Sedm pilířů života

Vratislav Schreiber

29.10.2002

Pokusy o definici života

Každý ví, co je živé nebo neživé, ale definice života je problém docela obtížný, pokud nemá být tautologií, vyjádřením téhož pojmu synonymními výrazy, tedy výrazy už ten původní pojem obsahujícími (z řečtiny tauto = totéž, logos = slovo). V tautologii se dokazuje "totéž týmž" a je to pojem z výrokové logiky. Jestliže se tedy v naší velké encyklopedii "Universum" /1/ začíná heslo "život" větou, že život je komplexní soubor vzájemně závislých dějů, který je vázán na organismy, tak tautologie je v "organismech - živých stvořeních". Je třeba proto definici dále upřesňovat: o uspořádanost struktur, dynamičnost, růst a rozmnožování, vývoj... Z celku pak každý co je život pochopí, jednoduchá definice to však není.

Jednoduchou definicí není ani článek Daniela E. Koshlanda Jr. /2/, který byl dlouholetým hlavním redaktorem americké Science a jehož úvodníky v tomto prestižním mezioborovém časopise po mnoho let poutaly naši pozornost. Koshland hned na začátku říká, že definice života není snadná. Je enzym - provádějící metabolickou reakci - živý? Asi ne - reakci provádí jen ve zkumavce a sám od sebe se nemnoží. Je virus živý? To už spíše, až na to, že k svému rozmnožování virus potřebuje živou buňku - v těle živočicha nebo jen v buněčné kultuře in vitro. Buňka už ovšem živá je a splňuje uvedenou uspořádanost, dynamičnost, růst, rozmnožování a vývoj. Koshland cituje diskusi, ve které se za základní charakteristiku života prohlašovalo rozmnožování, ale ani to není přesné. Párek králíků (samice a samec) v tomto ohledu je živý, ale samotná samice či samec by nebyli... Z toho plyne, že není žádná jednoduchá definice života. A tak Koshland navrhuje definici složitější: "živý organismus je organizovaná jednotka, která může provádět metabolické reakce (přeměnu látek), bránit se proti poškozením, reagovat na podněty a být přinejmenším partnerem při rozmnožování." Ani z této definice Koshland není šťastný, a tak se zamyslel nad tím, co vlastně je pilíři života, základními charakteristikami, a našel jich sedm. Za pilíře považuje základní principy termodynamické a kinetické, kterými se živí tvorové vyznačují. Mluví ovšem o životě na Zemi a připouští, že jinde ve vesmíru by život mohl vypadat jinak.

Prvý pilíř: program

(Prvý odstavec u každého "pilíře" je shrnutí Koshlandova článku, druhý pak komentář autora tohoto referátu.)

Programem je organizovaný plán určující jak složky živého stvoření, tak jejich vzájemné působení, přetrvávající v čase. Program pozemských stvoření je dán genomem, souborem deoxyribonukleových kyselin (DNA) a jeho složky - geny - kódují (určují) jak jednotlivé složky, tak jejich vzájemné působení. Program živých stvoření se kopíruje při přechodu z jedné generace na druhou (replikuje, zdvojuje) a zůstává trvale zachován ve všech následných generacích, i když v něm mohou nastávat změny (mutace). Geny tedy kódují, určují, vše ostatní: chemické složky jako jsou bílkoviny, nukleové kyseliny a vše, co v živém organismu provádí chemické reakce. V DNA je tento program shrnut a udržuje se po celou dobu života druhu na Zemi.

Tento prvobytný plán je jádrem všeho, i mnoha současných problémů bioetických i jiných. Nikdo nemůže mít námitky proti identickému programu u jednovaječných dvojčat, která se vyvinula z jedné prvotní oplodněné vaječné buňky, ale také každý cítí, že umělé vytváření jedinců s identickým programem (klonování) je přinejmenším pochybené.

Druhý pilíř: improvizace

Živé stvoření žije v prostředí, do kterého se narodilo, a je jeho jen nevýznamnou složkou: nemůže ovlivňovat změny a hrozby ze svého prostředí, a tak na tyto změny musí reagovat, musí umět změnit svůj prvopočáteční program. Když se například teplé období na Zemi změní v dobu ledovou, musí si k přežití organismy přeměnit své programy. Život na Zemi se tak udržuje změnami původního programu - mutacemi (změnami v genetickém kódu) a selekcí (Darwinovým přirozeným výběrem nejschopnějších), umožňujícími čelit změnám prostředí.

Člověk na Zemi ovšem také životní prostředí sám mění, svou činností například vytváří skleníkové plyny, a to už od dob zapálení prvých ohňů. Už svým pouhým množením a též pěstováním rostlin a živočichů pro svou obživu výrazně mění prostředí, do kterého byl biologicky původně "naprogramován". Můžeme si položit otázku, jak mnoho je schopen jeho genom improvizovat - jsou-li vůbec možnosti se improvizací přizpůsobit rozvoji automobilismu (a zmnožení výfukových plynů), jakož i nesčetným jiným fenoménům - včetně následků globalizace.

Třetí pilíř: kompartmentalizace (rozdělení do oddílů)

Všechny děje v živých organismech probíhají v tzv. kompartmentech, oddílech, oddělených membránami. Látky mohou přecházet přes tyto membrány, ale membrány též si "vybírají" a mohou tak bránit přechodu látek nežádoucích nebo jedovatých. Kompartmenty jsou uvnitř buněk, pak samy buňky jsou kompartmenty a nakonec i orgány, shluky buněk se specializovanou funkcí jsou v živých tělech výkonnými strukturami s integrovanou funkcí. Kompartmentalizace tak zajišťuje správný směr chodu chemických reakcí i jejich intenzitu, zajišťuje správnou koncentraci reagujících látek. I sama vážná změna koncentrace látek - třeba i vody - buňku zabíjí. Kompartmentalizace nitra buněk - buněčné organely se svými membránami - i buněk celých a orgánů je rovněž nezbytná pro zajištění ochrany buněk před vlivy z prostředí.

Základní roli při kompartmentalizace hraje organizovaný přechod látek přes rozhraní, přes membrány. Ten je zajištěn několika druhy bílkovinných sloučenin. Jsou to receptory, které na membráně vychytávají účinné látky - působky, hormony, a protože receptory procházejí membránami, jsou schopny podnět ze zachyceného působku předat dovnitř kompartmentu nebo do celé buňky. Dále jsou to kanály, jakési aktivní póry v membránách, které zajišťují nebo znemožňují průchod látek membránami, zejména to platí pro životně důležité ionty minerální, jako je sodík, draslík a vápník. Vskutku pak vstup takových iontů do buněk je p5íčinou významných fyziologických reakcí - stahu svalových buněk, jejich relaxace, podráždění nebo útlumu nervových buněk. Konečně jsou to transportéry, které specificky transportují živiny do buněk - typickým případem jsou transportéry pro krevní cukr, glukózu, které pod vlivem slinivkového hormonu inzulinu transportují glukózu do buněk pro jejich výživu, přísun energie. Porucha aktivace těchto transportérů inzulinem vede k cukrovce II. typu.

Čtvrtý pilíř: pohyb energie (metabolismus)

Základní charakteristikou živých systémů je rovnováha v rozložení chemických látek v těle, která však je dynamická a stále se mění. Je to otevřený systém metabolismu, přeměny látek. Většina chemických reakcí nastává uvnitř buněk a k jejich průběhu je zapotřebí trvalého přísunu kyslíku, různých iontů, katalyzátorů. Některé látky do živých organismů přicházejí i z prostředí zevního - kyslík u živočichů, oxid uhličitý u rostlin. Přes všechny membrány, kompartmenty a ohraničení jde o systém otevřený a potřebující energii. Tak jako ve všech přírodních (živých i neživých) část energie končí jako teplo, i živé organismy mají entropii. Pro tyto ztráty energie ve formě tepla potřebuje organismus stálý přísun zdrojů energie. Recykluje se energie ze slunečního záření, z fotosyntézy rostlin, tvořících z vody a oxidu uhličitého cukry. To je vskutku základní pilíř života, jak je známe na Zemi.

Koshland v tomto čtvrtém pilíři života, pojednávajícím o energii, se vůbec nezmiňuje o hlavním způsobu výdeje energie u vyšších živočichů včetně člověka: o svalové práci a pohybu. Na rozdíl od tvorby tepla při jiných fyziologických reakcích je tu výdej tepla mnohem vyšší a tedy i vyšší entropie. Spotřeba energie na svalovou práci a přidružený výdej tepla jsou u člověka významnými faktory při určování tělesné hmotnosti, a tak intenzívní cvičení (běh, aerobic) patří k hlavním složkám "odtučňovacích kůr". Odedávna je snem obezitologů najít způsob, jak zvýšit výdej tepla bez velké fyzické námahy (protože lidé jsou líní), ale dosud se to nepodařilo, alespoň nikoli bez nebezpečných vedlejších účinků. Hormon štítné žlázy, thyroxin, výrazně zvyšuje tvorbu tepla a vede k zhubnutí při nemoci Basedowově, jeho podávání jen za účelem hubnutí se sice zkoušelo, ale neosvědčilo: hrozí riziko poškození srdce. Thyroxin je jeden z mála hormonů, u kterých nebyl sestrojen chemický analog s omezenými - a jen žádoucími účinky: tedy jen účinkem na zvyšování tvorby tepla a tak vedoucím k hubnutí. Jiné farmakologické postupy (efedrin, kofein) se opatrně zkoušejí, ale nejsou bez rizika. Kupodivu, pokud vím, nikdo nezkoušel kyselinu acetylosalicylovou (aspirin, Acylpyrin) - ta nepochybně zvyšuje výdej tepla kůží, a proto se jí léčí horečka, ale asi by se musely podávat velké dávky a nebylo by to bez rizika.

Pátý pilíř: regenerace

Při všech tělesných pochodech se systémy opotřebovávají, ztrácí se energie a je třeba kompenzovat opotřebení i ztráty - k tomu slouží regenerace. Složky tělesných systémů - tkání a orgánů - se neustále opotřebovávají ("wear and tear") a musí být neustále obnovovány, resyntézovány. Vezměte jen lidské srdce: žádný umělý systém ("umělé srdce") by nebyl schopen jeho výkonu: bije 60x za minutu, 3.600x za hodinu, 31.536.000x za rok, 2.207.520.000x za průměrný život člověka. Neunaví se, pokud neonemocní a jeho materiální složky se s věkem nemění. To je proto, že se neustále obnovují jeho svalové proteiny, vyvolávající srdeční stahy. Podobně jsou trvale nahrazovány proteinové složky jiných orgánů - ledvin, plic i mozku. Tento proces obnovování není ovšem zcela dokonalý a následkem je to, co obecně zahrnujeme pod stárnutí. A tak podle Koshlanda vymyslely živé systémy nový trik: aby se předešlo tomuto stařeckému úpadku, vytváří se v zájmu zachování druhu noví jedinci, zkrátka systém se rozmnožuje. Je to jedno, zda jde o rozdělení jedné bakterie na dvě nebo spojení dvou lidí s potomkem. To dítě začíná od začátku a jeho systémy jsou mladé, opotřebením nedotčené - tedy až do doby, kdy začne stárnout.

Koshland tak zařadil rozmnožování - mnohdy uváděné jako základní charakteristika života - k regeneraci, v tomto případě k udržení druhu. Otázky regenerace jsou však středem zájmu i pokud jde o opotřebení a stárnutí lidského jedince: pravidla životního stylu, složení stravy, tělesné aktivity - to vše jsou "omlazovací" prostředky. Základní složkou je nahrazování opotřebených bílkovinných složek, ale nověji se ukazuje něco, o čem se desetiletí pochybovalo: i srdeční buňky jsou schopny regenerace v tom smyslu, že se staré nahrazují novými. Stejně je tomu u mozku: i regenerace mozkových buněk a jejich synapsí je zřejmě tím, co oddaluje stárnutí lidského mozku včetně jeho obtížných následků - například demencí typu Alzheimerovy nemoci nebo pohybových poruch u nemoci Parkinsonovy. A tak se rýsuje nová cesta k povzbuzení regenerace orgánů a prevenci nebo dokonce léčení degenerativních nemocí stáří: u mozku je to nepochybně udržování v aktivitě, u mozku i jiných tkání snad i náhrada chátrajících starých buněk novými, odvozenými od kmenových buněk - to jsou multipotentní buňky kostní dřeně, které lze chemickými podněty přimět k diferenciaci v buňky specializované - třeba srdce nebo mozku. A tak třeba zanedlouho budeme k regeneraci u stárnoucích jedinců schopni přispět novými postupy. Dokonce snad - s etickými otázkami - i k regeneraci lidského druhu, ovšemže klonováním.

Šestý pilíř: schopnost adaptace (přizpůsobení)

To navazuje na druhý pilíř - improvizaci. I improvizace je jistou formou adaptace - dokonce dlouhodobé, druhové. Improvizace je však pro akutní nebezpečí z prostředí pomalá - přirozeným výběrem zajišťuje v lepším případě jen přežití druhu, nikoli jedince. Adaptační reakce jedince musí být rychlé, okamžité. A tak bolest je jedním z adaptačních mechanismů - vede člověka k úniku nebo vyhnutí se poškození. Hlad je jinou formou: brání zchátrání z nedostatku živin. Má však zpětnou vazbu a ta má bránit přejídání. Chodíme-li bosi, odřeme si nohy, a tak se lidé adaptovali - vynalezli boty. Tyto triviální příklady jsou jen ukázkou, v podstatě je to vše hlubší a chemicko-biologické. Adaptabilita je ovšem v podstatě závislá na pilíři číslo dva - na tom, zda geny nám dávají schopnost třeba vynalézt ty boty.

Když se řekne adaptace, tak fyziologům přijde na mysl stres. To je současně soubor zevních nebo vnitřních (duševních) vlivů ohrožujících pohodu člověka i soubor reakcí na takové vlivy (stresory). Když stres působí na člověka opakovaně nebo dlouhodobě a nepřesáhne jistou intenzitu, člověk se na něj adaptuje, Selye /3/ to nazval adaptačním syndromem. Ve stavu adaptačního syndromu žijeme všichni stále a čelit stresu nám pomáhají "stresové" endokrinní žlázy, pro akutní reakce dřeň nadledvin s hormony adrenalinem a noradrenalinem a pro chronické reakce kůra nadledvin s hlavním stresovým hormonem kortizolem, jehož sekrece je řízena mozkem přes podvěsek mozkový, hypofýzu, zdroj kortikotropního hormonu, ACTH, zvyšujícího sekreci kortizolu. Schopnost čelení stresu je silně individuální a nepochybně geneticky předurčená, takže spadá i pod ten druhý pilíř - improvizaci. Koshland tyto otázky zcela ponechává stranou, i když pro lidi při neustále v novém tisíciletí stoupajícími stresy (konflikty, xenofobie, zločinnost, násilí ve školách) by schopnost čelení stresu nebo ještě lépe jeho předcházení či zamezení bylo nejlepším řešením. Ale jak? To jsou otázky pro politiky, církve, sociology, policii a z lékařů především pro psychiatry.

Sedmý pilíř: ohraničenost

Anglicky tomu Koshland říká "seclusion" a přeložit by se to dalo i jako izolace. Koshland tím rozumí soukromí v sociálním životě našeho světa. Na biochemické úrovni je to zajištěno výlučností, specificitou enzymových chemických reakcí (každý enzym se stará jen o jednu chemickou reakci) - lze to přirovnat k izolaci elektrických vedení. Taková ohraničenost není absolutní, ale jistý její stupeň je pro fungování života nezbytný. Současně v těle probíhají tisíce reakcí, ale svou ohraničeností každá slouží jen svému predeterminovanému účelu. Může se ovšem stát, že se tato ohraničenost (izolace, "seclusion") naruší a pak ovšem přichází nemoc. Tak je tomu běžně při endokrinních a metabolických poruchách. Hladina hormonů štítné žlázy je složitými mechanismy udržována v normě - když se ale tato izolovanost její regulace naruší, vzniká nemoc. Stejně kortizol v normálních hladinách a zvýšení jich při stresu slouží čelení stresu, když však se secernuje nadměrně - vzniká nemoc. Nádory jsou toho nejčastější příčinou a nádory vůbec jsou nejčastějším příkladem narušení takové užitečné ohraničenosti v těle.

Koshland v závěru svého přehledu o sedmi pilířích života navrhuje jméno pro řeckou bohyni života, PICERAS (z anglických názvů těch sedmi pilířů: Program, Improvisation, Compartmentalisation, Energy, Regeneration, Adaptibility, Seclusion). Pochybuji, že by se staré řecké bohyni takové jméno líbilo. Je ale pozoruhodné, jak ještě dnes může být snaha o definici života obtížná a její formulace složitá.

Literatura
1UniversumVšeobecná encyklopedie, 10 svazkůOdeon Praha 2001
2Koshland D.E. Jr. The seven pillars of lifeScience 295:2215-22162002
3Selye H. A syndrome produced by diverse nocuous agentsNature 138: 321936