Úvod do biologie Na počátku… Petr Pyszko Ostravská univerzita https://scontent.fprg2-1.fna.fbcdn.net/v/t31.0-8/11406758_987647151268567_1197193731071919889_o.png ?_nc_cat=109&_nc_sid=09cbfe&_nc_ohc=rLbOiV0lfgkAX_cAAsI&_nc_ht=scontent.fprg2-1.fna&oh=6719a0bbce92 1e237f9c154d0176999a&oe=5F7177AC Je život výjimečný? •Je život (jako vlastnost některých objektů ve vesmíru) výjimečný? Je natolik komplexní a složitý a jeho vznik bude tak málo pravděpodobný, že je Země jediná výjimka ve vesmíru Když dáte aspoň trochu vhodnému systému dostatek času, je matematickou nutností, aby se objevil život Obecné zákonitosti úvodem •Druhý termodynamický zákon: Hodnota entropie se v závislosti na čase neustále zvyšuje. •Co je to život? (Erwin Schrödinger, 1944): Život jako výjimka z pravidla? Ne, uspořádání místně narůstá, ve vesmíru se stále snižuje • Co je život? Duch a hmota - Erwin Schrödinger | Knihy Dobrovský Schrödinger Plates - Funny post | Humor, Science humor, Laugh https://www.researchgate.net/publication/349159490/figure/fig2/AS:989518350004226@1612930967921/Let ter-from-Crick-and-Watson-to-Schroedinger-openly-acknowledging-the-importance-of-What_W640.jpg Entropie neboli zmatek nezadržitelně roste, uspořádání se rozpadá – končí náhodným rozptýlením všech molekul – na konci bude z vesmíru kaše. Soustavy ponechané osudu po dostatečně dlouhou dobu se stávají nehybnými, teplotně vyrovnanými. Organismus proto musí více řádu spotřebovat než vytvoří – to se děje – klíčem je držet se pořádku a zbavovat nepořádku – metabolismus je založen na tom, že organismus se zbavuje entropie, kterou je nucen vytvářet, dokud je naživu – uspořádání místně narůstá, ve vesmíru se snižuje. Erwin Schrodinger: Co je život? - ovlivnila celou řadu vědců, mezi nimi byli i objevitelé molekuly DNA, Francise Cricka či Jamese D. Watsona. hovno styl - YouTube Large wedding cake on Lake Como with bride and groom cut - My Lake Como Wedding Jak připravit hovězí steak Traviny a bambusy | Zahradnictví FLOS Neuvěřitelná podívaná! NASA zveřejnila video s nejkrásnějšími záběry Slunce - National Geographic Kolem 1-2 % sluneční energie, která dopadá na povrch Země, je přeměněna na rostlinnou biomasu. Další konverze do čistého masa: u krav jen 6-7 %, u prasat kolem 15 %, u hmyzu cca 50 % Obecné zákonitosti úvodem •Sobecký gen (Richard Dawkins, 1976) •Neodarwinismus, gen hlavní jednotkou přirozeného výběru, soupeří s ostatními o zastoupení v dalších generacích, organismy jsou pouhými vehikly •Schizofrenie (Huxley a Mayr) •BRCA mutace •Prase, kráva = vítězové!! • Osídlování Země – Wikipedie Čistá duše (2001) | ČSFD.cz Jedna z teorií navrhuje, že některé mutace v genech BRCA1 a BRCA2 mohou mít pozitivní efekt na reprodukci tím, že způsobují zvýšený růst prsou a zvýšenou laktaci u nositelek. Tento efekt by mohl být spojen s tím, že ženy s větším poprsím by mohly být atraktivnější pro potenciální partnery a mohly by mít větší úspěch při vyživování svých potomků. Nicméně tuto teorii nelze považovat za definitivně prokázanou. Huxley a Mayr v roce 1964 navrhli, že "schizofrenní" geny by mohly mít výhodu v podobě fyziologické odolnosti proti bolesti, zánětlivým reakcím a šoku. Další hypotéza spojuje schizofrenii s kreativitou a zvýšenou inteligencí, což by mohlo vést k selekci těchto genů. Výzkum na Islandu ukázal, že příbuzní schizofreniků dosáhli častěji vyššího vzdělání. Některé hypotézy tvrdí, že sklon ke schizofrenii mohl poskytnout ochranu před sociálními tlaky a umožnit těžit z nižší sociální interakce. Podle J. Price a A. Stevens by schizofrenie mohla být extrémní variantou genetické vlohy, která by umožňovala jedinci hrát roli "vůdce" a odtrhnout skupinu lovců od klanu, když byl klan velký a dostupné zdroje nestačily k obživě. Tito "vůdci" by mohli vynikat díky své neochvějné víře v vlastní pravdu a schopnosti vést skupinu. Tato hypotéza představuje zajímavý pohled na možné evoluční výhody schizofrenních genů, ale stále je třeba zdůraznit, že se jedná o teorie Obecné zákonitosti úvodem •Teorie her: Theory of Games and Economic Behavior (John von Neumann, Oskar Morgenstern, 1944) •Hry s nulovými součty (šachy, go,…) •Hry s nenulovými součty •Koordinační hry (Nashova rovnováha) • • •Věžňovo dilema (Nashova rovnováha≠Paretovo optimum) • John Forbes Nash – Wikipedie Ve hrách s nenulovým součtem zisk jednoho hráče nemusí pro jiného hráče nutně znamenat ztrátu. Nashova rovnováha: Situace, kdy pro jednotlivce vychází průměrně nejlepší řešení. Přitom ale může jít o řešení suboptimální – vše závisí i na rozhodování dalších hračů. Musíme každé rozhodnutí hráče uvažovat v kontextu možných rozhodnutí ostatních = nemožnost předpovědět výsledek, pokud budeme nahlížet na jednotlivá rozhodnutí izolovaně. Paretovo optimum: žádný jedinec nebo skupina již nemůže dosáhnout lepšího postavení bez toho, že by se naopak postavení někoho jiného zhoršilo. Obecné zákonitosti úvodem •Opakované věžňovo dilema (Nashova rovnováha = Paretovo optimum) •Různé strategie: always defect, always cooperate, grim trigger, tit-for-tat (Axelrod), win-stay/lose-shift, generous tit-for-tat •V průběhu evoluce narůstá nenulovost vztahů = složitost – vznik složitých a inteligentních tvorů není náhoda, ale zákon. Nonzero: The Logic of Human Destiny - Harvard Book Store Tit for Tat Strategy and The Evolution of Cooperation Soutěž známá jako "Axelrodův turnaj" probíhala v průběhu 80. let 20. století. Robert Axelrod zorganizoval tuto soutěž jako součást svého výzkumu v oblasti teorie her a strategií pro opakované vězňovo dilema. Soutěž byla formálně zahájena v roce 1979, a následně probíhala po několik let. Tato soutěž měla za cíl zjistit, která strategie by byla nejlepší v opakovaném vězňově dilematu. Každý účastník mohl předložit svou strategii, a ty byly poté testovány v mnoha opakovaných interakcích, kde hráči soutěže hráli proti sobě. Výsledkem této soutěže bylo překvapivé zjištění: strategie "tit-for-tat" se ukázala jako jedna z nejúčinnějších a stabilních strategií. Jak již bylo zmíněno, "tit-for-tat" spočívá v tom, že hráč začíná spolupracovat a poté v každém dalším kole následuje to, co udělal protihráč v minulém kole. Tato jednoduchá strategie je velmi efektivní, protože odměňuje spolupráci a trestá zradu. Zajímavá je např. hra nazvaná Dilema cestovatele: Dva turisté, kteří se navzájem neznají, se vracejí z dovolené. Náhodou si koupili stejný levný suvenýr a zjišťují, že aerolinie oba suvenýry neúmyslně zničily. Odpovědný pracovník nabízí cestovatelům kompenzaci, a protože nezná cenu, navrhne, aby ji cestovatelé určili sami, je si však vědom nebezpečí, že by ji mohli „nafouknout“. Navrhne proto, aby oba nezávisle určili sumu mezi 50 a 1000 korunami. Když se shodnou, obdrží udanou částku, pakliže se odchýlí, bude za skutečnou cenu považována ta nižší a oba ji obdrží. Její navrhovatel navíc bude odměněn 50 korunami za upřímnost a druhý bude 50 korunami potrestán za podvod. Budeme-li hledat optimální jednání v teorii her, dojdeme k již známé logice: „Měl bych zvolit nejvíce, tedy 1000 korun, druhý to ale učiní rovněž, pak bude pro mne lepší, zvolím-li o něco méně, řekněme 990 korun, protože získám i s odměnou (50 korun) více, tj. 1040 korun (a druhý s trestem 940 korun). Jenže toho druhého to napadne také, proto řeknu 980 korun, ale zase to napadne i toho druhého“ a tak dále, až se postupnou a bezchybnou dedukcí oba dostanou na nejnižší možnou částku 50 korun. Dle teorie her bude toto jejich jednání stabilně-optimální, jelikož ať udělá protihráč cokoliv, nemůže si první hráč pohoršit. Většina lidí ale takhle jednat nebude, ani když budou hrát opakovaně. Většina naivně volí maximální či alespoň vysoké částky a jen v tak specificky nastavených variantách hry, v nichž je velikost odměny za upřímnost výrazná (téměř polovina maximální částky), se začnou blížit k „doporučené“ minimální částce. Obecné zákonitosti úvodem •Exponenciální růst •Sissa ben Dahir (šachy) • •4 miliardy let života •Prokaryoti – eukaryoti (2 mld let) •Eukaryoti – mnohobuněčnost (700 mil) •Predace a sex jako pohony evoluce •Homo sapiens (800 tis), „velký skok vpřed“ (100 tis), moderní společnosti (12 tis), 1. miliarda (1804), pak… •Klimatické změny, pandemie, technologický pokrok,… • • Future of Climate Change | Climate Change Science | US EPA Za ty první dvě miliardy let „pomalého života“ ale odvedla evoluce řadu práce (vynalezených technologií): postupně autotrofie, fotofosforylace, fotosyntéza. Poté rychle přišla kambrijská exploze (podle nejnovějších paleontologických poznatků se nejedná o explozi doopravdy, jen plynulý nárůst). Důvodem je příchod mnohobuněčných dravců (zkamenělina dravého trilobita, který sežral červa ukazuje, že do „módy“ přišlo brnění, trilobit byl taky první u kterého známe oči). To ukazuje, že předpoklad, že se druh bude měnit jen v odpovědi na změnu životního prostředí a nikdy následkem soutěživého závodu ve zbrojení mezi různými druhy nebo dokonce příslušníky stejného druhu vede k podceňování tlaku přirozeného výběru na větší složitost. Organismy nejsou předurčeny jen k přežití ale také se rozmnožují – samci mezi sebou soutěží a to je nakonec nejrychlejší pohon evoluce Prudký nárůst lidské populace od začátku 20. století byl z velké části podnícen vynálezem procesu nazývaného Haber-Boschova syntéza. Tato chemická reakce umožnila výrobu amoniaku (NH3) z dusíku (N2) z atmosféry a vodíku (H2) při vysokém tlaku a teplotě. Amoniak je klíčovým průmyslovým hnojivem, které obsahuje dusík, esenciální živinu pro růst rostlin. Proč je život na Zemi tak výjimečný? Proč ho nepozorujeme nikde kolem (pokud si odmyslíme, jak málo známe vůbec i třeba oceány na Zemi)? Proč vznikl na Zemi (podle všech dostupných poznatků) jen jednou? Co odlišuje živé systémy od neživých? •Vznik života – přísnější podmínky než setrvání života •Nároky na životodárnou planetu: vhodná vzdálenost od hvězdy, na kruhové oběžné dráze, vhodná hmotnost (Superzemě), s magnetickým polem (problém Marsu) a vulkanickou činností (problém Venuše), přítomnost atmosféry (ochrana proti nadbytku UV), vrstva tekutiny při povrchu, přítomnost autotrofie (fotosyntéza?) • • • Super Earth Aliens Could Be Trapped On Their Home Planet http://astronomia.zcu.cz/obr/planety/venuse/sklenik.jpg I když jsou zde na Zemi známi tzv. extremofilové, organismy žijící v místech velmi chladných či horkých, nemohli zde vzniknout - vyvinuli se v místech s příznivějšími podmínkami a při hledání životního prostoru se jim podařilo přizpůsobit. Ve svých počátečních stádiích evoluce je život totiž velmi "křehký", málo odolný ke změnám podmínek. Evoluce neprobíhá dostatečně rychle, aby se na změnu podmínek adaptoval a mohl přežít, potřebuje proto poměrně velmi stabilní prostředí. Nevyhovují mu tedy: Nestabilní oběhové dráhy kolem dvojhvězd, vybuchující supernovy v okolí. Hmotnost: Příliš lehké planety svou gravitací neudrží atmosféru. U příliš hmotných planet rozsáhlá atmosféra vzbuzuje příliš vysoký tlak, neumožňující dostatečnou pohyblivost reagencií. Magnetické pole: Chrání ekosféru před škodlivými účinky ionizujícího kosmického záření tím, že odchyluje vysokoenergetické protony mimo planetu. Magnetické pole planet terestrického typu je generováno v rotující polotekuté vnější části jádra, která funguje jako magnetohydrodynamické "dynamo„. Planeta Mars měla před cca 4 miliardami let magnetické pole, atmosféru a pravděpodobě tekutou vodu na povrchu. Sopečná činnost vynáší na povrch biogenní minerální živiny a plyny, oxid uhličitý a siřičitý. Naopak od zhoubného skleníkového efektu může planetu uchránit přítomnost dostatečně velkého množství vody na povrchu. Venuše: vyšší teploty vzhledem k větší blízkosti ke Slunci způsobily postupně ztrátu povrchové vody a tím i vymizení dešťů v atmosféře. Intenzivní sopečná činnost pak postupně zamořila atmosféru velkou koncentrací skleníkových plynů (CO2, SO2, ...), které "nemělo co" průběžně odstraňovat. Teorie superzemě: trošku těžší planety než Země (do 5x hmotnosti) by možná mohly mít příznivější podmínky - hustší atmosféru, intenzívnější sopečnou činnost přinášející velké množství potřebných minerálů, silnější a dlouhodobější magnetické pole účinněji chránící atmosféru a povrch před hvězdným větrem. Kepler22b: Jde o první nalezenou exoplanetu v obyvatelné zóně hvězdy spektrální třídy G (žlutý trpaslík, stejný typ jako Slunce). Planeta, nacházející se ve vzdálenosti 587 světelných let, možná patří mezi superzemě. •Nároky na životodárnou hvězdu: přiměřená hmotnost (hnědý trpaslík, červený trpaslík) a osamocenost hvězdy, 2.(3.) generace • • • • • Red Dwarf Star Images | Free Vectors, Stock Photos & PSD „vast majority of possible organisms will never be realized.“ Co odlišuje živé systémy od neživých? Na obydlené planetě musí být schopnost tvorby vlastních nutrientů – ideální je proto nějaká hvězda poblíž. Ta hvězda nesmí být příliš hmotná, neboť hmotné hvězdy vypotřebují své základní palivo, vodík, příliš rychle, než aby se stačil na některé planetě vyvinout život. Nesmí mít ani příliš malou hmotnost, neboť by se nezapálila nejdůležitější termonukleární reakce H → He (taková pseudohvězda se označuje jako hnědý trpaslík) a nebylo by dostatek energie k procesům vzniku života na příp. planetách. Normálně fungující hvězdy s hmotností menší než asi 60% hmotnosti Slunce - červení trpaslíci - mají poměrně nízký zářivý výkon, takže příslušná ekosféra by byla značně blízko a zaujímala by úzké rozmezí; pravděpodobnost výskytu vhodné planety by zde byla poměrně menší. Na druhé straně však takové hvězdy mají dlouhodobě stabilní svítivost (mnoho miliard let), takže by zde bylo dostatek času pro vznik a evoluci života... Kolem nejstarších hvězd 1.generace, složených jen z vodíku a hélia, život vzniknout také nemůže, musí se jednat až o hvězdy druhé generace. Co odlišuje živé systémy od neživých? •Nároky na životodárný vesmír: Expanze vesmíru musí ležet v úzkém rozmezí rychlosti (malá nedává čas, velká rozřeďuje), slabší jaderné interakce by nevedly ke stelární nukleogenezi (biogenních prvků), drobná změna hmotnosti kvarků – těžší protony – rozpad v neutrony,… •Antropický princip •Princip uniformity •Drakeova rovnice • • • • https://astronuklfyzika.cz/AntropExpanze.gif Anthropic principle - Wikipedia Život možný v úzkém rozmezí fyz. parametrů. Kdyby rychlost expanze vesmíru byla podstatně menší než kritická, rozpínání vesmíru by se záhy zastavilo a přešlo ve smršťování, takže by zde nebylo dost času pro vznik a rozvoj života. Kdyby se vesmír naopak rozpínal rychlostí podstatně vyšší než úniková, hmota by se příliš rychle rozředila a rozptýlila natolik, že by nemohly vzniknout gravitačně vázané struktury jako jsou galaxie a hvězdy, které jsou potřebné pro vznik složitějších prvků a posléze života. Podobně, kdyby fyzikální konstanty měly poněkud jiné hodnoty, resp. poměry hodnot (stačí jen o několik málo procent), než je tomu v naší přírodě, evoluce vesmíru by rovněž probíhala jinak a nevedla by ke vzniku života. Možná existují další "sady zákonů s jinými hodnotami parametrů, které mohou vyústit v evoluci vesmíru sice jiného než ten náš, ale přesto umožňující složité reakce a vznik života... Uniformitarianismus (také princip uniformity) říká, že prostorově nebo časově vzdálené děje se neliší od toho, jak by probíhaly teď a tady – zkrátka, fyzikální zákony platí všude ve vesmíru. Silný antropický princip: Tvrdí, že existujeme v tomto vesmíru proto, že vesmír byl záměrně stvořen tak, aby umožnil existenci inteligentního života. Slabý atropický princip: Slabý atropický princip říká, že když zkoumáme vesmír, můžeme očekávat, že budeme pozorovat podmínky, které umožňují existenci pozorovatele, protože jinak bychom tuto otázku nemohli klást. Jinými slovy, naše existence omezuje, jaký vesmír můžeme pozorovat. Co odlišuje živé systémy od neživých? •Chemické složení a chemické procesy (metabolismus) •Organické látky (sacharidy, bílkoviny, nukleové kys…) •Abundantní atomy: C, H, N, P (uchování a transport energie, S – 3D konfigurace proteinů) + voda jako interakční médium (kapalné polární rozpouštědlo s velkou tepelnou kapacitou) Carbon Atom Images, Stock Photos & Vectors | Shutterstock Levels of Protein Organization Co odlišuje živé systémy od neživých? •Chemické složení – alternativy? •Atomy abundantní, strukturální molekuly semi-stabilní, musí mít stabilní a abundantní médium (zejména teplotně) •Voda: Kovalentní vazby mají větší energii než vodíkové vazby (jen F, O, N), ty jsou silnější než van der Waalovy síly – ovlivňuje teplotu varu a tání •Uhlík: rozmanitost sloučenin a řetězení (alternativa Si) Jsou prvky jako O, N, H,… pro život nezbytné ve vesmíru obecně? Jaká jsou základní fyzikální omezení? Strukturální molekuly života kdekoli ve vesmíru nesmí být příliš stabilní, to by neprobíhaly chemické reakce (metabolismus) ale nesmí být ani příliš nestabilní (aby se organismus nerozpadl). Médium, ve kterém má k metabolismu docházet by měla být kapalina (nebo přinejhorším) velmi hustý plyn, musí mít velkou tepelnou kapacitu a rozsah bodu tání a varu, musí být výborným rozpouštědlem, tekutá fáze musí být na planetě velmi dostupná (aby mohlo docházet k recyklaci). Měly by se v ní proto vyskytovat vodíkové vazby: Vodíková vazba způsobuje zvětšení mezimolekulárních přitažlivých sil, což silně ovlivní fyzikálně-chemické vlastnosti systému (teplotu varu a tání, hustotu, viskozitu, (všechny se zvyšují) atd.). Ideálním řešením je tedy voda. Existují sloučeniny podobné vodě, které nemají vodíkové vazby a mají tak odlišné fyzikální vlastnosti, jako jsou teploty varu a tání. Jedním z příkladů je amoniak (NH3). I když amoniak má podobnou molekulovou hmotnost jako voda, jeho chemická struktura je zcela odlišná, což má vliv na jeho vlastnosti. Základní rozdíl spočívá v tom, že voda (H2O) tvoří vodíkové vazby mezi molekulami. Vodíkové vazby jsou velmi silné mezimolekulární síly, které mají vliv na vlastnosti vody, jako je vysoká tepelná kapacita, vysoká povrchová napětí, a tak dále. Díky těmto vodíkovým vazbám má voda vysoké teploty varu a tání ve srovnání s molekulami s podobnou molekulovou hmotností. Naopak amoniak (NH3) nemá vodíkové vazby jako voda. Jeho molekuly jsou spojeny slabšími dipólovými interakcemi. Výsledkem je, že amoniak má nižší teplotu varu (−33,34 °C) a nižší teplotu tání (−77,73 °C) než voda. To znamená, že amoniak mění fázi (z kapaliny na plyn a naopak) při mnohem nižších teplotách než voda. Uhlík má nejbohatší možnosti snadných a stabilních vazeb s dalšími lehkými prvky (H, O, N, P, ...). Křemík neposkytuje zdaleka tak různorodé možnosti snadných vazeb s dalšími lehkými prvky, jako uhlík. Co odlišuje živé systémy od neživých? •Vysoká míra uspořádanosti (proti 2.TZ) •Systémy vydělené ale otevřené – dynamika výměny látek, energie a informací •Reakce na okolí (čidla) •Stabilní existence – samoregulace zpětnými vazbami • •Růst a vývoj: ontogeneze a fylogeneze •Rozmnožování: dědičnost a evoluce • • • Zpětná vazba K posledním dvěma bodům: Schopnost růstu a vývoje (ontogeneze – vývoj od vzniku do zániku jedince a fylogeneze – dlouhodobý evoluční vývoj) – nemusí platit obecně Co odlišuje živé systémy od neživých? •„Popírači“ principů života •Nebuněčné organismy: viry, viroidy (např. cadang-cadang) a priony (kuru, FFI), neschopnost samostatné existence nebo rozmnožování (také mnozí paraziti), původ nejistý, asi odvozeny od svých hostitelů • • Difference among virus, virion, viroid, virusoid and prion | by Microbiology Easy Notes | Medium Viry jsou podle legislativy USA považovány za mikroorganismy ve smyslu možného zneužití. Viroidy byly objeveny až v roce 1971, dosud bylo zjištěno, že infikují pouze rostliny. Cyklické RNA molekuly viroidů obsahují zhruba 250-400 nukleotidů, které nekódují žádný protein. První viroidová onemocnění se objevila až ve dvacátém století a navíc jsou obvykle vázána na určitou lokalitu. Vysvětluje se to tím, že se viroidy vyskytují u divoce rostoucích rostlin, u kterých nezpůsobují chorobné příznaky a ze kterých se přenesly na citlivé kulturní plodiny. Viroidy se šíří pomocí semen a pylu, ale také přes zemědělské nářadí způsobující mechanická poranění rostlinné tkáně. Např: Viroid cadang-cadang (CCCV) způsobuje smrtelné onemocnění kokosových palem na Filipínách, které devastuje místní plantáže. Nervové buňky savců obsahují tzv. prionové bílkoviny. Tyto prionové bílkoviny asi hrají významnou úlohu při odpočinku a spánku. Prion (PrPSC) představuje vadnou formu normální prionové bílkoviny, od které se odlišuje rozdílnou konformací (prostorovým uspořádáním). Důsledkem této změny je prakticky absolutní odolnost proti štěpným enzymům odklízejícím vadné bílkoviny a schopnost navazovat se na zdravé formy prionových bílkovin a konvertovat je na svoji vadnou formu. Následkem je, že se v buňce hromadí rostoucí chuchvalce propojených vadných molekul prionové bílkoviny, kterých se buňka nedokáže zbavit, posléze je zcela zaplněna a uhyne. Např: Fatální familiární insomnie: Pravděpodobnost přenosu z predisponovaného rodiče na svého potomka je rovna 50%. Celosvětově je FFI děděna pouze ve 40 rodinách (100 osob), jejichž předci umírali v ústavech pro choromyslné. Povstání živého tvaru •4.1–3.8 mld let života, možná několikrát (4.4 mld?) •2017: důkaz 3.48 mld let v geyseritu (okolo horkých pramenů) – Pilbara Craton (W Austr.), možná ale 3.95 mld v grafitu (Labrador). •LUCA (4 mld) Oldest fossils ever found suggest life in the universe is common | Astronomy.com LUCA: Last Universal Common Ancestor Povstání živého tvaru •Podmínky vzniku: 3.8 mld – konec „Velkého bombardování“, možná velký impakt •Horká (70 °C) a vlhká planeta, intenzivní sopečná činnost (CO2, metan ale ne O2) a výpar ale srážení na popelu (deště) •Osluněné mělčiny teplých moří vs. termální hlubiny (CO2, rozpuštěné minerály) • The origin of life: The conditions that sparked life on Earth - Research Outreach Podle nejnovějších názorů nemuselo být bombardování meteority tak fatální, život se mohl v klidných částech planety už dávno rozvíjet a o dopadech jinde nemusel ani „tušit“. Povstání živého tvaru •Biogeneze – jak? Nevyřešeno (nové biogenezi vadí kyslík a život) •Rozmnožení genu = jediné měřítko úspěchu •Nenulové vztahy = hnací síla (Spojení dvou genů – pokud nenulový vztah větší naděje na rozmnožení) •Musela ale přijít supermutace – jinak entropie (evoluce většinou ztroskotá) – její pravděpodobnost se zvyšovala, mutace stále častější (exp. růst) • Kvůli existenci živých organismů nemůže ke vzniku života dojít znovu. Kromě konkurence vadí zejména přítomnost volného kyslíku v atmosféře, která brání další syntéze organických molekul. Povstání živého tvaru •Jak? •Boží slovo (Bible a korán) •Naivní abiogeneze (do 19. stol): Aristotelés •Robert Hook (1665): pozorování mikroorganismů •Francesco Redi (1668): maso a mouchy • •Teorie biogeneze: omne vivum ex ovo •Francouzská akademie věd: cena za rozřešení •Louis Pasteur (1861): ve sterilním prostředí nejsou bakterie a houby • Louis Pasteur – Wikipédia L. History of Robert Hooke | Physics is Fun Aristotelés věřil, že mšice se rodí z rosy, která padá na květiny, mouchy ze shnilého materiálu, myši ze znečištěného sena, krokodýli z hnijících polen na dně vodních ploch a podobně. Mnohým se zdálo, že objev mikroorganismů podporuje teorii samoplození, protože mikroorganismy se zdály být příliš jednoduché na to, aby se mohly rozmnožovat pohlavně a nepohlavní rozmnožování (mitotické) v té době ještě nebylo pozorováno. Povstání živého tvaru •Teorie panspermie: jednodušší formy přežijí impakt •Pseudo-panspermie: na Zemi se dostaly potřebné sloučeniny (podporují ji nálezy organických sloučenin na povrchu meteoritů) • Panspermie – Wikipedie Panspermie: Jedná se stále o současnou hypotézu, která ale neřeší přímo otázku jak vznikl život, ale jak se dostal na Zemi. Povstání živého tvaru •Vznik organických látek z anorganických •Teorie prebiotické polévky: Charles Darwin (1871): malé jezírko s látkami a energií (amoniak, fosforečnany) •Teorie koacervátů: Oparin (1924): funguje, ale předpokládá redukční atmosféru (dnes opuštěná teorie) • • • • Theory and recent applications of coacervate-based extraction techniques - ScienceDirect COACERVATE - Definition and synonyms of coacervate in the English dictionary Prebiotická polévka: V malém jezírku, ve kterém byla spousta amoniaku a fosforečnanů, světla, tepla, elektřiny, atd., takže mohly vzniknout bílkoviny, které potom podléhaly dalším změnám. Oparin: Popsal ve své teorii, jak ze základních chemických prvků vznikaly reakcí s vodními parami methan, amoniak, oxid uhličitý, oxid uhelnatý, oxid siřičitý, kyanovodík a další. Tyto sloučeniny dále pod vlivem tepla, ultrafialového záření a elektrických výbojů (simulující roli blesků) reagovaly s vodíkem a vodní párou a vytvářely složitější organické molekuly – aminokyseliny, sacharidy, lipidy i nukleotidy. Oparin si dále všiml, že bílkoviny vytvářejí ve vodě koacerváty – kapičky, oddělené od okolí ostrým rozhraním, jakousi membránou. Mohou dokonce pohlcovat různé látky a zvětšovat tak svůj objem, až se nakonec vlastní vahou rozdělí na několik dceřiných kapiček. Povstání živého tvaru •Aktuální teorie •Teorie RNA světa: upřednostňuje genetický kód •Teorie hydrotermálních průduchů: upřednostňuje metabolismus •Teorie živých jílů: upřednostňuje membránu • • • • • • Prvotní buňky musely mít vnější obal, metabolismus a přenos genetické informace. To vše zároveň, jak je ale možné, že ke všem třem jevům došlo skoro najednou? Nemuselo, jedna z těch věcí byla asi první, aktuální teorie se neshodnou, která Povstání živého tvaru •Teorie RNA světa (Walter Gilbert, 1986) •DNA předává info proteinům (enzymům), bez nich nemůže existovat, RNA může mít katalytické funkce (zachovány u ribozomů) •Problémy: malá stabilita RNA, proto navržen pre-RNA svět: jednodušší ale stabilnější polymer (možná peptidová PNA, threosová TNA) • • • • • • • • https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1b/Etls-2019-0024c.01.png/1280px-Etls-2019-0 024c.01.png PNA: Peptidová nukleová kyselina, TNA: Threosová nukleová kyselina Prvotní předchůdci nynějších buněk - protobuňky - byly patrně jen jakési "chomáčky" molekul ribozy, zpolymerovaných do krátkých úseků RNA, obalené spolu s vodou do jednoduché fosfolipidové membrány. Replikující se molekuly RNA kódovaly vlastnosti, které se "geneticky" předávaly vždy následující generaci. Mutace, k nimž náhodně docházelo různými vlivy (ionizující záření, chemické látky, chyby při "kopírování"), vedly ke změnám, z nichž ty "šťastné" umožňovaly těmto raným buňkám přizpůsobit se lépe okolí a přírodním výběrem tak navzájem soutěžit (Darwinovská evoluce). Doslova Achillovou patou teorie RNA světa je však velmi malá stabilita molekul ribonukleové kyseliny. Mechanismus pozdější přeměny pre-RNA světa v RNA svět je taktéž velmi nejasný. Podobně problematické je i pozdější převzetí úlohy replikace molekulou DNA. Povstání živého tvaru •Teorie hydrotermálních průduchů: Mísení horké mineralizované a chladné vody – srážení, minerály a kovy jako katalyzátory syntézy aminokyselin •Problémy: prostředí ve kterém by organické sloučeniny (včetně RNA) byly nestabilní Teorie pyritového světa: Vznik na povrchu sulfidů železa – lepší než mořské by ale byly suchozemské termální prameny • • • • • • • • Deep Sea Vents: Origin of Life Theory Hydrotermální průduchy = Černí kuřáci: Tato místa hluboko na mořském dně byla na rozdíl od zemského povrchu, stíhaného následky sopečné činnosti a dopadů meteoritů, velmi klidná a stabilní. Navíc teorie vzniku života v okolí černých kuřáků řeší i to, že některé sloučeniny potřebují ke své syntéze chlad a jiné teplo. Zpočátku ani nebyly potřeba informační molekuly a jejich nutnost se objevila až s tím, jak se zárodky života vyvíjely do větší složitosti. Povstání živého tvaru •Teorie živých jílů (Graham Cairns-Smith) •Minerální krystaly jílu rostou podle struktury a poté se dělí, váží organické látky (katalýza syntézy molekul), ochrana před UV, šíření větrem po vyschnutí •Dnes opouštěná • • • • • • • • Teorie živých jílů – Wikipedie Montmorillonit Jíly mohou katalyzovat polymeraci nukleotidů na RNA, také katalyzují vznik mastných kyselin vhodných k vytvoření prvotních membrán. Mohou se také po vyschnutí šířit větrem do dalších míst. Mají tedy některé vlastnosti dnešních živých organismů. Např: Montmorillonit tvořící růžové částečky v krystalu křemene patří mezi jílové minerály a mohl být prostředníkem při vzniku života na Zemi Montmorillonit je schopen absorbovat vodu a vytvořit gelovou strukturu. Montmorillonit má také velkou plochu s negativně nabitými povrchovými ionty, které mohou vázat pozitivně nabité ionty (kationty) jako například vápník, draslík nebo hořčík. Díky svým specifickým vlastnostem, jako je schopnost adsorpce a výměny iontů, byl montmorillonit zkoumán pro možné využití v oblasti nanotechnologie, například pro výrobu nanokompozitů. Povstání živého tvaru •Svět lipidů: membrány z fosfolipidů ve vodě tvořící lipidovou dvojvrstvu •Svět zinku: Pórovitý povrch sfaleritu •Vznik života pod ledem: velmi nízké teploty – pod ledem oceánu ochrana před UV (řeší nestabilitu, ale malá rychlost) – dá se spojit s RNA světem, eutektické mrznutí, 1972–1997 – amoniak a kyanid = aminokyseliny + NB •Vznik života pod povrchem Země (gejzíry) • • • • • • • • Systems protobiology: origin of life in lipid catalytic networks | Journal of The Royal Society Interface Sulfid zinečnatý = Sfalerit svými katalytickými vlastnostmi umožňoval vznik prvních biopolymerů a bránil jejich rychlému rozpadu pohlcováním nebezpečného ultrafialového záření. Vznik života pod ledem: Když se vytvoří ledový krystal, zůstane čistý a připojují se k němu pouze molekuly vody. Nečistoty, jako např. sůl nebo kyanid, jsou vyloučeny a shlukují se dohromady, čímž spolu reagují častěji, než kdyby byly smíchány s vodou. To by mohlo vést k mnohem rychlejším reakcím, než by jeden v chladu pod ledem čekal. Jeden z experimentů ukázal, že z amoniaku a kyanidu ponechaném v mrazicím boxu mezi lety 1972–1997 vzniklo sedm různých aminokyselin a jedenáct typů nukleových bází. Ovšem jako zásadní připomínka existuje tzv. paradox slabého mladého Slunce, který ukazuje na to, že i přes malý počáteční výkon Slunce byla teplota na Zemi v té době vyšší. Pod povrchem Země: Přirozená zemská radioaktivita mohla teplem či pohonem gejzírů vytvořit prostředí pro vznik života Základní pochody v buňce •Replikace – DNA: dvě dvoušroubovice DNA •Transkipce – sestavení RNA podle záznamu DNA (mRNA) •Translace – ribozomy, překlad pořadí mRNA do proteinů (pomocí tRNA a rRNA) •Epigenetika – úprava gen. informace pomocí enzymů (metylace) Central Dogma- Replication, Transcription, Translation - Molecular Biology - Microbe Notes DNA Methylation | EpiGentek Replikace – pro přenos informace do další generace je nutné před každým buněčným dělením zdvojnásobit množství genetické informace v buňce. Reverzní transkripce – retroviry dokáží svou RNA přepsat do DNA a začlenit ji do genomu hostitele. Základní pochody v buňce •Metabolismus (energie Slunce, regulován ATP a NADH+) •Anabolismus (biosyntéza, endogonická reakce, hlavně redukce) •Katabolismus (rozklad, exergonická reakce, hlavně oxidace) •Spřažené reakce, uvolňuje se teplo do okolí – entropie • • Kapitola 2. Metabolismus Přebytky energie ukládány (živočišné buňky glykogen, rostliny škrob), syntéza mastných kyselin (adipocyty) Metabolismus: Soubor všech enzymových reakcí (tzv. metabolických drah), při nichž dochází k přeměně látek a energií. Spřažené reakce – přes nějaký společný meziprodukt. Přebytky energie ukládány (živočišné buňky glykogen, rostliny škrob), syntéza mastných kyselin (adipocyty). Jeden gram tuku obsahuje asi šestkrát tolik energie jako stejný objem glykogenu, je však pomaleji utilizovatelná Základní pochody v buňce •Typy metabolismu •Dle energie •Fototrofní – energie z fotosyntézy •Chemotrofní – energie z organických sloučenin •Dle zdroje uhlíku •Autotrofní/litotrofní – C z anorganických látek, CO2) •Heterotrofní/organotrofní – C z organických látek •Mixotrofní – kombinace • 8.6 Lithotrophy – Microbiology: Canadian Edition Organotrofie: uhlík z organických látek, energii ze světla (fotoorganotrofie) nebo rozklad organických látek (chemoorganotrofie). Organismy nepatřící mezi organotrofy patří mezi litotrofy. Fototrofie: získávání energie ze světla. Jde zejména o zelené rostliny, řasy, sinice a fotosyntetizující bakterie. U všech těchto organismů se fototrofie pojí s autotrofií, existují však i fotoheterotrofní bakterie. Protipólem fototrofie je chemotrofie: energie z organických látek (organotrofie) či anorganických (litotrofie). Mezi litotrofy patří výhradně některé druhy mikrobů a rostlin. Chemolitotrofní: Bakterie oxidující metan na oxid uhličitý a vodu, bakterie sirné oxidující síru či siřičitany na sírany a bakterie nitrifikační oxidující amonné soli na dusičnany. Jedinečnost buňky a její metabolismus •Prvotní buňka •Asi prokaryotní, heterotrofní, autotrofie později (dnes zpochybňováno) – možná autotrofie v podobě metanogeneze •Bez kyslíku, chráněné před UV, nároky na teplo? (AG teplo vs. CTU chlad) • First Cell | CK-12 Foundation Biology 101: Cells | Prokaryotic cell, Eukaryotic cell, Biology notes V moderní době se stále silněji prosazují také návrhy autotrofních počátků. Úroveň UV nejistá, podle posledních výzkumů je jistá úroveň UV záření pro formování RNA nutná. Teplota nejistá: Pro vznik některých důležitých organických látek je výhodnější vyšší teplota, avšak pro jiné je lepší chlad, v teple jsou nestabilní, rozpadají se, adenin a guanin potřebují k syntéze chlad, cytosin a uracil naopak vyžadují vysoké teploty. •1. metabolická dráha: Fermentace prebiotických organických sloučenin a anaerobní respirace (uvolňování CO2) •Respirace sulfátů — (SO4 → H2S) – evoluce porfyrinu (přenos elektronů, základ chlorofylu a cytochromu) Anaerobic Respiration: The Definitive Guide | Biology Dictionary Porfin – Wikipedie Různé typy metabolismů v průběhu evoluce Nejdříve se fermentovaly jednoduché organické látky (aldehydy, alkoholy,…). S tím, jak rostla konzumace, látek ubývalo a to vytvořilo příležitost pro nový typ metabolismu – využití síranů za tvorby sirovodíku. Ve skupině sulfátových bakterií se objevily první, které vytvářely porfyrinový kruh – základ chlorofylu (a později také hemoglobinu). Od toho byl krůček k fotosyntéze Různé typy metabolismů v průběhu evoluce •Fotosyntéza (3.8–3.5 mld – cyanobakterie), mělčiny moře •Stromatolity (3.5 mld) – dodnes v mělčinách Austrálie •Anoxygenní f. (donory elektronů: zatím H2S, železité ionty): cyanobakterie, zelené sirné bakterie (neuvolňuje se O2) Eurodenik - V Austrálii nalezeni živí zástupci nejstarší formy života na Zemi Searching For Earth's Oldest Life Biologie: Sinice a řasy: Sinice neboli Cyanobacteria V počátcích fotosyntézy byl donor elektronů místo vody sulfan (H2S) nebo železité ionty – neuvolňuje se O2 – anoxygenní fotosyntéza •Oxygenní fotosyntéza: (donor elektronů H20): První sinice uvolňující O2 štěpením vody – 2.9 mld let), ΔH = 357 kJ/mol CO2 → ΔH = 475 kJ/mol CO2 •Přeměna na O2 – negativní vliv na anaeroby ale vysokou reaktivitou umožnil vývoj aerobů (a složitějších organismů) •Chromatofory (Prokaryota) a chloroplasty (Eukaryota) •Základní pigmenty: bakteriochlorofyl, chlorofyl • • 29 Chlorophyll Formula Illustrations & Clip Art - iStock Bacteriochlorophyll - Wikipedia Různé typy metabolismů v průběhu evoluce Anoxygenní fotosyntéza má oproti oxygenní fotosyntéze mnohem nižší účinnost využití energie, ΔH = 357 kJ/mol (hodnota vztažená na fixaci 1 molu CO2; v případě oxygenní fotosyntézy 475 kJ/mol). Velké množství kyslíku v atmosféže způsobilo zánik mnoha druhů, a tím uvolnění prostoru k vytvoření organismů mnohobuněčných. •Odštěpení sinic od bakterií: 3.4 mld, společný předek současných sinic 2.9 mld (Oxygenní fotosyntéza), „rychlá” a „pomalá” fotosyntéza •500 mil přibývá O2 => Velká oxidační událost (2.4 mld) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/03/Oxygenation-atm-2.svg/1920px-Oxygenation- atm-2.svg.png Různé typy metabolismů v průběhu evoluce Oxygenní fotosyntéza: Ve světelné fázi fotosyntézy dochází za pomoci sluneční energie k výrobě NADPH a ATP, v temnostní fázi jsou za pomoci těchto látek vyráběny z oxidu uhličitého a vody sacharidy. V současnosti existují na téma vývoje fotosyntézy v sinicích dvě vzájemně si konkurující teorie. Podle jedné se tento přirozený proces přeměny slunečního svitu na energii objevil v evoluční historii Země poměrně záhy po jejím vzniku, ale postupoval velmi pomalou fúzí. Podle druhé se fotosyntéza vyvinula naopak mnohem později, ale za to pak "vzlétla jako blesk" a přeměnila životní prostředí na Zemi téměř raketovým tempem. Podle nejnovějších zjištění řešící tyto dvě hypotézy mají všechny dnes existující druhy sinic společného předka, který se vyskytoval na Zemi asi před 2,9 miliardy let. Přičemž jeho předkové se od nefotosyntetických bakterií odštěpily zhruba před 3,4 miliardy let. Fotosyntéza se tedy vyvinula pravděpodobně někdy mezi těmito dvěma daty. •Aerobní respirace (dýchání) – spotřebovává O2, vznik ATP •Citrátový cyklus (Krebsův cyklus): Postupná dekarboxylace a oxidace kyseliny citronové •Začátek jako dvě paralelní lineární reakce •Hraje roli i v glukoneogenezi nebo lipogenezi •Cytosol (Prokaryota), mitochondrie (Eukaryota) Tricarboxylic acid cycle | biochemistry | Britannica Různé typy metabolismů v průběhu evoluce Fotosyntézou a následnými procesy se do chemických látek hromadí energie. Ta se uvolňuje oxidací za spotřeby vzdušného kyslíku (O2) a přeměňuje se na adenosintrifosfát (ATP). Jednobuněčné organismy na cestě k větší komplexitě •Po většinu času nejsložitější prokaryontní buňka, pořád nejdominantnější, jednoduchý shluk DNA bez organel (výjimka: „mesozomy“, karboxyzomy a magnetozomy) • • • Bacterial Cell Composition Archaebacteria - Characteristics & Types Of Archaebacteria https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/Small_magnetosome.jpg Generační doba prokaryot cca 30 min. Za 24 hodin a ideálních podmínek z jedné buňky až 4722 trilionu buněk. Tzv. mesozomy jsou zřejmě artefakty vzniklé při přípravě buněk na elektronovou mikroskopii Karboxyzom je bakteriální vnitrobuněčná struktura (jeden z mikrokompartmentů), jejímž úkolem je fixace uhlíku. Pravděpodobně v sobě koncentrují oxid uhličitý. Karboxyzomy se vyskytují u všech sinic a také u některých chemotrofních bakterií. Magnotaktické bakterie mají ale skutečnou „organelu“ – magnetosom – obsahuje 15–20 krystalů magnetitu uspořádaných do jakési střelky kompasu. Pomocí něho hledají pro ně vhodné mikroaerobní podmínky. Jednobuněčné organismy na cestě k větší komplexitě •Vznik eukaryotické buňky – eukaryogeneze: 2.7 mld (sterany; Austrálie) – ale asi infiltrace látkami, posun na 2.2 mld •Eukaryontní buňka: mohla být před oxygenací atmosféry, současné potřebují O2 •DNA rozptýlená v cytoplasmě se začala shlukovat – jádro (dvojv. membr., chromatin, jadérko, ribozomy), organely • • • Eukaryotic Cells | BioNinja 6,211 Plant Cell Illustrations & Clip Art - iStock Sterany jsou prekurzory sterolů a steroidů, volně v přírodě se nenachází, jsou součástí a tím pádem důkazem přítomnosti eukaryotických buněk. Sterany mohou zůstat v horninách a sedimentech dlouhou dobu, což umožňuje vědcům studovat život, který existoval před mnoha miliardami let Jednobuněčné organismy na cestě k větší komplexitě •Prokaryotická buňka: bakterie, Archea; haploidní, DNA neoddělená od cytoplazmy, prokaryotický typ ribozomů, bičík bakteriálního typu; buněčné dělení binární (generační doba 15–30 min) •Eukaryotická: prvoci, živočichové, rostliny a houby; složitější struktura – větší velikost, přítomnost organel (…) a předpoklad pro mezibuněčnou spolupráci; mitotické a meiotické dělení. Mitoza – vegetativní dělení ve dvě; Meioza – redukční dělení (pohlavní buňky) •Rostlinná buňka: celulozní buněčná stěna, odolnost plazmoptýze, vakuola – zásobní orgán •Živočišná buňka: menší, jedno jádro (s výjimkami), lysozomy – k degradaci látek buňkou fagocytovaných • Struktury eukaryotické buňky: jádro ohraničené dvojitou membránou, endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, vakuoly, vnitřní systém membrán, semiautonomní organely – odděleny dvěma membránami (endosymbioza): mitochondrie, plastidy (některé z nich chloroplasty), cytoskelet – kolejnice pro pohyb, bičíky eukaryotického typu, eukaryotické ribozomy, peroxizomy a glyoxizomy (přemena AA a tuků na cukry) Ne všechny eukaryotické buňky musí mít jedno jádro: Buňky v játrech, v chrupavkách obsahují makronukleus a mikronukleus. Buňky, které odbourávají kostní tkáň (takzvané osteoklasty) mají až 100 jader. V živočišných tkáních známe i mnohojaderné útvary, které vznikají buď dělením jádra, přičemž se nedělí cytoplazma (plazmodium) nebo splynutím více buněk v jediný útvar (syncytium, např. srdeční tkáň). Na druhou stranu červené krvinky člověka jsou zcela bezjaderné. Jednobuněčné organismy na cestě k větší komplexitě •Lynn Margulis: Fúze dvou a více typů buněk – endosymbióza •Dělba práce, po splynutí menší buňka uvolňování energie, větší buňka – pohyb – vzájemné posílení vyhlídek na přežití a rozmnožení •Menší řízena částečně geny v jádře – zvýšení účinnosti – „opouzdřený otrok“, „pomnožení a sezřání“ (Maynard Smith) •Ale výhody: sexuální rozmnožování → rozvoj diverzity • • • • • The origin of mitochondria and chloroplasts | Learn Science at Scitable Lynn Margulisová – Wikipedie Někteří evoluční biologové přehnaně zdůrazňují úlohu soutěže a opomíjejí úlohu spolupráce jako hlavní síly ženoucí evoluci. Používají i na úrovni mitochondrií pojmy jako „vykořisťování“, „podřízenost“ – mitochondrie ale nemá pocity a nezná antropocentrický koncept „svobody/nezávislosti“ a nemá vědomí vlastního osudu, z pohledu teorie her je důležitý nenulový součet, ten dostává. I kdyby větší buňka mitochondrie nechala pomnožit a sežrala jako prasata – geneticky je to pro mitochondrie stále výhodné. Z darwinovského pohledu jsou na tom domácí zvířata výborně – více DNA domácích prasat než divočáků „prase nemohlo potkat nic lepšího než se stát zdrojem vepřového“. Navíc mitochondrie nemusely být sežrány – mohlo jít o predátorské parazity (spíše). Jednobuněčné organismy na cestě k větší komplexitě •Semiautomní organely: vlastní genetická informace – potomci bakterií (mitochondrie), sinic (plastidy), hostitelská buňka (Archea) •Potvrzení endosymibotické teorie: Pozorování nově vznikajících semiautonomních organel (Paulinella chromatophora) – cyanely •Mitochondrie (živočichové i rostliny), plastidy (rostliny) – Odstraňování duplicitní DNA a přeskupení do jádra • • • • cyanelle - Keyword Search - Science Photo Library The human mitochondrial genome consists of 16,569 bp encoding 13... | Download Scientific Diagram Semiautonomní organely nalezneme pouze u eukaryot a jejich získání představuje základní krok v evoluci od prokaryot k eukaryotům. Paulinella chromatophora: Bylo prokázáno, že její plastidy (zvané cyanely) byly získány pohlcením sinice, ale zcela nezávisle od primární endosymbiotické události, díky níž má plastidy většina ostatních fotosyntetizujících eukaryot. Cyanela je označení pro primitivní plastid (chloroplast) připomínající v mnoha ohledech buňku sinice, z nichž se vyvinuly. Cyanely mají na rozdíl od běžných plastidů buněčnou stěnu (z peptidoglykanu), a podobně jako plastidy redukovaný genom. Jednobuněčné organismy na cestě k větší komplexitě •Původ mitochondrie •Anaerobní vodík metabolizující buňka (Archea) pohltila buňku zpracující O2 (Bacteria) za produkce energie – budoucí mitochondrie; Alternativní H: Mitochondrie původně endosymbionti metabolizující S a H – až později O2 •Transformace chemické energie metabolitů (ATP) v energii přístupnou buňkám, oxidativní fosforylace, Krebsův cyklus • • • • • Cellular Respiration Jednobuněčné organismy na cestě k větší komplexitě •Původ plastidů: ze sinic (pohlcením eukaryotem) •Zelené rostliny, některé bakterie včetně sinic, ruduchy, obrněnky, skrytěnky, hnědé řasy, krásnoočka, zelené řasy •Někteří živočichové: Elysia chlorotica (chlorofyl a sekvence genů od řas) • • Pin on Earthlings or Aliens Anatomy and Reproduction of Euglena Cells U chloroplastů na rozdíl od mitochondrií víme, že byly sežrány. Chloroplasty se vyvinuly ze sinic (pohlcením eukaryotem). Kromě zelených rostlin, je mají ruduchy, obrněnky, skrytěnky, hnědé řasy, krásnoočka a zelené řasy. Také ale někteří živočichové: Elysia chlorotica (má chlorofyl a sekvence genů od řas). Jednobuněčné organismy na cestě k větší komplexitě •Nejstarší doklady plastidů (sterany) •Plastidy – 1.5 mld let (oxygenní fotosyntéza) – rozštěpení na chloroplasty (zelené řasy a rostliny), rhodoplasty (červené řasy), cyanely (prvoci) •Řasa Grypania – 1.85 mld? • • • Grypania spiralis (Negaunee Iron-Formation, Paleoproterozo… | Flickr Proč jsou červené řasy důležité pro korálové útesy - 2021 - Zprávy Steran – základ steroidových látek, tedy mnoha hormonů. Jednobuněčné organismy na cestě k větší komplexitě •Modifikace mitochondrií: u některých hydrogenosomy (H) •Modifikace plastidů: (všechny obsahují thylakoidy): chloroplasty (fotosyntetický aparát), proplastidy (nedozrálé chloroplasty), chromoplasty (různá barva, ochranná funkce), leukoplasty – zásobní (škrob) •Prim. endosymbioza (sinice) – 2 membrány, některé řasy sekundární endosymbioza (Rhizaria, Excavata) – 3–4 membrány, až 6 membrán https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b9/Trichomonas_Giemsa_DPDx.JPG ISOP on Twitter: "New Recognition for Major Players in the Ocean's Silicon Cycle https://t.co/RRe9nkXaz3 #protists Estimating Biogenic Silica Production of #Rhizaria in the Global Ocean: Natalia Llopis Monferrer et al.… https://t.co/9HTX0OdyvB" https://4.bp.blogspot.com/-MyTN0iRTVW8/T-WEWsoO4aI/AAAAAAAAApw/m5hCKwKygfA/s1600/Plastids.png Hydrogenozom je membránou uzavřená organela některých anaerobních nálevníků, trichomonád či hub. Produkuje molekulární vodík (z toho bylo odvozeno i její jméno). Sekundární endosymbioza: Hostitelská buňka v tomto případě pohltila jednobuněčnou řasu již i s plastidem, tyto plastidy pak mohou mít tři, čtyři ale i 6 membrán. Jednobuněčné organismy na cestě k větší komplexitě •Jádro (Matka/Otec), mitochondrie jen Matka •Vznikají nesoulady: Při rozmnožování protichůdné zájmy •U řady rostlin mitochondrie mají geny pro „potracení“ pylu, protiopatření – napravovací geny v jádře: větší tvorba pylu. Wolbachia Na začátku asi hra s nulovým součtem (mitochondrie se dostala do buňky snad při neúspěšném pokusu o vykořisťování – velká se snažila sežrat malou buňku) a nedokázala ji strávit nebo malá nedokázala velkou zabít – nenulovost se objevuje postupně. Ve vztazích s nenulovými součty vždy nějaké rozpory. Proč mitochondrie jenom matky? Kdyby obou rodičů, byly by geneticky neidentické – mohly by vznikat konflikty, kdo půjde do další generace – to by poškozovalo organismus, který tak zavádí mechanismy, aby tomu tak nebylo – např. jednorodičovost. V zájmu mitochondrií je tedy více dcer a méně synů. U hmyzu má stejnou dynamiku bakterie rodu Wolbachia, mimochodem předek mitochondrií pochází z jejího příbuzenstva.