reprodukcie. DNA (deoxyribonukleová kyselina) nesie všetky informácie potrebné na syntézu nových proteínov. Avšak DNA tak nemôže robiť priamo, ale pôsobí ako „hlavná“ kópia, z ktorej sú vytvorené kópie mediátorovej RNA (ribonukleovej kyseliny), ktorá prenesie informáciu o sekvencii syntetizujúcemu systému. Toto je známe ako genetický kód. Nukleové kyseliny sa nemôžu replikovať bez enzýmov a enzýmy sa nedajú vytvoriť bez nukleovej kyseliny. Musia sa vyvíjať paralelne. Je pravdepodobné, že v pôvodnej „polievke“ prvkov existovali molekuly RNA, ktoré boli tiež enzýmami, ktoré sa vyvinuli na základe prirodzeného výberu. Tieto RNA enzýmy sa spojili a vytvorili skrutkovicu a tak sa stali základom pre samu seba replikujúcu RNA. Genetická replikácia nie je, samozrejme, bez príležitostných chýb. V prípade baktérie E. coli dochádza k chybám raz na každých 10 miliónov základných kópií. V priebehu miliónov generácií môžu mať takéto chyby – mutácie - malý vplyv, ale taktiež môžu viesť k vážnym zmenám v organizme a na báze prirodzeného výberu viesť k vzniku nových druhov.
Ďalšou fázou organickej evolúcie bol vývin ďalších polymérov - kombinácie molekúl - zoskupených do celých rodín. Bola potrebná istá konštrukcia, ktorá by molekuly ohradila: polopriepustná bunková membrána. Bunkové membrány sú zložité štruktúry balansujúce medzi pevným a kvapalným stavom. Malé zmeny v zložení membrány môžu spôsobiť kvalitatívnu zmenu, ako vysvetľuje Chris Langton: „Zľahka do nej pichnite, zmeňte trochu zloženie cholesterolu, zmeňte len trochu zloženie mastných kyselín, dovoľte, aby sa jediná proteínová molekula naviazala na receptor na membráne a môžete vyvolať veľké zmeny, biologicky užitočné zmeny.“ (Quoted in R. Lewin, Complexity, Life at the Edge of Chaos, str. 51)
FOTOSYNTÉZA A POHLAVNÉ ROZMNOŽOVANIE
Ako je vidieť, evolúcia bunky je pomerne pokročilé štádium organickej evolúcie. Keď sa bohaté množstvo zložiek prebiotickej polievky vyčerpalo, bolo nutné vyvíjať vo vode rozpustné organické látky z atmosféry. Od kvasenia, jednoduchšej ale menej účinnej formy metabolizmu, bol len krok ku fotosyntéze. Vyvinula sa špeciálna molekula chlorofylu. Tá umožnila živým organizmom využívať slnečnú energiu na syntézu organických molekúl. Prvé fotosyntetizujúce organizmy sa vymanili z boja o ubúdajúce prirodzené energeticky bohaté molekuly a ustanovili sa ako hlavní producenti. Keď sa dosiahol proces fotosyntézy, bol ďalší život zabezpečený. Akonáhle sa vytvorí dostatok kyslíka, stáva sa možným jeho dýchanie. V súlade so zákonmi prirodzeného výberu, keď sa spustila fotosyntéza zanechala svoje stopy na všetkých nasledovných živých tvoroch a bola nepochybne natoľko úspešná, že potlačila predchádzajúce formy života.
Tento vývoj predstavuje kvalitatívny skok. Následný vývoj k zložitejším formám je tiahly proces, ktorý nakoniec vedie k novej vetve života, k bunke s bunkovým jadrom. Na vrchole eukaryotického stromu sa naraz objavuje niekoľko vetiev ako sú rastliny, zvieratá a huby. Podľa amerického molekulárneho biológa Mitchella Sogina na tempo evolúcie vplývalo množstvo kyslíka. Z chemického zloženia starovekých hornín vyplýva, že atmosférický kyslík sa zvyšoval v relatívne rozdielnych obdobiach oddelených dlhými obdobiami stability. Niektorí biológovia sa domnievajú, že explóziu života mohol vyvolať kyslík, keď dosiahol určitú úroveň.
Bunky s bunkovým jadrom – eukaryoty – sa úplne adaptovali na kyslík v pomerne malých variáciach. Objavenie sa tejto novej revolučnej formy života umožnilo vznik pokročilého pohlavného rozmnožovania, ktoré spätne zrýchľovalo tempo evolúcie. Kým prokaryoty pozostávali len z dvoch skupín organizmov, baktérie a sinice (sinice fotosyntézou produkovali kyslík), eukaryoty tvoria všetky zelené rastliny, všetky zvieratá a huby. Pohlavné rozmnožovanie predstavuje ďalší kvalitatívny skok vpred. Vyžaduje, aby bol genetický materiál zabalený vnútri jadra. Pohlavné rozmnožovanie umožňuje zmiešať gény dvch buniek, čím sa zvyšuje množstvo variácií. Pri rozmnožovaní sa chromozómy eukaryotických buniek spájajú a vytvárajú nové bunky. Prirodzený výber slúži na zachovanie priaznivej genetickej varianty v genofonde.
Jedným z kľúčových aspektov života je rozmnožovanie. Všetky rastlinné a živočíšne bunky majú rovnakú základnú vnútornú štruktúru. Rozmnožovanie a odovzdávanie rodičovských charakteristík (dedičnosť) prebieha spojením pohlavných buniek, vajíčka a spermie. Genetický materiál DNA, prostredníctvom ktorého sa charakteristiky foriem života prenášajú z generácie na generáciu, sa nachádza v jadre všetkých buniek. Štruktúra buniek, ktoré sa skladajú z cytoplazmy, zahŕňa tiež rad miniatúrnych orgánov s názvom organely. Vnútorná štruktúra organel je identická s rôznymi typmi baktérií, čo naznačuje, že zloženie živočíšnej a rastlinnej bunky je výsledkom týchto kedysi nezávislých orgánov so svojou vlastnou DNA, ktoré sa spojili, aby vytvorili jeden spolupracujúci celok. V roku 1970 boli objavené mikrotubuly. Ide o bielkovinové tubulárne útvary, ktoré vyplňujú každú bunku v tele ako vnútorný skelet. Táto vnútorná „kostra“ dáva bunke tvar a zdá sa, že má úlohu pri obehu bielkovinových a plazmatických produktov. Nástup eukaryotickej alebo jadrovej bunky predstavuje biologickú revolúciu, ku ktorej došlo pred asi 1500 miliónmi rokmi.
Z nepohlavného pučania a delenia sa vyvinulo pohlavné rozmnožovanie. Takýto pokrok pomohol premiešať dedičný materiál dvoch jedincov, čím sa potomstvo odlíšilo od rodičov. To umožnilo variácie, na ktorých mohol fungovať prírodzený výber. V každej živočíšnej a rastlinnej bunke je DNA usporiadaná v pároch chromozómov v jadre. Tieto chromozómy nesú gény, ktoré určujú charakteristiky jedinca. Nové potomstvo kombinuje charakteristiky rodičov a pritom sa od nich líši. Zdá sa, že pôvod pohlavného rozmnožovania súvisí s primitívnymi organizmami pohlcujúcimi jeden druhého. Genetický materiál dvoch organizmov sa spojil a vytvoril organizmus s dvoma sadami chromozómov. Väčší organizmus sa potom rozdelil do dvoch častí so správnym množstvom chromozómov. Kedysi existovali tak jednoduché ako aj párové chromozómy, ale v priebehu času sa párové stali bežným spôsobom existencie rastlín a živočíchov. Tým bol položený základ pre vývin mnohobunkových organizmov.
Pred asi 700-680 miliónmi rokmi sa objavili prvé metazoa. Boli to zložité viacbunkové organizmy, ktoré pre svoj rast potrebovali kyslík. Počas tejto doby sa obsah kyslíka v atmosfére trvale zvyšoval a súčasnú úroveň dosiahol len pred 140 miliónmi rokmi. Procesy, ktoré fungujú pri evolúcii, majú výrazne dialektický charakter, kedy dlhé obdobia postupnej kvantitatívnej zmeny sú prerušené náhlou explóziou. K takejto explózii došlo pred cca 570 miliónmi rokmi.