Svet za zrkadlom a pôvod života na Zemi

Väčšinu ľudí pohľad do zrkadla privedie k poznaniu, že Snehulienka je asi krajšia. Ak uveríme tomu, že Newton objavil gravitačný zákon osvietením mysle po páde jablka na jeho hlavu, nemusí byť ďaleko od pravdy ani domnienka, že Pasteur práve pri pohľade do zrkadla pochopil cestu k poznaniu najväčšieho tajomstva – pôvodu života na Zemi.

Pred 150 rokmi sa v Štrasburgu mladý Louis zaoberal štúdiom optických vlastností najrozličnejších látok použitím polarizovaného svetla. V roku 1848 študujúc pod mikroskopom jednu zo solí kyseliny vínnej zistil, že existuje vo forme kryštálov dvoch typov, z ktorých každý je zrkadlovým obrazom druhého. Kryštály od seba oddelil a rozpustil ich vo vode. Ukázalo sa, že jeden z roztokov stáča rovinu polarizovaného svetla vľavo a druhý vpravo. Ďalší objav urobil Pasteur v roku 1857, kedy mu v prasknutej skúmavke s opticky neaktívnym roztokom cukru vyrástla pleseň. Na rozdiel od väčšiny vedcov, skúmavku s roztokom nevyhodil, ale zmeral jeho optickú aktivitu a zistil, že tento roztok stáča rovinu polarizácie svetla. Pasteur z toho vyvodil záver, že pleseň chemicky reagovala iba s molekulami jedného typu. Takto objavil, že živé organizmy sú zrkadlovo nesymetrické, že v nich dominujú alebo „ľavé“ molekuly alebo „pravé“. Zrkadlovú symetriu považoval za demarkačnú čiaru medzi živou a neživou prírodou.

Tento jav – narušenie zrkadlovej symetrie (často nazývanej podľa návrhu lorda Kelvina aj chirálnou, podľa gréckeho ceir – ruka, pretože ľavá ruka je zrkadlovým obrazom pravej, ale v priestore sú, ako sa môžeme ľahko presvedčiť, nekompatibilné) v základných stavebných jednotkách živých systémov – je najvýraznejším príkladom narušenia symetrie v prírodných vedách. Pretože symetrie a zvlášť ich narúšanie, sú doménou fyzikov, o tento, na prvý pohľad biologický problém, sa zaujímali mnohí z nich, napr. P. Curie, J. Bernal, F. Dyson, P. G. de Gennes, A. Salam a mnohí ďalší.

Problém pôvodu chirálne aktívnych molekúl sa musí samozrejme študovať v širšom kontexte chemickej a biologickej evolúcie. Možnosť prirodzeného pôvodu organických molekúl nezávisle postulovali v polovici 20. rokov A. I. Oparin a J. B. S. Haldane. O tridsať rokov neskôr S. Miller svojimi elegantnými experimentami ukázal, že základné stavebné prvky organického sveta, ako napr. aminokyseliny, skutočne možno získať syntézou z anorganických látok, napr. amoniaku, metánu a vodíka, v podmienkach simulujúcich prebiotickú Zem. Vždy však vznikajú v presne rovnakom množstve „ľavé“ a „pravé“ organické molekuly. Experimentálne i teoreticky bolo však už ukázané, že život založený na zmesi „ľavých“ a „pravých“ molekúl je principiálne nefunkčný. Preto je podmienka zrkadlovej disymetrie základným skúšobným kameňom pre všetky scenáre vzniku života. V istom zmysle predstavuje akúsi „Ariadninu niť“ v labyrinte týchto teórií.

Keď v r. 1986 T. R. Cech a S. Altman objavili prvé molekuly ribonukleovej kyseliny (RNA), ktoré mali katalytické účinky, pritiahlo to mimoriadnu pozornosť biochemikov zaoberajúcich sa molekulovou evolúciou, veď tým by sa vyriešil starý problém, či skôr vznikli bielkoviny alebo nukleové kyseliny. Celkom nedávno J. W. Szostak nasyntetizoval náhodným spôsobom krátke polyméry RNA, simulujúc tak náhodnosť chemickej evolúcie, a zo vzniknutej zmesi sa mu podarilo izolovať molekuly RNA, ktoré katalyzovali vytváranie väzieb medzi susednými nukleotidmi, čím by potreba bielkovinového katalyzátora pri tomto kľúčovom procese úplne odpadla.

Žiaľ, tento prístup má jeden háčik, a to je práve nevyhnutnosť, aby všetky nukleotidy boli buď len ľavé alebo pravé, v chirálne zmiešanom prostredí vznikajú katalyticky neúčinné molekuly RNA. Zdá sa preto, že vzniku polymérov, napr. RNA, muselo predchádzať silné narušenie zrkadlovej symetrie a vznik chirálne čistého prostredia obsahujúceho iba monoméry jedného druhu.

Ak by sa nejaká bytosť spoza „zrkadla“ dostala do nášho sveta, bolo by to pre ňu asi osudné. Veď takmer jediné, čím by sa mohla živiť, je voda, ktorá je rovnaká pred i za zrkadlom. Väčšina organických látok tvoriacich našu potravu je totiž produktom disymetrických živých organizmov (alebo sú to priamo tieto organizmy) a pre bytosť „zazrkadlovej“ symetrie je nepoužiteľná. Podobne by sme samozrejme skončili i my v „krajine zázrakov“ (snáď preto tam Alica vždy chodila len tak nakrátko).

Myšlienka odlišných vlastností disymetrických systémov bola obsiahnutá už v mikroskopicko–makroskopickej koncepcii alchymistov z gréckej Alexandrie. Pasteur považoval túto disymetriu za priamy dôkaz stvorenia vesmíru Bohom, a snažil sa ukázať, že molekulová disymetria je produktom vesmírnych disymetrických vplyvov, ako sú magnetizmus alebo rotácia slnečnej sústavy. Negatívne výsledky s delením dvoch zrkadlových foriem kryštálov rastúcich pod vplyvom magnetického poľa alebo v rotujúcej reakčnej nádobe, ho priviedli k doplneniu kozmologickej disymetrie o výrok, že sám vesmír je disymetrický, a vytvára dva nestotožniteľné zrkadlové obrazy.

Pasteur bol presvedčený, že ak by sa mu podarilo objaviť spôsob, akým dokázala príroda zabudovať disymetriu do organických látok, podarilo by sa mu rozlúštiť aj tajomstvo vzniku života. V tých časoch si vybudoval v Štrasburgu veľké laboratórium na štúdium týchto problémov, začal však spolupracovať s majiteľom liehovaru pánom Bigó, čo ho priviedlo síce k objavu pasterizácie, ale žiaľ problému chirality molekúl sa už nevenoval, hoci to bol problém asi jeho srdcu najbližší, o čom svedčí aj nápis na jeho hrobke v Paríži:

„L’univers est dissymétrique“.

Svet, ako sa nám javí, je mnohoúrovňový hierarchický systém. Všetky úrovne zložitosti sú obsiahnuté v systéme vyššej úrovne a naopak, každá úroveň v sebe zahŕňa podúrovne nižšieho rádu.

Vzhľadom k tomu, že disymetria je vlastná všetkým štrukturálnym i funkcionálnym úrovniam, je na mieste otázka, ktorá úroveň je primárnou a predurčila disymetriu sveta ako celku.

Pasteur veril, že pôvod disymetrie treba hľadať v tých najhlbších základoch vesmíru. Tento jeho logický predpoklad sa však podarilo potvrdiť až presne 100 rokov po jeho objave disymetrie živého sveta. Čínsky vedci T. D. Lee, C. N. Yang a C. S. Wu totiž zistili, že na najnižšej hierarchickej úrovni (na úrovni elementárnych častíc) sa pravo-ľavá symetria narúša. Sily, ktoré riadia rozpad atómových jadier (tzv. slabé interakcie), sú disymetrické. Tento objav bol taký prekvapujúci, že slávny fyzik W. Pauli, stojaci v rade v bufete, sa po obdržaní tejto správy roztancoval, a neodpustil si výrok: „Newton predpokladal, že Boh musí byť fyzikom, Einstein ho považoval za matematika. Oboje je možné, ale s určitosťou teraz vieme iba to, že je ľavák“.

Prepojiť túto hierarchickú úroveň s úrovňou o stupienok vyššou dokázali S. Weinberg a A. Salam koncom šesťdesiatych rokov zjednotením slabých interakcií s elektromagnetickými, v dôsledku čoho aj tieto sily, ktoré riadia priebeh chemických reakcií, a teda vlastne aj predbiologickú evolúciu, sú tiež disymetrické. Ako ukázali kvantovo-chemické výpočty, práve tie aminokyseliny a cukry, z ktorých je vybudovaná živá príroda, majú nižšiu energiu ako ich zrkadlový dvojníci, v dôsledku prítomnosti chirálneho člena v hamiltoniáne, z ktorého sa počíta ich energia. Majú teda toto, ale i iné selektívne zvýhodnenia, ktoré sú síce veľmi malé, ale pohľad na úžasné vynálezy rastlinnej a živočíšnej ríše v nás utvrdzuje vieru, že príroda ich dokázala vo svojej evolúcii uplatniť.

Zdôvodnení, prečo práve my pred zrkadlom, a nie tí za ním, bolo podaných už viacero. Arbitrom vedeckej pravdy je vždy experiment. V tomto prípade ho nie je ťažké navrhnúť, na jeho výsledok by sme však museli čakať asi sto miliónov rokov.