Kde tedy všichni jsou? Od Fermiho paradoxu k paradoxům vzniku života

Tato otázka  Ernica Fermiho je vztažena k existenci mimozemského života a inteligence. Ten problém má však i zajímavější konsekvence, než je jen hledání UFO, nebo přisuzování skutečných nebo domnělých záhad mimozemšťanům. 

Fermiho paradoxem se zabývá také kniha Stephena Webba „Kde všichni jsou?“, ze které částečně čerpám. Její název je vlastně Fermiho náhodně vyřčenou otázkou, vyjadřující rozpor mezi vysokou matematickou pravděpodobností velkého množství mimozemských civilizací a negativním praktickým pozorováním. Britský fyzik Stephen Webb v této knize systematicky rozebírá všechny možné aspekty, a to právě činí pro mě toto téma neobyčejně zajímavým. Tato v zásadě banální otázka podněcuje totiž mnoho jiných, týkajících se nejen astronomie, ale prakticky všech přírodních věd i filosofie.

Nechci se zde zabývat všemi argumenty pro i proti existenci mimozemského života nebo civilizace, to bych v podstatě mohl opsat celou Webbovu knihu, a pokud bych ty argumenty zestručňoval, likvidoval bych tím jejich hodnotu.   Dalším důvodem, proč jsem vyselektoval pouze jednu oblast řešení paradoxu, je skutečnost, že mám jen velmi obecné znalosti astrofyziky, takže na tomto tématu mě nejvíce zaujaly otázky týkající se biologie a biochemie, což jsou obory mně výrazně bližší.

Budeme-li uvažovat o mimozemském životě, musíme se nevyhnutelně zabývat životem pozemským, jeho vznikem, jeho kritérii, jeho vývojem. Je to vlastně z nouze ctnost, protože nám nic jiného nezbývá, všechny naše hypotetické úvahy se budou vztahovat k této jediné naší zkušenosti, a když píši „zkušenosti“, není to vlastně zcela přesné, protože naší zkušeností je současný stav. Čím hlouběji půjdeme do minulosti, tím více bude přibývat hypotéz a až se dostaneme k vzniku života, budeme už trochu spekulovat. Nicméně věda nám dává prostředky spekulovat vědecky.

Když trochu odbočím, určitým důsledkem této naší jediné zkušenosti je i fakt, že si těžko dokážeme představit jiný typ života, než je ten náš. Mechanismus vzniku organické hmoty není neznámý ani nepochopitelný, špatně pochopitelné je to, co by sedalo vyjádřit otázkou: jak se z organických sloučenin staly živé organismy, tedy buňky? To ale trochu předbíhám, protože se v této souvislosti musíme nejdříve pokusit definovat, co je to vlastně život. Zkusme to:

Zaprvé, každý živý objekt se musí skládat z buněk. Kdybychom věděli, jak vznikly buňky, poznali bychom asi i příčinu života. Opět je nutné pro smysluplnou úvahu jaksi pominout, že by existoval jiný princip života než ten buněčný (což samozřejmě neznamená, že existovat nemůže).Odlišujeme dva dost odlišné druhy buněk: buňky prokaryotické a eukaryotické. Prokaryotické buňky nemají jádro, jsou jednoduché, malé a je jich mnoho různých typů. Prokaryotické organismy jsou extrémně úspěšné, ve velké míře proto, že jim jejich jednoduchost umožňuje i velmi rychle se množit. Existují dva značně odlišné typy prokaryotických buněk: eubakterie -neboli "pravé" bakterie (pro jednoduchost dále prostě bakterie) – a archebakterie. Oba typy prokaryotických buněk nemají vzájemně o nic bližší vztah, než mají k eukaryotickým buňkám. Eukaryotické buňky jsou mnohem složitější než buňky prokaryotické, jejich vnější membrána obklopuje pozoruhodnou síť biochemické mašinerie a jádra mají vlastní, jaderné membrány. Tato složitost způsobuje, že eukaryotické buňky mají typicky 10 000krát větší objem než prokaryota. Eukaryota jsou schopna se zformovat do mnohobuněčných struktur a vytvořit tak rostlinu, houbu nebo živočicha.

Zadruhé, živý objekt musí mít metabolismus, tedy schopnost přijímat energii a materiály, využívat je a vylučovat odpad. Metabolismus funguje za pomoci enzymů a enzymy jsou vytvořeny z proteinů. Instrukce pro tvorbu různých proteinů jsou obsaženy v DNA, zatímco vlastní syntéza proteinů je založena v RNA. Zjednodušeně: DNA vytváří RNA a RNA vytváří proteiny.

Zatřetí, živý objekt je schopen reprodukce - anebo se vztahuje k objektům, které se mohou reprodukovat. Buňky se mohou reprodukovat samostatně anebo v sexuálních dvojicích a mechanismem reprodukce je DNA. Je tedy zřejmé, že DNA hraje v reprodukci zásadní roli. Reprodukují se i krystalické struktury, chybí jim však schopnost změny a modifikace, které se projevují, když se množí živé organismy. Jde u nich spíše jen o replikaci, kopírováni, než o skutečnou reprodukci - termín "reprodukce" bychom měli rezervovat jen pro živé organismy. Tedy nepovažovat krystaly za živé a logicky mezky a muly a další neplodné organismy pochopitelně ano.

Začtvrté, život se vyvíjí. Evoluce a přírodní výběr založený na dědičných změnách jsou základními aspekty života.

Definovali jsme tedy život, podívejme se na metody zkoumání jeho vzniku. Záměrně nepíši: „na to, jak vznikl“, to prostě nikdo neví.Metoda hledáni zrozeni života "shora dolů“ je hledáni posledního univerzálního, společného předka (anglicky LUCA - Last Universal Common Ancestor), od kterého všechny současné formy života zdědily svoje sdílené biochemické struktury. Jednota pozemského života je totiž úžasná. Všechny organismy, až na několik málo výjimek, používají stejný genetický kód, umožňující, aby informace obsažená v DNA byla použita k určení polypeptidu; všechny organismy mají DNA, která nese genetickou informaci atd. Jestliže LUCA byl dostatečně jednoduchý, jestliže se objevil na velmi mladé Zemi, a jestliže mu detailně porozumíme, pak se možná dobereme i toho, jak vznikl on.

Vedle metody „shora dolů“ mohl v období vzniku života na zemi probíhat i proces vertikální. V tomto směru nejme nikterak zvyklí přemýšlet, obyčejně uvažujeme „od rodiče k potomkovi“ nebo, jako v předešlém případě, hledáme universálního prarodiče. Postupujeme však vždy vertikálně. Horizontální princip předpokládá možný přenos genů mezi různými mikroorganismy. To celý systém patřičně komplikuje, ale leccos to také vysvětluje. Ještě o tom bude řeč.

Standardní metodou zkoumání je logicky „zespoda nahoru“, tj. zkoumání základních a universálních chemikálií života: nukleonových kyselin a proteinů. Otázka jak vznikly nukleové kyseliny, je vlastně otázkou, jak se přeměnila neživá hmota v živou. Na tomto místě by se slušelo popsat, jak fungují nukleové kyseliny. To totiž víme, ale vlastní popis procesu by vyšel na samostatný a dost dlouhý článek. Konstatujme tedy pouze to podstatné. Řekli jsme si, že DNA vytváří RNA a RNA vytváří proteiny. DNA je nositelkou genetické informace a díky své struktuře má replikační schopnost. Replikační schopnost DNA je tajemstvím reprodukce živých organismů. Díky ní se potomci podobají svým rodičům - hadi plodí hady, datlové plodí datly a lidé plodí lidi. Ale aby se život vyvíjel, aby se druhy měnily na jiné druhy, je třeba, aby dědičnost byla nedokonalá. Mezi potomky musí existovat variabilita, přírodní výběr by nefungoval, kdyby se jednotliví tvorové nijak nelišili. Naštěstí variabilita existuje. Čas od času se náhodně při poškození zářením, chemickými prostředky anebo prostě chybou přepisu při replikaci DNA objeví mutace - změna v posloupnosti nukleotidových bází. Podíl mutaci je podivuhodně malý díky různým kontrolním mechanismům, které probíhají, když se DNA replikuje. Zmutovaná DNA vytvoří odlišný protein. Podstatné je, že mutace poskytují přírodnímu výběru něco, co vytváří variabilitu nezbytnou k jeho fungování.

Jestliže by se nukleové kyseliny uměly pouze replikovat, pak by nebyly o nic zajímavější než krystaly (i ty umějí růst a replikovat svoji strukturu). DNA však má v sobě uloženu genetickou informaci. Ta by ovšem byla pramálo užitečná, kdyby nebyla přečtena a k něčemu použita. Bylo by to jako mít veřejnou knihovnu plnou knih, ale nedovolit nikomu, aby je četl. Nukleové kyseliny jsou tak fascinující proto, že jsou v nich zakódovány informace, jak tvořit proteiny, a že tyto kyseliny umějí tyto proteiny vytvořit. A proteiny jsou to, co činí život tak zajímavým. Umožňují totiž životu nejrůznější činnosti provádět.

Proteiny jsou komplikované, nesmírně různorodé makromolekuly. Fungují jako enzymy (umožňují fungováni buněčného metabolismu), pracují jako hormony (coby regulátor dalších procesů; typickým příkladem je inzulín) a stavební látky formují živé organismy. Protein je dlouhá sekvence aminokyselin (slouží jich rovných 20) poskládaná do třírozměrné struktury. Určitá sekvence se zformuje do určité struktury a změnou této sekvence se změní i poskládáni a tím i funkce, kterou tento protein může plnit. Informace, jak stavět proteiny, a tedy i celé organismy, je obsažena v DNA. Když buňka obdrží jakýsi signál, který ji žádá o vytvoření určitého proteinu, dvojšroubovice DNA se rozdělí. Ta část DNA, která kóduje určitou formu RNA, se pak nazývá gen.

Po této stručná definici pojmů a procesů přejděme ke stavebním kamenům makromolekul proteinů, bez kterých je vznik života nemyslitelný. Jsou to zmíněné aminokyseliny. Experimenty i výzkumem například mezihvězdného prostoru bylo potvrzeno, že aminokyseliny jednak mimo zemi reálně existují a jednak, že při různých simulacích velmi ochotně vznikají. To vše díky úžasným vazebním schopnostem uhlíku. Organické chemii stačí dát jen prostor k fungování a složité molekuly vznikají jak na běžícím pásu. Cukry, puriny a pirimidiny, tedy složky nukleových kyselin, mohou vznikat podobným způsobem, takže přestože stále ještě zbývá zjistit řadu detailů, nemusí být naše základní stavební kameny života nějak výjimečně vzácné. V čem je tedy problém? Problematickým je tvrzení, že úspěšné pospojování těchto komponentů do molekul života - nukleových kyselin a proteinů – mohlo proběhnout přirozenými procesy. Právě tímto argumentují ti, kteří tvrdí, že je život na Zemi jedinečný, protože pravděpodobnost náhodného vzniku proteinu nebo nukleové kyseliny je absurdně malá. A je dost těžké to rozporovat. Podívejme se například na sérový albumin, to je takový průměrně veliký protein, ten obsahuje řetězec 584 aminokyselin zapletených zhruba do kulového tvaru. V těle se o vznik této molekuly starají nukleové kyseliny. Představme si však dobu před vznikem nukleových kyselin, kdy by syntéza sérového albuminu probíhala náhodným přidáním aminokyselin na konec rostoucího řetězce. Pravděpodobnost, že by tento protein vznikl náhodným procesem, je skutečně pozoruhodná: 1 : 20584 (20 na 584tou to je číslo s 584 nulami) I tak malý protein jako cytochrom c, složený pouze ze 100 aminokyselin, má nepatrnou šanci 1 : 10130 (deset na stotřicátou), že bude náhodně syntetizován. Pro praktické účely je i toto číslo nerozlišitelné od nulové pravděpodobnosti. Existují pochopitelně teorie, které pracují s určitými přechodnými strukturami, jejichž pravděpodobnost vzniku je sice stále hodně divoká, ale přecijenom snad možná. Konečně nějak se to stát muselo, ačkoli se zdá, že i sám vznik života je polapen v paradoxu "vejce a slepice": DNA obsahuje instrukce potřebné ke stavbě proteinů z aminokyselin, zároveň však každá molekula DNA potřebuje pomoc enzymů (tedy proteinů), aby mohla existovat. DNA vyrábí proteiny a proteiny vyrábějí DNA. Co vzniklo první? A proboha jak?

To „proboha“ není až tak od věci. Je jistě těžké vyrobit z dvaceti surovin (kovu, kůže skla, plastu …) hodinky (bůh by to ale zvládnout mohl), ovšem dát tyto suroviny do mixéru a čekat, že se složí sami, je už něco jiného, a to i když ten mixér necháme běžet 700 milionů let. To je totiž interval, na jehož začátku těžko mohl život existovat (to bylo 4, 55 miliardy let př. Kr., kdy vznikla naše planeta), a na jeho konci (před 3, 85 miliardy let) docela prokazatelně existoval.  Nemusí to tak na první pohled vypadat, ale byl to docela fofr, a to těch 700 milionů je navíc horní hranicí, pravděpodobně to bylo mnohem rychlejší, protože na počátku své existence byla země doslova „pod palbou“ velkých těles (jeden takový karambol dal vzniknout Měsíci), které ji musely patrně zcela sterilizovat.

Čilá výměna materiálu mezi různými kosmickými tělesy v době vzniku Země vede také k teoriím, že život k nám byl zavlečen. Nelze to jistě vyloučit už jenom proto, že jinde mohly být podmínky pro vznik života vhodnější, nicméně kdyby vznikl na jiné planetě (třeba se uvádí Mars) musel by i tam vznikat za principielně stejných kritérií. Takže jsme zase tam, kde jsme byli, a k tomu ještě musíme brát ohled na to, s jakou pravděpodobností nějaký šutr z Marsu kromě díry v zemské kůře ještě přinese i život.

Máme-li bolavou hlavu z toho, jak se neživá hmota stala živou, moc si nepomůžeme ani dalším evolučním posunem, a to přechod z prokaryotické buňky na eukaryotickou. Těžko se pro něho dají použit přívlastky jako jednoduchý, přirozený, zákonitý apod. Představa, že se shlukem velkého množství primitivních bakterií vytvoří slon je zcela scestná. Primitivní bakterie zůstávají již skoro čtyři miliardy let téměř bez velké změny. Nebyl totiž ke změně žádný důvod. Prokariotická buňka (primitivní bakterie) je totiž velmi úspěšná a odolná, a to především díky buněčné stěně a buněčným membránám. Ztrátou buněčné stěny je sice umožněna fagocytóza tj. schopnost buňky „dobře žrát“ (prokaryotická bakterie pouze málo efektivně vypouští trávicí enzymy do svého okolí a vstřebává pak jen molekuly živin) na druhou stranu se stává eukaryota velmi zranitelnou. Proč se určité skupiny bakterií v dosti nehostinném prostředí začaly zbavovat toho, co je chránilo, a tvořit cytosketet, který ochranu jen suploval, opět nevíme. Co víme, je to, že si eukaryotické buňky mohly pak v budoucnu bez buněčné stěny snáze vyměňovat informace a materiály a různě kooperovat, výsledkem čehož je svět, který známe. Evoluce však nedělá žádné předpovědi, nic neočekává, organismus buď přežije tady a teď nebo svou „šanci promarní“. Tyto evoluční posuny však vyvolávají zdání, že důsledky ovlivňují příčiny. Jen nemnoho prokaryot přijalo za svůj mnohobuněčný způsob života. Bakteriální kolonií, tedy kolonií prokaryotických buněk, jsou například stromatolity. Obecně však prokaryotické buňky vedou osamělý život (a dokonce i v případě stromatolitů je diskutabilní, zda je u nich termín "organismus" oprávněný). I eukaryotické buňky žily izolovaně většinu času od svého vzniku na Zemi, než nastala pozoruhodná změna. Jako by „nelogicky“ vzniklá eukaryota čekala více jak tři miliardy let na svoji příležitost, která nakonec přišla.

Není ani docela jasné, kdy se uskutečnil přechod k mnohobuněčnosti. Klíčovým momentem v historii života na Zemi byla kambrická exploze rozmanitosti zhruba před 540 miliony let. Tehdy se

objevila celá řada nejrůznějších živočišných forem a tehdy byly překonány i některé kritické překážky na cestě k inteligentnímu životu na Zemi. Fosilie z doby kambria už svědčí o velké rozrůzněnosti tehdejších živočichů, známe však jen málo fosilii živočichů (pokud vůbec nějaké) z hornin starších než 540 milionů let. A tak jediný skutečný závěr, který na základě těchto nálezů můžeme udělat, je, že v období kambria už existovali velcí živočichové s pevnými tělesnými

částmi. Je dost dobře možné, že i před kambriem existovala celá škála malých měkkých živočichů, ale ti se nedochovali ve zkamenělinách.

Sekvenční analýza genů vede některé biology k přesvědčení, že živočišná říše vznikla před miliardou let. Pokud to odpovídá skutečnosti, pak fosilie zachycují jen asi polovinu historie vývoje živočišné říše. Ať už se živočichové objevili před půl miliardou let, anebo před celou miliardou, anebo někdy mezi tím, nic to nemění na skutečnosti, že jsou pozdě přidanými kaménky v mozaice života na Zemi. Jednobuněčné organismy se objevily krátce poté, co Země zchladla, a pak musely uběhnout aspoň další tři miliardy let, než se objevily složité organismy. Proč se čekalo tak dlouho, než se objevili první mnohobuněční?

Jedna poměrně oblíbená teorie říká, že za všechno může kyslík. V prekambrickém období nebyl pro prokaryoty (ani pro některé eukaryoty) nedostatek kyslíku žádný problém. Naopak nárůst jeho koncentrace způsobil masové vymírání bakterií, na které působil jako jed. Zvyšování jeho koncentrace může souviset s rozvojem organismů (zvláště sinic), které ho vylučovaly jako odpadní produkt metabolismu a s ukončením chemických procesů, které ho naopak intenzivně spotřebovávaly. V každém případě působí komplikovaný systém příčina důsledků jako ruleta, a ne jako zákonitá proces.

Vrátím-li se závěrem k řešení Fermiho paradoxu, není asi na základě výše uvedeného na otázku: „Kde všichni jsou?“ seriózní odpovědí: „Nikde, život je jedinečný a neopakovatelný.“ Dá se ovšem na základě téhož vyslovit hypotéza, že je život vzácný, že je třeba splnění velkého množství kritérií pro jeho vznik, byť jen v buněčné podobě, a další velmi specifické podmínky pro jeho přechod do podoby mnohobuněčné, stejně jako jeho dlouhodobé zachování. Dalším, a zcela zásadním úskalím je pak vznik života inteligentního. O tom příště ve druhém díle tohoto blogu.

Pozn: Redakční systém blogu (nebo já na něm) neumíme napsat číslo s horním indexem, takže to jaksi neohrabaně popisuji