Životní formy, cizí biochemie

Cizí biochemie

Tomáš Petrásek, 2005

Uhlíkové variace

Pozemský život je tvořen prvky C,H,O,N,S,P. Jeho složení není náhodné, jedná se o prvky velice hojné, jsou mezi nimi ty vůbec nejhojnější v kosmu (vyjma helia). Všechny tyto prvky se podílejí na strukturách našeho těla, ale zdaleka ne na všech stejným dílem.

Zjednodušeně se říká, že pozemský život je založen na uhlíku. Je to sice víceméně pravda, ale bez svých chemických spoluhráčů by si uhlík „ani neškrtnul“. Dusík je obsažen zejména v bílkovinách, kde se objevuje i síra. Fosfor je životně důležitou složkou nukleových kyselin, ale také mnoha přenašečů, mezi jinými třeba ATP.

Naší základní stavební látkou i složkou enzymů jsou bílkoviny složené z aminokyselin. Z mnoha různých aminokyselin, které se objevují v meteoritech nebo které lze připravit synteticky, obsahujeme pouze dvacet, a navíc jen v takzvané levotočivé formě. Zdá se, že jde o prostou náhodu, že se v prvním organismu vyskytly právě tyto a ne jiné. Jiní tvorové mohou obsahovat jiné aminokyseliny, navíc třeba s opačnou točivostí. V tom případě by byly formy života z různých planet pro sebe navzájem nestravitelné a případný masožravý mimozemšťan spolknuvší nešťastného kosmonauta by si asi moc nepomohl.

Kromě toho různé bílkoviny, ačkoli obsahují pouze těchto dvacet stavebních jednotek, se od sebe velmi liší. Jak by se asi lišily bílkoviny, které by měly zcela jiné aminokyseliny? Nemluvě o nebílkovinném životě…

Základem dědičnosti, potažmo i života jsou nukleové kyseliny, zejména DNA, skládající se z řady jednotek tvořených fosfátem, deoxyribózou a jednou ze čtyř basí – adeninem, guaninem, thyminem nebo cytosinem. Dovedeme si představit i život na bázi RNA, což je velmi podobná molekula, pouze má jeden kyslík v každé jednotce navíc a poněkud rychleji mutuje. Vzpomeňme si na viry, které jsou zčásti tvořeny RNA, a které vytváří nové mutace třeba každý rok.

Je ale možné si představit nějakou odlišnou nukleovou kyselinu, třeba s jinými basemi, která by kódovala jiné bílkoviny. Nebo nějakou jinou polymerní strukturu, která by měla podobné vlastnosti. To, že žádnou jinou ještě neznáme, není žádný div. Kdybychom DNA neměli ve vlastních tělech a úplně všude kolem, nikdy by nikdo nevěřil, že by něco takového mohlo existovat, natož ještě dokonale fungovat.

Kromě toho jsou samozřejmě možné i zcela odlišné biologie, i když založené také na uhlíku, vodíku, dusíku atd. jako my. Pokud by mimozemšťané žili místo ve vodě třeba v etanu, byly by základem jejich těl látky rozpustné v nepolárních rozpouštědlech - tedy „mastné.“ Nezbytně by se musely chemicky lišit i bytosti žijící namísto vody v amoniaku, který je pro nás žíravý. Ovšem tyto rozdíly nemusejí nutně být příliš velké – i některé naše pozemské proteiny mohou existovat jak v zásaditém roztoku amoniaku, tak i v silných kyselinách. Více o podmínkách, při nichž mohou existovat oceány exotických sloučenin, a také o životě v nich možném, viz Životodárné kapaliny.

Silany a silikony

 

My jsme tvořeni hlavně z uhlíku, který je základní kostrou organických molekul. Není to náhoda - má totiž schopnost tvořit složité a relativně stálé molekuly, každý jeho atom vytváří čtyři vazby, může tvořit vazby dvojné, trojné apod.

Známe – li periodický zákon, podle nějž se navzájem podobají prvky ležící pod sebou v periodické tabulce, nemůžeme si nevšimnout křemíku. Ten leží přesně pod uhlíkem a je značně hojný. Proč tedy prostě nezaměnit uhlík křemíkem – a mimozemšťan je na světě!

Na první pohled to funguje. Stejně jako uhlík tvoří uhlovodíky, čili alkany, (nejjednoduší metan CH4), tvoří křemík silany (nejjednodušší z nich je monosilan, SiH4).

Ovšem už při bližším přezkoumání se ukáže, že jeho sloučeniny s vodíkem jsou velmi nestabilní, ba dokonce samovznítitelné, což je značně odlišuje od uhlovodíků. Mohly by existovat jen v prostředí chladném a zcela netečném, bez obsahu vody nebo kyslíku (i chemicky vázaného kyslíku!), a to je obtížně splnitelná podmínka.

Kromě toho se zdá, že křemičité sloučeniny prostě nemohou ani v laboratorních podmínkách dosáhnout vyššího stupně složitosti, takže existence křemíkových enzymů nebo DNA je vyloučena. Kupříkladu bylo dokázáno, že křemík nemůže tvořit stabilní násobné vazby ani cykly - a je opravdu těžké si představit život bez tak základních struktur.

A poslední hřebík do rakve pro křemíkové bytosti – obdobou dýchání by místo plynu oxidu uhličitého vznikal oxid křemičitý, což je křemen. Recyklace nebo i jen vylučování této chemicky stabilní a nerozpustné sloučeniny by dalo křemíkovým bytostem zabrat. Jediným myslitelným rozpouštědlem křemene je kyselina fluorovodíková, ale ta je sama o sobě v přirozených podmínkách velmi vzácná.

 

Vazby Si-Si jsou tedy obecně velmi nestabilní a asi k ničemu. Ovšem spojení Si-O-Si je jiné. Tím mohou vzniknout stabilní polymery, zvané silikony. Ty ale obvykle obsahují také uhlík, takže bytost na nich založená je přinejlepším křemíko - uhlíkový hybrid. Navíc se  silany, ani silikony nikde ve známém vesmíru přirozeně nevyskytují - vědci je hledali v kometách, v atmosférách obrů a v mezihvězdném prostoru, ale bezvýsledně. I kdyby se někde našly, jen těžko jich bude dost na to, aby z nich vznikl život. Křemík, ať se nám to líbí nebo ne, zkrátka tíhne spíše ke křemeni a jiným „kamenům“ než k měkkým a slizkým sloučeninám, vhodným ke vzniku života.

Nicméně za určitých podmínek by živá hmota z cizí planety mohla obsahovat vyšší podíl křemíku. Pozemské rozsivky si tak například budují křemenné schránky. V silně kyselých prostředích (H2SO4) či naopak v roztocích čpavku jsou sloučeniny křemíku rozpustnější a mohou tak být biologicky využívány častěji, třeba nejen v podobě schránek, ale i součásti „živých“ molekul v podobě organokřemičitých sloučenin (vazby Si-O-Si, Si-C, Si-O-C) např. organosilanů, nebo zmíněných silikonů. To sice není křemíkový život v pravém smyslu slova, ale má to k němu asi nejblíže z pravděpodobnějších představ.

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/S/siliconlife.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_chauvinism

 

Křemičitany

Vyskytují se i spekulace o životě na bázi křemičitanů, který by fungoval za teplot, při nichž jsou kyslíkaté sloučeniny křemíku („skály“) tekuté, tedy v rozmezí 700-2000°C. Jeho základními strukturními složkami by byly namísto našeho uhlíku a vodíku křemík a kyslík, doplněné prvky jako je např. Al, Fe, Mg, K, Na, Ca, H, C, S a další. Podobně jako v silikonech, i zde je základem vazba Si-O-Si-O, ovšem vzniká uspořádání ve tvaru čtyřstěnů. Tyto základní jednotky se dále spojují do řetězců, dvojřetězců, cyklů, ploch a zesíťovaných struktur. Substituce křemíku a kyslíku dalšími atomy variabilitu ještě zvyšuje.

Pro nás jsou křemičitany pevnými minerály, jen jejich malá část je alespoň rozpustná ve vodě, ale nelze jim upřít status nejsložitějších anorganických sloučenin.

Roztoky křemičitanů (vodní sklo) jsou v přírodě neobvyklé, to se ale nedá říci o tavenině – lávě. V ní by snad mohly v molekulách křemičitanů a jejich derivátů probíhat složité reakce a tak vzniknout život.

Na planetách, kde existují jezera roztavených hornin, ať už z důvodu sopečné činnosti či enormní blízkosti hvězdy, by tedy mohly existovat bytosti s „lávou v krvi.“ Vhodné prostředí by nalezly třeba na planetě 51 Pegasi (pokud má horninový povrch) či 55 Cancri e, nebo, nechoďme daleko, snad i na Venuši.

Ovšem jednak je těžké si takový život aspoň představit, a jednak, i kdyby přece existoval, stejně jej asi nenalezneme - jak hledat, neřkuli studovat nějaké „breberky“ žijící ve hmotě o teplotě lávy?

A tak křemičitanové bytosti zůstávají výplodem teoretiků a scifistů.

Vzácnější prvky

Dalšími prvky, které jsou často uvažovány jako alternativní pro svoji schopnost zúčastňovat se stavby složitých molekul jsou dusík, fosfor a bór. Jako majoritní složky živé hmoty by se mohly uplatnit tam, kde jsou přítomny ve vhodné formě. Tou jsou nejspíše jejich hydridy fosfan PH3, amoniak NH3 a borany BH3, B2H6. Fosfan a amoniak jsou hojné na obřích planetách s vodíkatou atmosférou, kde by snad mohl být ve stopách přítomen i boran.

Je pravděpodobné, že v bezkyslíkatém prostředí, nejlépe i s minimem vody (což Jupiter může splňovat) a možná s výhodou za nízkých teplot, by z těchto základních kamenů vznikala roztodivná chemická monstra. Příkladem může být borazin (B3N3H6), obdoba benzenu složená z dusíku a bóru, nebo fosforin, benzenový analog, kde je jeden uhlík  nahrazen fosforem.

Nicméně na obrech se vyskytuje i uhlík v podobě metanu, který by byl v tamních organismech jistě též přítomen, takže by vznikaly komplexní organofosfáty, organické fosfiny, organoborany, karborany, aminy, amidy a nepřeberná změť jejich různých propletenců. Byl by to život na bázi C-P-N-S (B). Navíc by se mohlo zapojit i germanium původem z germanu (GeH4), který na Jupiteru (na rozdíl od bóru) již prokázán byl!

Nicméně musíme podotknout, že přinejmenším fosfor je za obvyklých podmínek nedostatkový, bór a germanium pak spíše stopové. Na obrech mohou být hojnější než jinde, ale i tam je drtivá převaha uhlíku a dusíku. Tamní život by byl ať tak či onak „na uhlíkové bázi“ , tedy s větší či menší převahou uhlíku – ale použité sloučeniny by byly z našeho pohledu bizarní a obohacené právě prvky typu N, P, Ge… takže stejně by to byla exotika nejvyššího stupně!

Ve vysokoteplotních či jinak podivných prostředích (tekutá síra, přehřáté kapaliny, kyseliny…) mohou hrát větší roli než na zemi halogenderiváty organických sloučenin (autorem této hypotézy je Isaac Asimov), v nichž je vodík z části nahrazen např. chlórem nebo fluorem. I to by byl „uhlíkový život“ – a i on by byl exotický.

 

Uhlík, vodík a kyslík jsou mnohem hojnější než všichni jejich možní zástupci, a vyskytují se ve vhodných typech prostředí. I jejich chemické vlastnosti jsou mnohem vhodnější pro utváření základní struktury živého organismu. Lze tedy jednoznačně říci, že jsou mnohem vhodnější pro pochody, při nichž vzniká život, takže budou asi společné většině životních forem, i když jejich konkrétní zastoupení a způsob, jakým se na organismu podílejí, se bude lišit. Pokud vůbec existují nějaké výjimky, kde uhlík obsažen není nebo hraje podružnou roli, budou patrně ojedinělé a nepříliš významné. Ovšem o to zajímavější!

Skutečně bizarní život

Že mi to nestačí, křemík, dusík, fosfor, bór a germanium? Že se mi to nezdá dost bizarní? Mě by to stačilo, ale jsou i jinačí kabrňáci. Sci-fi se hemží zcela exotickými formami života, jako je třeba krystalový život, život na povrchu Slunce, neutronových hvězd (Slavné Dračí vejce Roberta Forwarda) či radioaktivní bytosti v kapalném OF2 na objektech Kuiperova pásu (opět Forward). Dokonce i vědci spekulují o „rozmnožujícím se jílu.“ Problém je ten, že takový život je natolik bizarní a nepředstavitelný, že jej lze obtížně dokázat či vyvrátit jak teoreticky, tak i pozorováním a experimenty – a to je problém.

 

Zvláštní kategorii tvoří život plasmový. Tomu se může dařit v mezihvězdném prostoru, ve žhavé hmotě hvězd i vysoké atmosféře planet či jiných exotických prostředích. Plasma může napodobovat některé rysy pevné hmoty, např. tvořit víceméně kompaktní útvary podobné snad micelám a kapénkám, což se snad podařilo napodobit i laboratorně. Zástupcem této „havěti“ může (a nemusí) být populární kulový blesk. Takové nestvůry tedy nejsou zcela vyloučené, ale moc toho o nich nevíme.

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/P/plasma-based_life.html

 

Nově se objevily také simulace, které naznačují, že velmi složité systémy se mohou vytvářet i v elektricky nabitém prachu v interakci s plasmatem, a dokonce může jít i o primitivní replikátory. Není sice pravděpodobné, že by ve vývoji dospěly někam dál než do stádia odpovídajícího prebiotické chemii, ale i tak se v takovém prostředí dají čekat velmi zajímavé procesy. Podobné „potvory“ bychom mohli hledat v prstencích planet či oblacích mezihvězdného, popř. meziplanetárního prachu.

http://space.newscientist.com/article/dn12466-could-alien-life-exist-in-the-form-of-dnashaped-dust.html

Plasmový život by tedy nemusel být jen čistě plasmový, ale plasmo-prachový hybrid. Ale asi není moc pravděpodobné, že by to dotáhl na složitější organizaci, neřkuli inteligenci.

 

Spekuluje se také o celých planetách, které se chovají jako živé organismy (Lemova Solaris, Lovelockova hypotéza Gaia) či oživlých mezihvězdných plynných oblacích (Černý mrak Freda Hoylea).

Nutno podotknout, že posledně jmenované výstřelky patří zásadně do sci-fi a nikam jinam. Život je ze své podstaty podmíněn evolucí. Evoluce není samozřejmým jevem, ba naopak, jde svým způsobem „proti proudu“ většiny fyzikálních procesů, které vedou ke zjednodušování, zatímco evoluce může (ale nemusí) vést k zesložiťování. Rozmnožování, selekce a evoluce jsou předpoklady, nikoli vlastnostmi života! Vše, co je živé, se množí a vyvíjí, i když ne vše, co se rozmnožuje a vyvíjí, je rovnou živé (viz počítačové viry, a vlastně i viry obyčejné).

Ovšem není evoluce, potažmo ani života, bez rozmnožování a selekce.  Evoluce a život je přitom jevem vznikajícím nutně a z principu nikoli na individuu, ale na celé skupině organismů. Osamocený objekt (planeta, asteroid) se vyvíjet zkrátka nemůže, není zde jaksi z čeho selektovat, tudíž se nemůže stát živým.

Planety ani mezihvězdná oblaka se nemohou replikovat a být selektovány, ani vyvíjet, nemohou se tedy chovat jako živé organismy. A to je konec, přátelé! Anebo že by ne? Umělé výtvory či pokročilé produkty biologické evoluce (pro něž navrhuji termín analogy civilizace) mohou snad celoplanetární organismy přinejmenším napodobovat svojí velikostí a chováním.

 

Mikroprvky

V organismech jsou i další prvky. Zvyšují pestrost vlastností organických látek, hrají roli katalyzátorů atd. Na Zemi je většina organismů závislá hlavně na kovech v souvislosti s energetickým metabolismem a iontech halogenů a alkalických kovů v souvislosti se specifickým vnitřním prostředím.

Živočichové potřebují i oporu těla, něco jako naše kosti. Může mít podobu kostry vnější, jako u hmyzu, nebo vnitřní, jako u nás. Ostnokožci mají jiný patent. Mají v těle pod kůží malé destičky spojené svaly, které mohou libovolně posouvat. Není to sice tak rychlé jako pohyby hmyzu a obratlovců, ale zato tento systém vyvine ohromnou sílu. Chobotnice nemají žádné kosti, ale pouze velmi tuhou tkáň vyztuženou kolagenem. Ta je sice pevná, ale zato pružná a chobotnice se procpe i nepatrným otvorem.

Kostní opory mohou být z uhličitanu a fosforečnanu vápenatého (obratlovci), z polysacharidů (hmyz), z bílkovin (hlavonožci) nebo z křemičitanů (mořské houby, rozsivky).

Kromě toho byli objeveni i mnohoštětinatí červi (uvádí se Glycera dibranchiata) s čelistmi z velmi odolného a lehkého kompozitního materiálu obsahujícího kromě organické hmoty i měď. Skládá se z bílkoviny s vázanými atomy mědi a zinku, přičemž měď tvoří celých 13 hmotnostních procent materiálu! Je to tím zvláštnější, že oba kovy jsou ve velkých koncentracích silně toxické.

Vyloučena tudíž není ani možnost, že by mimozemšťané byli pokryti pancířem složeným z čistých nebo chemicky vázaných kovů. Skýtalo by jim to nezanedbatelnou mechanickou, ale také radiační ochranu. Když může mít červ čelisti z mědi - proč ne protiradiační olověný krunýř?

Když mohou živočichové a rostliny vytvářet křemité schránky - nemohli by mít „pokožku“ tvořenou pružným silikonem? Silikon má výhodu v tom, že dobře odolává namáhání, extrémním teplotám a UV záření, takže by byl ideálním tělním pokryvem.

O některých specifických sloučeninách v organismech, které si to obzvláště zasluhují, si povíme dále.

http://www.instadv.ucsb.edu/93106/2003/February3/worm.html

 

Krevní barviva

Pokud by mimozemšťané dýchali kyslík a byli větší než milimetr, museli by mít nějaký dýchací systém. Vzdušnice, jaké má hmyz, postačují pro rozměry těla okolo čtvrt až půl metru, ale větším rozměrům nepřejí. Proto by museli mít žábry, anebo plíce, či něco mezi tím, jako někteří krabi a ryby lezouni, kteří si sebou nosí vodu i na souši v žaberních vacích.

To vyžaduje i existenci něčeho jako je krev. Většina organismů nemá vůbec krvinky, a některé ani krevní barvivo, a využívá jen kyslík prostě rozpuštěný v tekutině. To je ale dosti neekonomické, a proto už třeba měkkýši mají krevní barviva, která výměnu kyslíku usnadňují. Ovšem tato barviva jsou vesměs přímo v „krvi“ a nikoli v krvinkách. Jejich nahromadění do specializovaných tělísek pak nejspíše dále zvyšuje výhodnost přenosu. U obratlovců se tedy vyvinuly červené krvinky, které znamenají obrovský skok. Když srovnáme žížalu nebo plže s ptákem nebo gepardem, je v přenosu kyslíku a tedy i úrovni metabolismu jasný kvantitativní i kvalitativní rozdíl.

Hemoglobin, naše krevní barvivo, je organická molekula s atomy železa, na něž se může vázat kyslík. Mají ho i někteří plži. Podobný hemoglobinu je i myoglobin, který nemá transportní funkci, nýbrž pomáhá dýchání v tkáních.

Hemerythrin, vyskytující se u mořských červů, je oxidovaný fialový, odkysličený bezbarvý. Je však málo efektivní. Zda jde o totéž barvivo, které jsem jinde našel pod názvem Hemoerytrin, nedokážu odhadnout, ale nejspíše ne.

Většina měkkýšů má hemocyanin, barvivo s atomy mědi namísto železa. Udává se, že je málo efektivní (asi 25% oproti hemoglobinu) a proto se třeba chobotnice snadno vyčerpají.

Jsou i exotičtější barviva, třeba hemovanadin. Kyslíkem vázajícím kovem je tam vanad. Barvivo nabývá odstínů zelené, modré či oranžové. Vyskytuje se u sumek. Jako jedno z mála je vázáno v krvinkách a nepluje volně v krvi. Jeho fungování je však neobjasněné a snad má dokonce jinou funkci, než je vazba kyslíku.

Existuje také pinnaglobin, poněkud záhadný hnědý pigment na bázi manganu u jistého měkkýše.

Byly naznačeny i možnosti existence dalších barviv, která se přirozeně nevyskytují, na bázi iridia a kobaltu. Tím se škála nejrůznějších možných barev mimozemské krve mění v takřka úplnou paletu. A pokud má i tady příroda bujnější fantazii  než my, tak už opravdu nevím, co všechno může vlastně pořezavším se mimozemšťanům téci!

 

Název barviva

Atom

kovu

Výskyt

Krvinky

Efekti-

vita

Barva

Poznámka

Hemoglobin

Fe

Obratlovci, kroužkovci, měkkýši

Většinou

100%

Red. tm. červená, ox. sv. červená

 

Chlorokruorin

Fe

mnohoštětinatci

 

25%

Red. bezbarvý, ox. zelená,

konc. červená

 

Erytrokruorin

Fe

Larvy pakomárů, někdy připisován i kruhoústým

Ano??

?

 

 

Hemerytrin

Fe

Hlístice, kroužkovci, ramenonožci

Ano

Malá

Red. bezbarvý, ox. růžová až fialová

 

Hemoerytrin

Fe

Sumýšovci

 

?

Červená

 

Echinochrom

Fe

Ježovky

 

?

Red. bezbarvý, ox. červená

 

Hemocyanin

Cu

Členovci, měkkýši

Ne

25%

Red. bezbarvý, ox. modrý

 

Hemovanadin čili vanadium chromagen

Vn

Sumky, pláštěnci

Ano

?

Zelená, modrá, oranžová

Neobjasněná funkce

Pinnaglobin

Mn

Měkkýš Pinna

Ne

Neznámá

Hnědá

Neobjasněná funkce

 

 

 

 

 

 

 

Coboglobiny

Co

Zatím jen zkumavky...

Asi ano

?

Red. žlutá až jantarová, ox. bezbarvá do růžova

 

Sloučeniny iridia

Ir

Zatím jen zkumavky...

 

?

Red. žlutá, ox. oranžová

Může vázat i vodík, na světle se rozkládá.

Fotosyntetická barviva a fototrofní „živočichové“

Fotosyntetických barviv známe pouze několik druhů, většina si je však zhruba podobná. Většina z nich zachycuje klasické viditelné světlo a liší se jen využívanými substráty, anebo produkty. Opět nevíme, zda jsou i jiné varianty, vhodné pro jiné složení dopadajícího světla. Pak by na jiných planetách nemusely být rostliny zelené, ale třeba červené, fialové nebo černé. Nebo by mohly využívat i UV záření - viz Život na Venuši. Vzhledem k nedozírným možnostem cizích biochemií nemůžeme možnosti mimozemské flóry ani odhadovat.

 

Otázkou také je, zda i na jiných světech jsou rostliny a živočichové oddělení. Není to totiž rozhodně nějaká zákonitost, ačkoli se nám to tak může jevit. I pohyblivé a inteligentní organismy mohou mít v pokožce chlorofyl a být tak částečně autotrofní. Zdá se ale, že myslitelné organismy tohoto typu o podstatnějších rozměrech by ještě musely čerpat značnou část energie z normální potravy, protože fotosyntéza potřebuje příliš velké povrchy, než aby byly vhodné pro klasického živočicha o velikosti člověka nebo větší. Každopádně může být fotosyntéza doplňkovým zdrojem důležitých látek, které organismus nebude moci získávat z prostředí.

Z naší planety známe částečně fotosyntetické živočichy, jako jsou někteří žahavci, nahožábří plži nebo mlži, nebo třeba gigantická škeble zéva obrovská. Většinou za ně fotosyntetizují symbiotické řasy, většina těchto organismů je na nich dokonce životně závislá. Plž Elysia viridis dokonce v dospělosti vůbec nepřijímá potravu a žije takříkajíc ze světla. Na jiných světech může být takových forem daleko více, takže dělení na živočichy a rostliny bude nemožné.

Ve sci-fi se vyskytuje mnoho fotosyntetizujících živočichů, eventuálně pohybujících se rostlin (v praxi jde o totéž!).

Vědci jsou zde velmi skeptičtí, ovšem nemyslím si, že právem.

 

Podívejme se na to z hlediska fyzikálního a určeme, kolik energie lze získat z fotosyntézy.

·        Solární konstanta je Země cca 1325 W/m2.

·        Musíme odečíst noc - tedy 50%.

·        K tomu musíme přidat fakt, že sluneční záření nedopadá vždy kolmo, podle toho, jak Slunce putuje po obloze - takže na čtverečný metr dopadne v ideálním případě (rovník) 63% energie.

·        Musíme brát v úvahu propustnost ovzduší. Ta činí v ideálních podmínkách v poledne 77%, je-li zataženo, jen 15%. Ale svítí-li Slunce šikmo, světlo prochází větší masou vzduchu. Uvažuji-li pohyb Slunce, vypadá to na propustnost umocněnou faktorem 2,39. Vyjde pak průměrná propustnost 0,54 (jasno na rovníku) až 0,01 (zataženo tamtéž)

 

·        Fotosynteticky aktivní je 45% radiace.

·        Rostlina pohltí 75%.

·        Rostlina pracuje s efektivitou 25% (Běžně se udává 21-29%. Našel jsem i pouhých 8,8%)

 

Počítáme tedy: 1325*0,5*0,63*0,54*0,45*0,75*0,25=19,02

Zůstane nám 19,02 W/m2. (Jasné počasí na rovníku. Včetně nocí!) Samozřejmě se značnou nepřesností.

 

Jenom pro pořádek pár čísel:

Člověk má povrch těla 1,7 m2, kdyby měl v kůži chlorofyl, získal by tedy 16,1 W. (Světlo dopadá jen na polovinu!)

Člověk má spotřebu pro bazální metabolismus asi 81 W, středně těžce pracující 162 W (brán průměr za 24 hod.)

Pokud se opřeme o druhé číslo, zjistíme, že člověk by mohl být při stávajícím tvaru těla fototrofní z 9,9%. To není moc, ale nebylo by to ani k zahození – při dnešních cenách potravin…

Čistě autotrofní tvor o stejné spotřebě energie by musel mít plochu 8,6 m2, tedy 2,9x2,9m. Když si takového živočicha představíme třeba jako velký zploštělý hmyz nebo rejnoka, je takový povrch těla představitelný. Musel by však kompenzovat dny, kdy panuje nepříznivé počasí, což by znamenalo plochu o něco větší.

 

Problémem je voda. Rostlina spotřebuje na tvorbu gramu glukózy 300 - 1200 g vody. Pak by náš fotosyntetický tvor spotřeboval za den 400 - 1000 litrů vody!

Ovšem rostlina velkou část vody odpaří bez užitku, protože to je hybná síla jejího oběhu tekutin. Skutečně nezbytný objem vody pro takovou fotosyntézu je asi  0,6 g vody na gram glukózy, tedy pro naší bytost cca půl litru. Kromě toho by se jistě i potila, stejně jako člověk. Ten vypotí cca jeden litr na m2 povrchu za den, takže naše bytost by vypotila 8,6 litrů. Celková spotřeba by pak představovala asi 9,2 litrů, nebo jen o málo více, což je jakž takž v mezích biologických možností. Kdyby žila ve vodě, tak zcela bez problémů.

 

Samozřejmě, že náš hypotetický solární živočich by se musel potýkat s nedostatkem energie. Velké problémy by měl nejen v noci, kdy by byl zcela bez energie, ale také za zataženého počasí, kdy je to jen o málo lepší. Musel by upadat do stavu strnulosti, nebo si nashromáždit zásoby živin.

Existují však způsoby jak získat energie více. Zaprvé by organismus nemusel být čistě fototrofní, ale mohl by si „přilepšit“ i jinak, a zadruhé by mohl svou plochu natáčet stále za sluncem, čímž by dost získal.

 

Kromě toho by jistě energií šetřil - kdyby měl kupříkladu proměnlivou tělní teplotu jako plazi, mohl by si vystačit snad s pětinou, nebo dokonce pouhou dvacetinou lidské spotřeby! To už je dobře představitelné – tělní plocha by za těchto podmínek mohla být jen o málo větší než lidská. Další úspory by plynuly z toho, že by nemusel honit kořist ani se zatěžovat jinými činnostmi – stačilo by mu ráno vyjít na sluníčko a večer se schovat.

Připusťme ale, že je to i tak poněkud nepravděpodobný organismus. Fotosyntéza by přála spíše menším bytostem, řekněme o rozměrech hmyzu, protože u nich je výhodný poměr hmotnosti těla k jeho povrchu. Jednogramový ektoterm by si i za trvale zataženého počasí bohatě vystačil s plochou 3,5x3,5cm, za trvale jasných podmínek dokonce jen 0,5x0,5cm, a to už většina hmyzu splňuje s přehledem i bez specializovaných orgánů ke zvětšení povrchu těla.

Vyloučeni nejsou ani létající fototrofové. Křídla mají velký povrch, což znamená fotosyntetickou plochu navíc. Že by zelení pterodaktylové?!

 

A proč by se fototrofní tvor měl pohybovat z místa na místo?

To je celkem opodstatněná otázka. Rostliny sedí na místě a jsou docela spokojené, tak proč by se měly namáhat.

Ovšem důvody by se našly. Mobilní organismus může aktivně hledat vodu nebo živiny, nebo dokonce migrovat za sluncem. Díky mobilitě by pak snadno unikl konkurenci (zastínění) klasických rostlin, a eventuálně také nepřátelům.

Inteligentní druhy pravděpodobně fototrofní nebudou – opalování není zrovna prostředkem ke tříbení ducha, a navíc, jak je zmíněno výše, fotosyntéza je na rozdíl od inteligence doménou spíše organismů menších. Nicméně není vyloučeno, že na jiných planetách se myslící organismy mohly z fototrofů vyvinout, a jako atavismus si zachovaly fotosyntetický pigment v kůži jako jakýsi doplněk stravy.