Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 52 (vyšlo 19. prosince), ročník 6 (2008) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

52/2008

Živá hmota ve vesmíru?

Martin Zeman

Možná nás samotné někdy udivuje, jak jednoduše odlišujeme živé od neživého. Jsme schopni rezolutně rozhodnout, že židle, na které právě sedíme, je neživá. Stejně jednoznačně mouchu považujeme za živý organismus. Právě proto snad veškeré pokusy o nalezení té nejuniversálnější definice života selhaly.

V. N. Tsytovich z fyzikálního ústavu Ruské akademie věd v Moskvě a jeho spolupracovníci z Institutu Maxe PlanckaMPI – Max Planck Institute, největší vědecký ústav v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech. a Univerzity v Sydney se nám rozhodli úvahu ještě ztížit. V srpnu 2007 publikovali výsledky numerických simulací chování zrn neorganických materiálů v plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách., ve kterém zpozorovali prvky připomínající chování živých organismů. V abstraktu článku uvádějí: „Vyvozujeme, že komplexní autonomní plazmatické struktury vykazují, za podmínek, které jim umožňují přirozený vývoj, všechny vlastnosti nutné k tomu, abychom je klasifikovali jako hmotu živou.“ [1].

Jak definovat co je živé?

Obecně lze živou hmotu definovat jako autonomní (z řeckého nomos – zákon; a autos – sám, samostatný) systém s následujícími vlastnostmi (tyto vlastnosti však nepřisuzujeme například virům nebo samotným DNA řetězcům, které považujeme za základní stavební kámen živé hmoty.):

Uspořádané struktury v plazmatu

Výsledky výzkumu ukazují, že anorganická hmota se ve složitějších plazmatických systémech sama organizuje do stabilních symetrických struktur. Děje se tak díky makroskopickým tokům a vzájemnému stínění částic v plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách.. Vzniklé útvary jsou pohromadě udržovány elektrostatickými silami, rychlost pohybu částic je tlumena třením.

1. Autopoiéze

Kromě vnitřní uspořádanosti mají struktury v plazmatu i schopnost reprodukce a takové termodynamické vlastnosti, které doposud byly přisuzovány jen živým organismům. Za přesně daných počátečních podmínek mohou vznikat struktury sférické, v ostatních případech je pravděpodobnější vznik struktur cylindrických či helikálních (ve tvaru šroubovice). Uspořádané struktury mají pevné hranice a jsou od sebe separovány prázdnými místy. Tento jev byl pozorován jak v laboratořích tak v experimentech s mikrogravitací na ISSISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. ISS je neustále ve stavbě a potýká se s finančními problémy na ruské i americké straně. V roce 2008 byl k ISS připojen Evropský výzkumný modul Columbus. [5].

Obr. 1. Simulace vývoje sféricky symetrické uzavřené struktury v plazmatu: (a) je počáteční stav systému v čase t = 0; stav (b) odpovídá času t = 0,3 s a stav (c) času t = 3 s. Barva částic na obrázku odpovídá jejich rychlostem a roste od modré k červené [1].

V přírodě není nic ideálně symetrické, proto má největší pravděpodobnost vznik helikální struktury. Lze ukázat, že helikální struktury mají v mnoha situacích minimální energii. Simulace rovněž ukazují, že jakékoliv cylindricky symetrické útvary v čase konvergují k helikální struktuře. Velmi podobně se chovají živé organismy, které jsou schopny udržovat komplexní strukturu jen za určitých podmínek, v opačném případě se rozpadají.

2. Homeostáze

Dvojité šroubovité struktury byly hlavním objektem zájmu vědců právě pro svoji enormní podobnost s DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. řetězci. Jednou z jejich specifických vlastností je bifurkaceBifurkace – výběr jedné z více možností. K typické bifurkaci dochází v systému s několika základními stavy. Za nízké teploty dojde ke spontánnímu narušení symetrie a systém si „vybere“ jeden z dostupných základních stavů., schopnost přecházet mezi několika rovnovážnými stavy, tedy různými geometrickými parametry šroubovice. Helikální struktury mohou uchovávat informaci, jelikož jedna struktura se může nacházet v různých stavech. Tyto stavy jsou stabilní a udržované elektrostatickými silami a prouděním částic (přítok/odtok).

Obr. 2. Helikální struktury v plazmatu [1].

3. Reprodukce

Proces je naznačen na následujícím obrázku, body (c) a (d). Jakákoliv bifurkaceBifurkace – výběr jedné z více možností. K typické bifurkaci dochází v systému s několika základními stavy. Za nízké teploty dojde ke spontánnímu narušení symetrie a systém si „vybere“ jeden z dostupných základních stavů. v helikální struktuře vyvolá změnu proudění, která vytvoří pár válcovitých vírů (a), (b) v okolí šroubovice. Rotace horní části víru je po směru hodinových ručiček, je-li helikální struktura nabita záporně. Rotace dolní části víru je vždy opačná. Představme si jinou šroubovici bez bifurkace, která se dostane do blízkosti vírů. Vystaví se tak změnám proudění částic a změnám elektrického pole, které nakonec vytvoří totožnou bifurkaci v této struktuře. Dochází tak k přenosu informace (v podobě zmíněné bifurkace) a vytvoření identické kopie původní struktury. Jedná se tedy o replikaci.

Jak se ukázalo, přítomnost plazmatických vírů je nutnou podmínkou reprodukce. Evoluce systému se urychluje s přibývajícím počtem vírů a replikovaných struktur. Různé bifurkace mezi sebou bojují o „teritorium“ právě díky jejich vlivu na okolní prostředí (to lze interpretovat jako „boj o potravu“). Větší změny v průměru a úhlu natočení šroubovice produkují v okolí silnější víry.

Obr. 3. Replikace helikálních struktur [1].

Experimenty a pozorování

První experimentální pozorování uspořádaných struktur v plazmatu (viz obrázek 1a) bylo provedeno při zkoumání stejnosměrných elektrických výbojů v chlazených plynech [3], viz obrázek 2a. Na obrázku je zřetelně vidět „červ“ dlouhý přes 5 mm (souřadnice x je v milimetrech).

Teorie předpovídá, že obdobné struktury bychom měli být schopni pozorovat ve vesmíru v plazmatu smíchaném s mezihvězdným prachem (v tzv. prachovém plazmatu). Kolektivní oscilace organizovaných struktur ovlivní infračervené spektrum prachového plazmatu.

Snahy o vysvětlení původu života na ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. naráží na problém, že v použitých modelech je pro spontánní vznik tak složitých struktur, jaké lze pozorovat v naší biosféře, potřeba mnohem více času, než Země skutečně měla k dispozici (4,5 miliardy let zkrátka nepostačí!). Možná lze vysvětlení hledat právě u anorganických struktur jaké simuloval tým V. N. Tsytoviche. Podobné podmínky na povrchu planety dokáží vytvořit například blesky při bouřkách. Další možností je vznik samoorganizovaných struktur v molekulárních mračnech, kde hvězdy a planety vznikají, a jejich sekundární zanesení na povrch planet. Ať probíhal vznik života jakoukoliv cestou, simulace a experimenty jevů probíhajících v prachovém plazmatu nám ukazují, že život může mít vedle biopolymerů a počítačových programů [10] ještě další rozměr.

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu