Úvod do biologie Jana Hložková Struktura předmětu Přednášky – J. Hošek, J. Hložková, M. Bartoš,… Praktická cvičení – 1x za 14 dní J. Hložková, P. Scheer, G. Kuzmínová, M. Dvořáková, J. Melicharová, L. Tlučhořová „BIOLOGIE JE VÝJIMEČNÁ VĚDA O VÝJIMEČNÝCH VĚCECH“ Biologie – věda o životě - nejdiverzifikovanější vědou, jakou si v lze v současnosti představit. - obrovský záběr biologických disciplín - od makromolekulárních komplexů v řádu nanometrů až po ekologii kytovců v globálním měřítku definice Biologie (z řeckého bio jako život a logie jako věda – tedy životověda – věda zkoumající život). V nejširším slova smyslu - od chemických dějů na úrovni atomů a molekul, až po celé ekosystémy a jejich vztahy. Obory biologie strukturální – fyziologické - evoluční - enviromentální Strukturální - Molekulární biologie Cytologie, neboli buněčná biologie Genetika Vývojová biologie Fyziologické Fyziologie Anatomie Evoluční Paleontologie Populační genetika Teorie evoluce Environmentalní Ekologie obecné ekologie globální ekologie ekologii mikroorganismů ekologie lesa a moří ekologie jedince (autekologie), populací (demekologie), společenstev (synekologie) biomů Etologie historie Michael Christoph Hanov – Philosophiae naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia (1766) poprvé použití slova biologie Jean-Baptista Lamarck (1744–1829) – pojetí biologie v dnešním slova smyslu. Doba Antického Řecka a Říma (starověk) 8. do 5. století př. n. l. a za její konec zánik Západořímské říše roku 476 n. l. Aristotles ▪ Popsal na 500 živočišných druhů ▪ zavedl základy komparativní anatomie a embryologie ▪ klasifikace živočichů Claudius Galen ▪ první lékař, který použil puls jako příznak nemoci. ▪ lékař gladiátorů, cisařů Marca Aureila, Commoda,.. STŘEDOVĚK (6. – 15./16. století) Ve středověku arabští lékaři al-Jahiz, Avicenna, Avenzoar a Ibn al-Nafis – přebírali poznání z antiky. Avicenna - Ibn Síná - Muslimský lékař, nejslavnější a nejvlivnější z filozofůvědců středověkého islámského světa. - Kitāb al-shifāʾ (Kniha léku), rozsáhlou filozofickou a vědeckou encyklopedii, - a Al-Qānūn fī al-ṭibb (Kánon medicíny), která patří mezi nejslavnější knihy v historii lékařství. Renesance a začátek novověku - biologie jako věda pronikla i do Evropy Robert Hook , Antoni van Leeuwenhoek – objev mikroskopu 1665?, zavedení pojmu buňka - https://www.scienceinschool.org/article/2012/microscope Carl Linné - taxonomie William Harvey ●„krev bez přestání proudí a obíhá dokola, a to v důsledku tlukotu srdce“ 1578 - 1657 Andreas Vesalius - poznatky z pitev 19. století buňka předmětem zájmu – J.E.Purkyně, M.J.Schleiden, T. Schwan, R. Virchow Jan Evangelista Purkyně (1787 – 1869) ● byl český fyziolog, anatom, biolog, básník a filozof; Svým příspěvkem o živočišných tkáních složených z buněk s jádry (v Karolinu roku 1837) se stal jedním ze spoluzakladatelů cytologie. ● nejfrekventovanějšího eponyma české vědy: Purkyňova vlákna v srdci, Purkyňovy buňky v malém mozku, Purkyňovy obrázky (vnímání světla okem), Purkyňův jev (vnímání barev okem) a řada dalších po něm nazvaných útvarů a jevů. ●https://vesmir.cz/cz/on-line- clanky/2019/07/nenapravitelny-starec.html J.E. Purkyně Charles Darwin Nejvýznamnějším biologem 19. století teorie o evoluci na základě přírodního výběru Odpor společnosti - v rozporu s křesťanstvím (kreacionismus), později však byla uznána jako pravdivá Zneužití Darwinovy teorie – rasismus - eugenika Gregor Mendel - česky též Řehoř Jan Mendel ● 20. července 1822 Hynčice – 6. ledna 1884 Brno ● byl moravský přírodovědec německého původu ● zakladatel genetiky a objevitel základních zákonů dědičnosti, biolog, matematik, botanik, zajímal se také o meteorologii. ● Byl učitelem, mnichem, knězem a později opatem augustiniánského kláštera na Starém Brně. 20.století Thomas Morgan - populační genetika, prokázal, že geny jsou umístěny na chromozómech (sveřepý odpůrce této teorie) - 1933 Nobelova cena James D. Watson a Francis Crick, Rosalinde Franklin, M. Wilkins - objevili roku 1953 strukturu DNA, 1962 Nobelova cena za medicínu. - ●V roce 1966 rozluštili američtí biochemici Har Gobin Khorana a Marshall Waren Nirenberg genetický kód. ●V 60. letech 20. století byla objasněna struktura RNA. ● V roce 1989 obdrželi američtí chemici Thomas Cech a Sidney Altman Nobelovu cenu za objev autokatalytické RNA, čímž se významně posunulo vědění v oblasti vzniku a vývoji života na Zemi Pět základních pilířů biologie I. Buněčná teorie – Všechny živé organismy se skládají z buněk, základních stavebních kamenů života. Studuje stavbu buněk, jejich rozmnožování a životní prostředí. II. Evoluce – v biologii je to označení procesu postupné změny genetických vlastností organismů a procesu přírodního výběru. III. Teorie genů – vlastnosti všech živých organismů jsou zakódovány v genech. IV. Homeostáze – fyziologické procesy udržující stálé vnitřní podmínky těla nehledíc na podmínky vnější. V. Energie – základním rysem každého živého organismu je využití energie. Přežití každého živočicha a rostliny závisí na jejím neustálém přísunu Co je živé? ? kde je hranice a zda vůbec existuje ? Maynard-Smith a Szathmáry (1995) - dvě možnosti definice „živého“ fenotyp vs. genotyp Fenotypický přístup - entita je živá, pokud má části nebo „orgány“, které vykonávají nějakou funkci. Genotypický přístup - definovat jako živé ty entity, které mají vlastnosti množení, proměnlivosti a dědičnosti. Hledání odpovědí na tři základní otázky: • kdy život vznikl (časové vymezení) • kde život vznikl (v jakém prostředí) • za jakých podmínek život vznikal (které vnější faktory se uplatňovaly při formování života) Teorie vzniku života 1. Teorie samoplození • organismy mohou vzniknout přímo z neživé hmoty (Aristoteles) • teorie vyslovená už starověkými filozofy, ale vyvrácená v polovině 19. století – za 2000 let! • vznik organismů přímo z neživé hmoty (např. žáby z bahna, myši z obilí apod.) • vyvrátil francouzský chemik Louis Pasteur 2. Kreační teorie • předpokládají zásah nadpřirozené síly, tj. Boha • C. Linné, R. Hooke nebo J. B. Lamarck Toto jsou výsledky celostátního průzkumu zaměřeného na výuku biologie na amerických středních školách. Kurt Gödel 1906 - 1978 - matematický důkaz existence Boha 3. Panspermatická teorie • život rozšířen v celém vesmíru ve formě tzv. kosmozoí, která se ve vhodných podmínkách rozvinou do vyšších forem • nevysvětluje tedy vznik života jako takového, jen jeho objevení se na Zemi • rozpracoval švédský chemik S. Arrhenius, současně zastávál i H. C. Crick (jeden z objevitelů struktury DNA) 4. Teorie evoluční abiogeneze ▪ vznik života postupným vývojem na Zemi ▪ posloupnost zahrnuje nejprve vznik základních stavebních látek organismů (aminokyselin, lipidů, cukrů) a informačních makromolekul (nukleových kyselin) s následnou replikací a evolucí ▪ Charles Darwin Posloupnost dějů vědecké abiogeneze: 1. Vznik a existence základních anorganických látek - H2O, CO2, NH3, nitridy, apod. 2. Vznik jednoduchých organických látek (CH4, atd.) 3. Vznik složitějších organ. látek a makromolekul – aminokyseliny, organické kys. atd) 4. Vznik biomakromolekul – bílkoviny, nukleové kyseliny 5. Vznik komplexu nukleových kyselin a bílkovin – koacervátů – které mají vlastnosti živ. organismů - (nemísí se s vodou, jsou ohraničené vůči okolí, pohlcují určité látky z okolí,rozpadají se na další koacerváty) – jde však o čistě fyzikální a chemické procesy, nikoli o projev života! . Dřívější předpoklady o vzniku koacervátů v teplých mořích se ukazuje jako nepravděpodobná, představa o „prapolévce“ se mění na teorii o „prapizze“. Vznik života se podle ní odehrál v malých vodních nádržích s vysokou koncentrací organických látek. Teorie koacervátů vytváří odrazový můstek pro hypotézu vzniku prvních živých organismů – eobiontů. Tato hypotéza však nemá důkazy – je to nejslabší místo celé teorie abiogeneze! 6. Eobionti – první nejprimitivnější živé organismy - anaerobní heterotrofní jednobuněčné organismy schopné autoreprodukce. Cesta od koacervátů k eobiontům je nedoložitelná, propast, která je dělí je nepředstavitelná! 7. Vznik buňky - teorie předpokládá vznik primitivního metabolismu (metabolická evoluce). Na tuto evoluci podle předpokladů teorie vědecké abiogeneze navazuje vznik buňky a buněčných struktur - organel (strukturální evoluce). 8. Vznik autotrofních – fotosyntetizujících organismů Pravděpodobně na základě symbiotických vztahů se také vytvořila první buňka schopná autotrofním výživy - fotosyntézy. Tím se do atmosféry jako odpadní látka začal dostávat kyslík = změna chemické struktury atmosféry Evoluce Carl Lamarck Charles Darwin TEORIE EVOLUČNÍ, AUTOCHTONNÍ ABIOGENEZE • proces vzniku života zahrnuje dvě fáze • chemická evoluce = vznik stavebních látek živé hmoty • biologická evoluce = vznik buněk a jejich vývoj po dnešní dobu Chemická evoluce ▪ proběhla v několika etapách ▪ zahrnuje v sobě vznik jednoduchých organických sloučenin abiogenetickou cestou (samoplozením) již v době formování zemské kůry (tj. cca před 4 mld. let) ▪ praatmosféra měla redukční charakter, obsahovala řadu jednoduchých sloučenin (voda, vodík, oxid uhličitý, sulfan, amoniak, dusík, fosfan, kyanovodík…) ▪ z těchto látek mohou při dodání energie (např. UV záření, teplo vulkanických pochodů, elektrické výboje) vzniknout jednoduché sloučeniny (aminokyseliny, dusíkaté heterocykly) výše popsané prokázáno experimentálně: Millerův-Ureyův experiment ▪ z koloidních roztoků makromolekulárních látek vznikají za vhodných podmínek spojováním koloidních částic s opačnými elektrickými náboji na svém povrchu shluky – ty vytvářejí oddělenou disperzní fázi ve formě malých kapiček = KOACERVÁTY (pokusy Oparin, Haldane) ▪ předchůdci buněk = PROTENOIDNÍ MIKROSFÉRY (vznikají spontánně ochlazením vodných roztoků polypeptidů, podobné vlastnosti jako buňky: růst, komplexita, dvojitý obal, elektrický potenciál apod.) ▪ koacerváty a mikrosféry představují první termodynamický otevřený systém = METABOLON ▪ Nemá však schopnost replikace Biologická evoluce • aby mohly metabolony nastoupit cestu evoluce, musely nejdříve získat schopnost autoreplikace • otázka vzniku života souvisí se vznikem genetického kódu a zabezpečením přesné replikace nukleové kyseliny, obsahující ve své struktuře genetickou informaci • přímí předchůdci organismů = PROBIONTY: nedokonale se replikující systémy bez ustáleného genetického kódu, replikace RNA bez účasti enzymů (nepřesné), • ▪ prvotní organismy, u nichž došlo k oddělení replikace od translace (spojeno se vznikem DNA zpětnou transkripcí RNA) => tři navzájem oddělené toky informací: ▪ replikace prostřednictvím DNA, ▪ transkripce DNA do mRNA, ▪ translace mRNA do primární struktury proteinů ▪ tyto praorganismy vývojově směřovaly k buňce prokaryotního typu, eukaryogeneze (vznik eukaryotické buňky) následovala později ●Prof. Jaroslav Flegr – Zamrzlá evoluce ●https://edu.ceskatelevize.cz/video/4973-o-evoluci-a-vyvoji-organismu Taxonomie Carl Linné Domény - nejvyšší taxon - stanoveny na základě analýzy genů pro rRNA 1. archea (Archaea, dříve Archaebacteria) 2. bakterie (Bacteria, dříve Eubacteria) 3. eukaryota (Eukaryota, též Eukarya, jaderní) 4. ? NCLDV (nucleocytoplasmic large DNA viruses) skupina jaderně-cytoplazmatických virů s velkou DNA (?od r. 2010) Fylogenetický strom života Vývoj taxonomie dle možností zkoumání – mikroskop, elektronový mikroskop, molekulární biologie Typy buněk Prokaryotická buňka ● Archea ● Bakterie Eukaryotická buňka ● Rostliny ● Živočichové ● Houby Rozdíly stavby buňky --- Prokaryota Eukaryota velikost 0,3–6 μm 5 μm – několik cm buněčná stěna ano rostlinná bb. Ano x živočišná Ne jádro Nukleoid bez membrány Pravé jádro organely pouze nemembránové membránové i nemembránové ribosomy Prokaryotní (sedimentační koeficient 70 S) cytoplazmatické (80 S) mitochondriální (70 - 80 S) chloroplastové (70 S) Rozdíl v genetické informaci --- Prokaryota Eukaryota jádro nemají jádro (pouze nukleoid) mají plnohodnotné jádro chromosom pouze jeden kruhový jeden i více lineárních geny bez intronů obsahují introny a exony počet genů 6 až 8 tisíc více jak 10 tisíc ploidie pouze haploidní diploidní i haploidní jadérko nemají jadérko mají jadérko nejaderná DNA plazmidy mtDNA, popřípadě plastidová jaderné proteiny bez histonů histony Prokaryota archea bakterie lipidy v membráně éterová vazba mezi glycerolem a karboxylovými skupinami esterová vazba mezi glycerolem a karboxylovými kyselinami peptidoglykan v buň. stěně chybí je obsažen - murein ribosomy a RNA polymerasa podobné eukaryotům odlišné od eukaryot introny v genech u některých nejsou původce onemocnění člověka nezpůsobují působí výskyt extrémofilní -extrémně halofilní archea – k růstu vyžadují vysokou koncentraci NaCl (9–13 %) –archea produkující metan – hypertermofilní archea – teplotní optimum 70– 105 °C ,archea bez buněčné stěny – všude Eukaryota Rostlinná buňka Živočišná buňka Odkazy: https://www.youtube.com/watch?v=CIbooJPZCK8 Byl jednou jeden život ☺ Děkuji za pozornost