Petera: Jsem jen jeden článek, bez kolegů bych nic nedokázal

Chce přijít na kloub možným následkům bombardování raných planet asteroidy a kometami. Co četné impakty těles bloudících v mladé Sluneční soustavě znamenaly pro vznik života? Napsal o tom diplomovou práci, která byla tak skvělá, že za ni Lukáš Petera z Přírodovědecké fakulty UK letos v březnu získal prestižní Cenu Wernera von Siemense.

Na úvod našeho setkání v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského se čerstvý laureát Siemensovy ceny jako by skoro omlouval: „Prací, které by si cenu zasloužily, je strašně moc. Vůbec jsem nepřemýšlel nad tím, že by právě ta moje mohla někoho zaujmout.“ Sympatický, skromně vyhlížející mladý vědec se pak ochotně poddal pokynům fotografa, aby následně s notnou dávkou trpělivosti odpověděl magazínu Forum na otázky související s jeho vědeckým bádáním.

Kdybyste měl svou práci s názvem Důsledky éry velkého bombardování pro chemickou a prebiotickou evoluci raného Marsu a Země přiblížit lidem, kteří jen tuší, nebo dítěti, které vůbec netuší, byla by to pohádka nebo spíše horor?

Těžko říct (zamýšlí se). Vznik života na zemi, či jeho možný vznik na jiných kosmických tělesech, je velmi komplexní téma. Abychom se alespoň přiblížili k jeho možnému řešení, je zapotřebí kombinovat dosavadní znalosti z různých vědeckých oborů. Astrobiologie, která se z nejvyšší perspektivy danou problematikou zabývá, je relativně mladé vědecké odvětví a zahrnuje v sobě hned několik vědních oborů. Jde především o astronomii, fyziku, geologii, biologii, anebo „moji“ chemii…

Zdroj: Center for Chemical Evolution 

Představme si vznik a vývoj života – takového jaký známe z naší planety – jako pomyslnou čáru. Na počátku této čáry stojí jednoduché chemické sloučeniny, které se skrze procesy chemické evoluce neustále přetvářejí ve stále složitější a složitější (makro)molekulární struktury, jakými jsou proteiny či nukleové kyseliny DNA a RNA. Vzájemná „spolupráce“ těchto „stavebních bloků“ vede až ke vzniku prvotních buněk. Tyto buňky, jak většina lidí již tuší, se poté skrze procesy biologické evoluce přetvářejí do stále složitějších a složitějších systémů, které v konečném důsledku vedou až ke vzniku tak komplexního organismu – nás – který je schopen klást si otázku svého vlastního původu. Je tedy zřejmé, že není jakkoli možné popsat tento proces znalostmi jednoho vědeckého oboru. Jak roste komplexita systému, je nutné postupně přecházet od pohledu fyzikálně chemického, přes biochemii a molekulární biologii až po biologický popis...

Co je tedy úkolem vás, chemiků?

Zejména studium té první, takzvané prebiotické fáze. Jinými slovy období mezi čistě „neživým“ prostředím a prvním živým chemickým systémem. Prebiotická evoluce se dělí na řadu dílčích kroků. Náš vědecký tým zkoumá její samotný počátek: Jak mohou z jednoduchých molekul – jako jsou třeba amoniak, kyanovodík, oxid uhličitý, formamid – vzniknout základní stavební kameny života? Šlo zřejmě o nukleové báze, nukleotidy či jejich prekurzory, aminokyseliny, cukry a lipidy.

Syntézou základních stavebních kamenů života za podmínek panujících na rané Zemi se vědci zaobírají již desítky let. Teorii chemické abiogeneze, popisující evoluci živých soustav z anorganických látek, publikoval v roce 1924 ruský chemik Alexandr Ivanovič Oparin.  Prvním výrazným pokusem potvrzující tuto teorii, který ukazoval na možný vznik sloučenin v podmínkách panujících na rané Zemi, byl známý Millerův–Ureyův experiment (proveden v roce 1952 a publikován roku 1953 Stanleyem Millerem a Haroldem Ureyem pracujícími na Chicagské univerzitě; schema experimentu vlevo – pozn. red.). Miller si tehdy „namíchal“ modelový systém obsahující redukční atmosféru tvořenou methanem, amoniakem, vodíkem a vodní parou. Nechyběla kapalná voda představující dávný oceán, moře či lagunu. Do aparatury byly zabudovány dvě elektrody, pomocí kterých Miller v dané směsi po několik dní simuloval blesky.  Po pár dnech detekoval papírovou chromatografií, že v aparatuře vznikly jednoduché aminokyseliny. Později bylo zjištěno, že za příhodných podmínek vznikají všechny esenciální aminokyseliny a cukry. A nám se podařilo dokázat, že vlivem impaktu asteroidů rovněž báze RNA. Millerův experiment zkrátka vede ke všem základním stavebním kamenům života...

Ale to už se stalo před téměř sedmdesáti lety…

(s úsměvem) Původní experiment ano, nicméně od té doby došlo k řadě modifikacím a rozšířením zmíněného experimentu. Spíše se hovoří o Millerovských směsích prebiotických chemikálií. Dnes už víme, že tyto sloučeniny mohou v podobných směsích vznikat nejen pomocí blesků, ale také díky UV záření, slunečnímu větru, prostému teplu či plazmatu vzniklému při dopadu asteroidu. Zároveň víme, že vznik těchto sloučenin nemusí být spojen pouze s povrchy planet; mohou vznikat i na prachových zrnech v meziplanetárním prostoru a impakty se dostat na rané planety.

Když se vrátíme opět k naší pomyslné čáře, tak vidíme, že existuje více možných „startů“. Otázkou však zůstává, zda a který z nich byl ten dominantní či zda byla naopak důležitá jejich kombinace. A teď, při znalostech takových možností na startu, si představte, k jakým možnostem asi tak mohlo docházet v následném vývoji…

Vás teda nezajímají blesky, ale tělesa dopadající na povrch?

Přesně tak. My jsme se vydali cestou zkoumání vzniku těchto základních stavebních kamenů života z pohledu vysoce energetické chemie, kterou mohou spouštět právě dopady obrovských těles – asteroidů či komet – na povrch planet. Zajímá nás také, zda mohou tyto sloučeniny vznikat i v pozdějších fázích vývoje impaktních kráterů, když kráter zvětrává a tvůrčí roli zde hraje reziduální impaktní teplo a různé druhy materiálů. 

A ještě k tomu za velkého bombardování…  

Mluvíme o období před 4 miliardami let. Jednak tehdy stále ještě bloudilo ranou Sluneční soustavou velké množství zbytkového materiálu a diskutuje se také, že vlivem posunu oběžných drah vnějších velkých planet proniklo do vnitřní části Sluneční soustavy obrovské množství asteroidů a komet, které doslova bombardovaly povrch kamenných planet Země, Marsu a Venuše. Z tohoto předpokladu, který je však stále předmětem diskuzí, částečně vycházela i moje práce.

Proč vás kromě Země zajímá Mars?

Mars je možné považovat za geologicky „mrtvou“ planetu. Atmosféra je tam asi 160krát řidší než na Zemi a zhruba z 96 procent je tvořena oxidem uhličitým. Teplota na povrchu se pohybuje přibližně mezi -80 °C až +20 °C. Mars postrádá pro pozemský život tolik důležité magnetické pole, které na Zemi působí jako ochranný štít proti nebezpečnému kosmickému záření. Samozřejmě tam také chybí ozonová vrstva, která na Zemi zase působí jako štít proti tvrdšímu UV záření. Těch rozdílů je opravdu mnoho.

Na druhou stranu existuje řada vědeckých publikací potvrzujících, že ne vždy tomu tak bylo. Mars mohl být zhruba před 4 miliardami let Zemi velmi podobný: Atmosféra byla hustší, na povrchu se vyskytovala tekoucí voda či dokonce globální oceán. Existují dokonce náznaky, že Mars mohl mít i magnetické pole. A i když o všechny tyto vlastnosti přišel, pro nás je důležité, že je vůbec měl. (obrázek vpravo pochází z dipomové práce Lukáše Petery – pozn. red.)

Aha. Takže jsou podobné a přece odlišné, že?

Co je pro nás nadmíru důležité, to je desková tektonika. Země je (zatím) jedinou známou planetou, která touto vlastností disponuje. Existují pouze náznaky, že by se mohla vyskytovat i na Jupiterově měsíci, Europě. Zemský povrch je tak rozdělen na několik litosférických desek. V neustálém vzájemném pohybu. Když do sebe okraje dvou desek narazí, může docházet k různým jevům, třeba k tvorbě pohoří či zemětřesení. Jedním z jevů je také subdukce, kdy jedna deska „zajíždí“ pod druhou a materiál, ze kterého je tvořena, se tak postupně v Zemském plášti přetavuje. Naopak na druhé straně desek, kde se desky vzájemně vzdalují, dochází k tvorbě nové Zemské kůry. Zemský povrch se tak neustále „recykluje“.  Sice lze na Zemi nalézt místa, jež obsahují minerály, které jsou starší i více než 4 miliardy let, ale ta jsou jen velmi vzácná. Proto nejsme schopni na Zemi pozorovat stopy impaktních kráterů z éry velkého bombardování a hledat tak stopy dávné prebiotické chemie. Tento koloběh je však zřejmě důležitý pro chemickou stabilitu prostředí.

Mars s marťanskými krátery je tedy pro pozorování výhodnější?

Mars postrádá deskovou tektoniku. I když ve vědecké komunitě stále aktivně probíhá diskuse, zda Mars deskovou tektoniku v minulosti měl či ne, jedno je jisté: povrch Marsu je alespoň ze dvou třetin starší než 3,5 miliardy let a impaktní krátery z období raného Marsu jsou jasně pozorovatelné. 

Impaktní krátery mohly hrát při vzniku a vývoji života na Zemi důležitou roli. Pokud vezmeme v úvahu, že na raném Marsu probíhala stejná chemie jako na rané Zemi, pak následné nehostinné podmínky na Marsu mohly jednak znemožnit vznik života a naopak „zakonzervovat“ stopy dávné prebiotické chemie. Díky tomu mohou marťanské krátery sloužit jako „muzeum“ prebiotické chemie a jejich současné či budoucí výzkumy mohou přinést spoustu zajímavých informací k poznání vzniku života.

Co se týče nás, tak my jsme prostě ti dělníci, kteří v laboratorních podmínkách z neživého materiálu vyrobí sice další neživý, ale tentokrát jde o stavební kameny života. Zkrátka vezmeme směs jednoduchých látek, přidáme minerály, jíly či meteority a střílíme do toho laserem, který simuluje impaktní plazma. Poté už zbývá jen čekat, zda se některé z těchto produktů podaří nalézt i na povrchu Marsu.

(obrázek vlevo – Panel A: Topografie Marsu; Panel B: Kráter Gale se zvýrazněnou oblastí pohybu sondy Curiosity; Panel C: autoportrét sondy Curiosity v Galeově kráteru. Obrázky byly převzaty a upraveny z: astrogeology.usgs.gov, jpl.nasa.gov, nasa.gov. Použito v diplomové práci Lukáše Petery – pozn. red. )

Výzkum zřejmě není zdaleka u konce. Je to tak?

To rozhodně! Dovolím si použít slova pana docenta Lubomíra Rulíška (z katedry fyzikální a makromolekulární chemie PřF UK – pozn. red.), který v rámci předávání cen Wernera von Siemense současnou vědu přirovnal ke kouli, po jejímž povrchu se pohybujeme a čím více toho víme, tím více se koule nafukuje a tím menší oblast vědy jsme tak schopni obsáhnout. Prostě stále nacházíme nová zákoutí a odhalujeme dosud nepoznané. Někdy je potřeba podívat se na věci z jiného úhlu a najít spojitost i mezi vzdálenými tématy.

Osobně bych se nebál toto přirovnání rozšířit: Při cestě za vědeckým poznáním na povrchu této koule skládáte puzzle – dílky jsou různé velikosti a tvarů. Někdy se vám podaří vtlačit je silou, abyste za pár let zjistili, že tam vlastně nepasují. Bohužel, občas řada lidí různé dílky vnímá zcela odlišně: pro jednoho mají odlišnou barvu či tvar než pro druhého. A stejně je to i s tímto výzkumem. Limitující je dostupnost dat z kosmických výzkumů, přitom výsledky z nich jsou pro nás nejdůležitější. Věříme, že naše experimenty jsou s to řadu výsledků těchto měření vysvětlit. Na něco přijdeme, něco vybádáme, ale za pár let – kdo ví, všechno může být úplně jinak.

Nezlobte se, Lukáši, ale já při vašem povídání nabývám dojmu, že si v laboratoři hrajete.

Já to tak beru. (rozesměje se) Věda se nedá dělat na píchačky. Myslím jako v továrně, odkud po směně odejdete a máte „čistou“ hlavu. Z laboratoře, když je třeba, se jen tak neodchází. Velice snadno zde nad experimentem zapomenete na plynoucí čas a jedete domů třeba o půlnoci. Párkrát jsem ověřoval naměřené výsledky až do rána, a pak se šel domů vyspat. Je nutné nad danou problematikou neustále přemýšlet. Samozřejmě musíte umět vypnout, ale mnohdy vás možné řešení problému napadne kdekoli jinde než přímo v práci.

Z jistého úhlu pohledu však věda hra není. Já jsem dosáhl úspěchu, ale ne vždy se bádání podaří: Ne vždy dostanete grant, ne vždy publikujete v prestižním časopise, ne vždy vaše výsledky kolegové i veřejnost pochopí či docení. Je to psychicky náročné a řada lidí právě proto z vědeckého prostředí utekla.

A jako kluk, chtěl jste být kosmonaut?

Samozřejmě, když mi byly tak čtyři, pět. 

Tuším, že to bylo ve druhém semestru prváku, kdy jsem se zapsal do předmětu lasery v chemii, nesmírně mě ten název zaujal. Vyučujícím byl pan profesor Svatopluk Civiš, zakladatel naší laboratoře na Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského a jeden z otců zakladatelů českého výzkumu původu vzniku života (z angl. Origin of Life).

To byl začátek vaší cesty k „chemické astronomii“?

Když jsem se v laboratoři profesora Civiše ocitl, bylo to kouzelné deja vu: Uvědomil jsem si, že jsem zde byl v rámci exkurze už během studí na chemické průmyslovce. Zeptal jsem se ho, jestli by pro mě měli nějaké uplatnění. A tak jsem se dostal k mému školiteli, panu doktoru Martinu Ferusovi, jeho bývalému studentovi a zároveň již tehdejšímu kolegovi. Je to asi pět let, co jsem v Ústavu J. Heyrovského zakotvil napevno. Rád bych podotknul, že kromě kolegů z Ústavu má na mém úspěchu velký podíl i paní docentka Zuzana Bosáková, garantka mého bakalářského a magisterského studia. To ona mi povolila, že se i ve svém oboru mohu zabývat poněkud „exotickým“ tématem (s úsměvem).   

A neláká vás třeba výzkum v NASA?

Samozřejmě, že bych chtěl vidět kus světa, ale o žádné změně momentálně nepřemýšlím. Lidé si často až příliš „vizualizují“ svůj sen. A pak, když se celý život bezmezně za něčím ženou a dosáhnou toho, zjistí, že jim vysněný cíl nepřináší očekávaný požitek. Vysněný cíl může být tak těžko dosažitelný, že vám k jeho dosažení ani celý život nestačí. Při těchto mnohdy zaslepených honbách uniká lidem ta nejfundamentálnější podstata lidského konání: cílem je sama cesta a nikoli její konec. Připouštím, může to znít jako ohrané klišé, ale sami se zamysleme nad tím, zda skutečně nejsme jen otroky svého snu.

Já se snažím být rád tam, kde zrovna jsem a být vděčný za to, co jsem dokázal; třeba i za úspěšné dokončení školy. Zda se ještě za deset let budu zabývat tématem vzniku života, nebo budu pracovat v jiné laboratoři na jiném výzkumu či zda budu na Novém Zélandu stříhat ovce, je otázka budoucnosti. Počkám si na vše, co přijde.

Čím si, podle vás, vaše diplomová práce získala úspěch?   

Rozhodně šlo o přitažlivé téma. Musíme si uvědomit, že pokud se člověk-vědec věnuje oblasti laikům ne příliš přitažlivé, moc velkého uznání se od veřejnosti nedočká. Na druhou stranu, je nutné si uvědomit, že právě tato, pro laickou veřejnost méně zajímavá, fundamentální, vědecká odvětví, jsou pro ostatní vědce velmi podstatná. Přináší nám základní data a „servírují“ základy pro další bádání. Vědecká komunita ji zkrátka dokáže ocenit.

V našem multidisciplinárním oboru je nádherné, jak se vše vzájemně prolíná a člověk zjišťuje, že jedno bez druhého nefunguje. Už když jsem nastoupil na fakultu, tak jsme se se spolužáky dohadovali: je víc cool studovat fyziku nebo chemii, nebo je chemie lepší než biologie? Když už na chemii jste, tak se přete, zda je lepší chemie anorganická či organická nebo fyzikální. Ze své současné perspetivy na Ústavu docházím k jedinému možnému: vše souvisí se vším.

Chtěl jsem tím říct, že diplomovou práci jsem sice napsal, experimenty realizoval, ale těžko bych cokoli v životě dokázal bez svých kolegů a spolupráce s lidmi „venku“, mimo naši laboratoř. Třeba kolegové z Mendelovy univerzity v Brně nám poskytují analýzy, spolupracujeme i s Hvězdárnou ve Valašském Meziříčí, díky níž můžeme pozorovat emisní spektra meteorů, nebo i s teoretickými vědci z University of Cambridge, kteří se zabývají modelováním planetárních atmosfér. Já jsem opravdu jen jeden článek.