Model evoluční abiogeneze pro 6. ročník ZŠ

Co říci žákům, aby se s velkou mírou zjednodušení výklad co nejvíce přiblížil modernímu předpokládanému scénáři vzniku a následného vývoje života? Ze 4. + 5. ročníku znají z historie Země, že: „... byla zpočátku velmi horká, neklidná, nehostinná, a že až po vzniku moří panovaly příznivější podmínky pro existenci organismů“. 

V běžných učebnicích je vznik života vysvětlen často jako komiks, s pořadím jednoduché látky – složitější organické sloučeniny – buňka heterotrofní – buňka autotrofní. Vždy se odehrává v „horkých oceánech“, což je však polopravda. Vznik látek nezbytných pro vznik života se odehrával v atmosféře a ve vulkanických oblastech na souši, protože by vodní prostředí vznikající biopolymery disociovalo.

Pro 6. třídu doporučujeme seriál pěti kroků.

Výchozí stav

Země s oceánem, sopkami, horkými prameny a atmosférou bez kyslíku s blesky a dopady asteroidů (4,5–4,0 miliardy let). Dostatek času (stovky milionů let), stálé opakování stejných procesů, až se to jednou „povedlo“. Pokud jednou vznikl živý organismus, už nemohl vzniknout jiný na (i mírně) odlišném základě. 

Proces

Velmi zjednodušená posloupnost procesu vzniku buňky z anorganických látek.

1. V prvotní atmosféře na Zemi byly anorganické látky (voda, amoniak, metan, oxid uhličitý, chyběl kyslík), ve kterých se elektrickými výboji (= blesky) vytvářely jednoduché látky organické. Tyto látky byly nejen v mořích, ale i v horkém prostředí v okolí sopek a při dopadu asteroidů na Zem.

•  Důkazy: Z geologických záznamu je zřejmé, že prvotní atmosféra byla redukční, s vysokým obsahem dusíku, amoniaku, oxidů uhlíku a metanu. Laboratorně bylo potvrzeno, že  v takové atmosféře lze silnými elektrickými výboji a UV zářením vytvořit aminokyseliny, organické kyseliny, cukry a lipidy.

2. Z jednoduchých organických látek (cukry, lipidy, aminokyseliny) se vytvářely látky další, se složitou strukturou. V prostředí o různě vysoké a kolísavé teplotě (60–200 °C, okolí sopek a horkých pramenů) se tyto látky stávaly různorodější, spojovaly se do shluků, oddělených na okolí tenkou (lipidovou) blankou. Vznikly měchýřky na povrchu s blankou a uvnitř s látkou zajištující množení měchýřků. Měchýřek se ocitá ve vodním prostředí. 

•  Důkazy: Z kyseliny mravenčí a amoniaku lze kolísáním vhodných teplot a prostředí (modelově v okolí sopek) vytvořit formamid. Z něj se za vysokých teplot (např. dopad asteroidu) mohou  syntetizovat nukleobáze. Ozařováním protony (simulace slunečního větru) se z formamidu také podařilo syntetizovat nukleosidy adenosin, cytidin a uridin, tedy základní stavební částice RNA. Zdá se, že toto by mohla být snadná cesta k vytvoření RNA, tedy k nastartování situace označované jako Teorie RNA světa. 

3. Některé z těchto látek v měchýřcích (RNA – ribonukleová kyselina) zajišťovaly informaci potřebnou ke zkopírování měchýřku. Tak mohly z jednoho shluku vzniknout shluky 2, pak 4, pak 8, 16 … měchýřky. Zjednodušeně můžeme tyto měchýřky označit za buňky.

4. Někdy došlo k chybě při kopírování a výsledný nový měchýřek (buňka) se odlišoval od původního. Mohl mít lepší vlastnosti (třeba rychlost tvorby dalších měchýřků) nebo mít vlastnosti horší. A soupeřením mezi sebou ty dokonalejší a rychleji se dělící shluky nakonec začaly převládat. Dochází k Darwinovské evoluci, kdy každá nová generace měchýřků (primitivní buňky) se trochu liší od generace předchozí.

•  Důkazy: Darwinovská evoluce předpokládá, že organismy (buňky) mají různou reprodukční úspěšnost, nejsou tedy zcela identické. Tedy ty s větší reprodukční úspěšností časem z prostředí vytlačí ty s menší reprodukční úspěšností. Současně předpokládá genetickou odlišnost po sobě následujících generací. Toto lze aplikovat i na generace se kopírujících měchýřků (= primitivních buněk). 

5. Některé organismy začaly využívat energii světla (slunečního záření = fotosyntézu) a jako odpad produkovaly pro ně jedovatý kyslík.

•  Důkazy: Již nejstarší  fosilní organismy (asi 3,5–3,8 miliardy let) vytvářely stromatolity, tedy útvary, které vytváří fotosyntetizující organizmy. Geologické důkazy ukazují na kolísání hladiny kyslíku v atmosféře před již 2,5 miliardami let, se změnou z původní redukční atmosféry na atmosféru oxidační, i když původní obsah kyslíku v atmosféře byl zpočátku velmi nízký. Nežli zůstal volný kyslík v atmosféře, byl nejprve spotřebováván na oxidaci minerálů (zejména s obsahem Fe) na zemském povrchu a ve vodě.

Konečný stav

Země s oceánem, ve kterém jsou jednoduché jednobuněčné organismy produkující kyslík jako odpadní látku, která se posléze hromadí v atmosféře (před asi 4,0 miliardy let, volný kyslík před asi 2,4 miliardy let).

Proč opustit  představu „horké prapolívky“  prvotních oceánů?

Život podle posledních poznatků nemohl vzniknout v oceánech, ale nejspíše v blízkosti horkých pramenů a sopek, kde byl dostatek látek potřebných ke vzniku života (amoniak, voda, dostatek nerostů, které mohly katalyzovat různé procesy aj.). V mořské vodě byla stálejší teplota a koncentrace látek by nebyla dostatečná. Prvotní buňky potřebovaly vysokou koncentraci Zn, Mn a P, kterou nalézaly v blízkosti horkých pramenů. Některé nerosty, zejména sulfidy (pyrit, sfalerit = vznikají z horkých redukčních roztoků) na povrchu svých krystalů vykazovaly katalytické vlastnosti, které podporovaly vznik membrán, toky energie a určité strukturní uspořádání látek na nich přichycených měchýřcích. Důvodů, pro které nemohl život vzniknout ve vodním prostředí, je více, ale v případě formamidu je to skutečnost, že jeho syntéza se musela odehrávat při teplotách 130–150 °C. Teplota vody 100 °C je pro syntézu nízká a voda se za normálních podmínek mění v páru. Dalším důvodem je skutečnost, že prekurzory RNA jsou ve vodě nestabilní. Při jejich vzniku se uvolňují molekuly vody, což je ve vodním prostředí problém, protože tento proces je reverzibilní. Pokud tyto prekurzory vznikají ve formamidu, tento problém nevzniká. Oligonukleotidy vznikají při teplotě asi 85 °C. Katalytické vlastnosti vzniklé RNA se objevují při teplotách okolo 65 °C. Za těchto podmínek první informační biopolymery, tedy prvotní  RNA, mohly procházet chemickou evolucí ve vodě, která se chová jako rozpouštědlo.

Terminologie

Při výkladu o vzniku života se žáci setkají s řadou nových pojmů. Jejich použití je závislé na učebnici, podle které učitel vede výklad. Některé pojmy (např. koacerváty) jsou na úrovni 6. ročníku nadbytečné, lze je nahradit triviálním názvem měchýřek. Podrobnosti o jiných pojmech, zejména týkajících se názvů chemických látek, se žáci dozvědí v chemii v dalších vyšších ročnících. Při výkladu o vzniku života se těmto pojmům lze jen obtížně vyhnout. V učebnicích se nikde neobjevuje pojem nukleové kyseliny (kromě učebnice Dačák a Sedlářová 2011), kde se pojem nukleových kyselin objevuje u tématu Stavba těl organismů. Zde je v kapitole o chemii života zmíněna i RNA a DNA. Doporučujeme, aby při výkladu o vývoji života, která předchází, byly zmíněny i nukleové kyseliny jako nositelé informace v buňce. Umožňuje to jednoduše vysvětlit nejen rozmnožování prvních buněčných organismů (kopírování RNA do jiné RNA), ale lze pak i jednoduše vysvětlit proměnlivost a Darwinovskou evoluci na základě změn v pořadí dusíkatých bází (viz kapitola hra). 

Nové pojmy, se kterými se žáci 6. ročníku mohou setkat při výkladu o vzniku života:

·         Aminokyseliny

·         Amoniak

·         Anorganické látky

·         Asteroid

·         Fotosyntéza

·         Koacerváty

·         Kosmické záření

·         Lipidy

·         Metan

·         Organické látky

·         Protein

V souvislosti s výkladem o strukturách buňky se žáci mohou setkat s pojmy, které byly v jiném kontextu probírány nebo alespoň zmíněny (opět v závislosti na použité učebnici) v nižších ročnících.

Pojmy, které žáci 6. třídy již měli v nižších ročnících:

·         Bílkoviny – prvouka 3. ročník, téma Potrava člověka

·         Dusík – prvouka 3. ročník, učebnice 4. + 5. ročník, téma Vzduch

·         Kyslík – prvouka 3. ročník, učebnice 4. + 5. ročník, téma Vzduch

·         Oxid uhličitý – prvouka 3. ročník, učebnice 4. + 5. ročník, téma Vzduch

·         Sacharidy (cukry) – prvouka 3. ročník, téma Potrava člověka

·         Tuky – prvouka 3. ročník, téma Potrava člověka

·         Uhlík – přírodověda 5. ročník, téma Nerosty

·         Ultrafialové záření – učebnice 4. + 5. ročník, téma Vzduch

·         Voda – prvouka 3. ročník, učebnice 4. + 5. ročník, průběžně