VZNIK ŽIVOTA NA ZEMI Co je vlastně život? definice: fenotypové evoluční Muller (1966): autoreprodukce proměnlivost dědičnost- nutná schopnost akumulace hmoty a její organizace do složitějších struktur nutný metabolismus nutná paměť systému Barton et al. (2007): autoreprodukce a přírodní výběr Problém studia vzniku života: • evoluční „tinkering", vždy krátkodobá výhoda, nebo náhoda, nikdy dlouhodobá perspektiva x hodnocení evoluce ze zpětného pohledu, z hlediska dlouhodobých důsledků =^> • současný život nám při řešení příliš nepomůže • kritika kreacionistů: život nikdo nedokázal vytvořit ve zkumavce Evoluce ve zkumavce: • Sol Spiegelman (1970): evoluce RNA • RNA (templát) a replikáza bakteriofága Qp, nukleotidy Start • G u ' A C LJ M Transfer 1 \ 1 I Transfer 2 A U % G G :.í; c LJ A G A U * í& c A c U incubation for time 7 ...<á" incubation for time 7 Last transfer u » c a m c U S3 Sol Spiegelman u LJ A U incubation for time T Evoluce ve zkumavce: • Sol Spiegelman (1970): evoluce RNA • RNA (templát) a replikáza bakteriofága Qp, nukleotidy -> zmenšení velikosti -> snížení schopnosti infekce bakterie E. coli -> zvýšení rychlosti replikace evoluce -> „Spiegelmanovo monstrum": Sol Spiegelman - po 74. transferu 5% rozdíl v sekvenci 17% velikost ve srovnání s původní RNA Spiegelmanův experiment nevysvětluje vznik života (existence enzymu) O) ~C E < z: cc 4— O » - C o ní m ■t-' ŕ 15 20 25 Transfers Kdy vzniknul život? • dolní limit: nejstarší horniny - rula v Great Slavě Lake (Kanada) - 4 mld. - krystaly zirkonu (Austrálie) - 4,3 mld. - některé meteority - 4,5 mld. • konec bombardování Země--4 mld. prekambrické stromatolity Siyeh Formation, Glacier National Park horní limit: mikrofosilie, chemické fosilie - rohovec ve Warrawoona Group (Z Austrálie) - 3,5 mld.: podobnost se současnými stromatolity - dnes zpochybňováno - chem. fosilie - kerogen = organická hmota tvořená rozkladem a transformací živých organismů - Grónsko: 3.85 mld., potvrzení na základě poměru C12/C13 současné stromatolity Shark Bay, Z Austrálie • Závěr: život zřejmě vzniknul během 200 mil. let mezi 4 a 3,8 mld. Jak vzniknul život? • vznik jednoduchých organických molekul • chemická evoluce, primitivní metabolismus • vznik autoreplikace • kompartmentace a vznik buňky • vznik genetického kódu • přechod na DNA, rozdělení genotypu a fenotypu První chemické experimenty: • 1828: chlorid amonný + kyanát stříbrný + teplo -> močovina (= Wóhlerova reakce) • 50. léta 19. stol.: formamid + H20 + UV, elektřina^ alanin • formaldehyd + NaOH -> cukry =^> důkazy proti vitalismu (chemie v živých systémech fundamentálně odlišná od neživých) Jak vzniknul život? •Alexandr Ivanovic Oparin (1924) • J. B. S. Haldane (1928) • redukující atmosféra: vodík, voda, metan, čpavek A.l. Oparin J.B.S. Haldane Stanley L. Miller, Harold C. Urey (1953): - metan + čpavek + H2 + H20 -»10-15% uhlíku ve formě organických sloučenin - 2% uhlíku -» aminokyseliny i__ - lipidy cukry WĚF - stavební součásti nukleových kyselin H.C Urey S.L. Miller .atmosférická" část: elektrické výboje simulují blesky a dodávají energii Electrodes Spark discharge Gases —► Water out Condenser — Water in «- Wate r H rop lets chlazení a kondenzace plynů Water containing organic compounds Liquid water in trap „oceánská" část: voda se zahříváním odpařuje; přidáván H2, CH2 a NH3 v „oceánu" vznikají organické sloučeniny Problémy: • podle současných poznatků tehdejší atmosféra méně redukující: C02, N2, H20 a další =^> výsledkem reakcí mnohem méně molekul • nebyly syntetizovány nukleotidy • fosfor v přírodě vzácný • některé sloučeniny v minimálním množství • některé produkty vysoce nestabilní (např. ribóza: vznik i dalších cukrů, které syntézu ribózy inhibují) • omezená produkce dlouhých polymerů • vznik D i L stereoizomerů AA a NA R R L-aminoacid D - amino acid • samovolný vznik rozvětvených, nikoli lineárních lipidů Kde vzniknul život? • Darwin: „hot little ponď, prebiotická polévka alternativy: • extrátě rest rický původ: - panspermie: Svante August Arrhenius - existence organických sloučenin ve vesmíru (komety, meteority): např. meteorit z Murchisonu (1969, Austrálie): 4,6 mld.; mnoho sloučenin jako v Millerově-Ureyho experimentu • bubliny: oblaka, mořská pěna • Thomas Gold (1970): život hluboko pod zemí - existence extremofilních archebakterií až 5 km pod povrchem hlubokomořské vývěry (hydrotermal vents) = "černí kuřáci" - Gúnter Wächtershäuser - místo Slunce tepelná energie - chemosyntéza: fixace uhlíku pomocí chemické energie - ochrana před UV zářením a dopady meteoritů - fixace nestabilních molekul při styku s chladnou vodou v okolí vývěru G. Wächtershäuser v r l \ " \ ..."' - :■ .■ •■■ 1 SÍA^B 1977: termofilní bakterie a archebakterie, třímetroví rournatci (mnohoštětinatci), mlži, hvězdice, svijonožci, přílipky, krabi, kroužkovci, krevety http://www.amnh.org/nationalcenter/expeditions/blacksmokers/downloads/bsvideo.rn G. Wächtershäuser: život na povrchu pyritu = hypotéza Fe-S světa. „prebiotická pizza" - podobně štěrbiny v jílu na povrchu pyritu shluky molekul [2Fe-2S] nebo [4Fe-4S] -> možné prekurzory ferredoxinů, pyridoxalfosfátu, folátů, a kofaktorů (NAD) hv ústřední role acetyl-CoA / výhody plochého povrchu: - termodynamika: na povrchu nižší entropie - kinetika: vyšší pravděpodobnost srážky molekul - dodávání iontů do reakcí (ne jíl!) - vnik lineárních lipidů - snadnější odstraňování molekul vody chemoautotrofie Vznik replikátorů proteiny DNA RNA jiná látka D A. Carl Woese, Francis Crick, Leslie Orgel (1967): dvojí role RNA: dědičnost + enzym = ribozym mnoho funkcí vzniklo velmi dávno RNA jako „molekulární fosilie" F. Crick NAD\ FAD = deriváty ribonukleotidu deoxyribonukleotidy vznikají z ribonukleotidu ATP ~ ribonukleotid 1 ľ "Who was ŕrji?" C. Woese L. Orgel • Krugeret al. (1982): samosetřih intronu v pre-RNAstejnobrvého nálevníka vejcovky (Tetrahymena) • Zaug a Cech (1986): IVS (intervening sequence) -»ribozym • Doudna a Szostak (1989): modifikace IVS -» katalýza syntézy komplementárního řetězce podle vnějšího templátu - max. 40 nukleotidů, pouze 1% kompletních • Doudna (1991): ribozym o 3 podjednotkách ze sekvence sunY bakteriofága T4 Známé přirozené ribozymy: • peptidyl transferáza 23S rRNA • RNáza P • introny skupiny I a II • GIR branching ribozyme • leadzyme • vlásenkový ribozym (hairpin ribozyme) • hammerhead ribozyme • HDV ribozym • savčí CPEB3 ribozym • VS robozym • glmS ribozym • CoTC ribozym Vlastnosti RNA: jednodušší než DNA absence složitých opravných mechanismů schopnost vytvářet rozmanité 3D konformace reaktivnější než DNA (OH-skupina na 2' uhlíku) Alternativy nukleových kyselin: 3D konformace Alexander Graham Cairns-Smith: krystalický jíl jako urgen - původně anorganická replikace Julius Rebek - autoreplikace pomocí AATE (amino adenosin triacid esther) J. Rebek A.G. Cai Problém replikace pomocí ribozymu: Manfred Eigen (1971): • při absenci opravných mechanismů je max. velikost replikující se molekuly = 100 bp • délka genomu kódujícího funkční enzym mnohem vyšší než 100 bp = Eigenův paradox replikace NA • hypercykly: - stabilní koexistence 2 a více kooperujících replikátorů - kompetice molekul RNA se svými mutantními kopiemi (selekce) - kompetice celého systému s jinými cykly - možnost „parazitace" sytému =^> nutnost kompartmentace • problém v replikaci i jiných molekul RNA bez katalytické aktivity -> kompartmentace translace enzym 3 replikace NA Kompartmentace: • role trhlinek a nerovností na povrchu minerálů • proteiny: mikrosféry (Sidney W. Fox) • lipidy: samovolný vznik lipozomů • spontánní vznik lipidových membrán: „olej na vodě" -> „voda v oleji" • semibuňka —> protobuňka —> buňka ^t^^^B<> Vznik chromozomů: • spojení replikátorů =^> delší replikace • možné výhody: - redukce kompetice mezi funkčně spojenými replikátory - produkty funkčně spojených replikátorů na stejném místě Vznik genetického kódu: • genetický kód: redundantní x redundance nenáhodná (Ser, Srg, Leu: 6 kodonů x Met, Trp: 1 kodon) • chemicky příbuzné AA^ podobný kód • genetický kód není zdaleka „univerzální" - výjimky u někt. organismů (např. Mycoplasma) nebo organel (mitochondrie) • AA možná původně pomáhaly stabilizovat RNA • AAjako enzymatické kofaktory zesilující aktivitu RNA -> postupně vznik funkce v translačním systému asociace AA a RNA: • syntéza proteinu řízená RNA • mapování sekvence RNA na AA • vznik tRNA • „zamrzlá náhoda" (frozen accident) - F. Crick (1968) - některé molekuly RNA vyvinuly schopnost přenášet AA na jiné RNA - postupně selekce podporuje jednu nebo několik RNA pro každou AA - asociace AA a RNA náhodná ribozym má duální funkci: katalytickou a kódující A Amino acids Adaptor RNA ^^t\ Ribonucleotides Coding component Ribozyme 6 K Ribozyme Amino acids Coding RNA asociace AA a RNA: • stereochemická teorie: Carl Woese - někt. RNA mají tendenci preferenčně vázat někt. AA Amino acids Adaptor RNA B .....j *'j * Ribozyme component Coding component R' bozVme ribozym syntetizuje kódující RNA Ribonucleotides Coding RNA 7 Amino acids Adaptor RNA ^^T\ Přechod RNA -> DNA: • RNA svět: RNA = genotyp i fenotyp • se vznikem translace proteiny převzaly většinu katalytických funkcí RNA (mohou vytvářet širší škálu polymerů) - např. žádná molekula RNA nedokáže katalyzovat oxidativně-redukční reakce nebo štěpit C-C vazbu • výhody DNA: - nižší rekativita =^> vyšší stabilita - dělba práce mezi RNA a DNA - se ztrátou genetické funkce mohla RNA plnit katalytické a strukturní funkce s menšími omezeními Vznik eukaryotické buňky "nomas Cavalier-Smith: • ztráta buněčné stěny • => nutnost vytvoření endoskeletu • => flexibilita, pohyb, fagocytóza • vchlipování membrány -» ER, jaderná membrána Původ buněčných organel: Konstantin Sergejevič Mereškovskij (1910): myšlenka symbiogeneze K.S. Mereškovskij mitochondrie: purpurové nesirné bakterie, postupně ztráta fotosyntézy chloroplasty: sinice, postupně ztráta respirace Lynn Margulis (1970, 1981): endosymbióza peroxizomy: G+ bakterie mikrotubuly: spirochéty současné poznatky nepotvrzují spirochéty Lynn Margulisová Mixotricha paradoxa Strom života Strom života Eubacteria ß Archea (Archaebacteria) Eukarya (Eukaryota) ATPáza a Eubacteria (E. coli) mitochondrie (kráva) chloroplasty (tabák) Archaea (Sulfolobus) Eukaryota (rostliny, houby) Eubacteria (E. coli) chloroplasty (tabák) Archaea (Sulfolobus) Eukaryota (rostliny, houby) Klíčové evoluční přechody: • John Maynard Smith a Eórs Szathmáry 1. vznik replikátorů 2. kompartmentace 3. vznik chromozomů 4. vznik genetického kódu, DNA 5. vznik eukaryot 6. vznik pohlaví 7. mnohobuněčnost 8. society 9. vznik jazyka E. Szathmáry konflikt selekce na různých úrovních: • kontrola replikace x B chromozomy, tra n s pozice • spravedlivá meióza x meiotický tah • diferenciace somatických buněk x nádorové bujení • nereprodukční kasty x dělnice kladoucí vajíčka EVOLUCE POHLAVNÍHO ROZMNOŽOVÁNÍ sex = meióza, rekombinace fylogenetická pozice asexuálních taxonů většinou mladé linie taxony roztroušené výjimky: viřníci nadřádu Bdelloidea - fosilie v jantaru 35-40 mil. - existence ca. 100 mil. Philodina roseola většina asexuálních linií vznikla recentně ze sexuálních; např. Taraxacum officinale: nefunkční tyčinky, barevné květy Macrotrachela quadricornifera Nevýhody pohlavního rozmnožování: • čas a energie k nalezení partnera (může být problém ho najít), další úsilí před kopulací • zvýšené riziko predace nebo parazitace, přenos pohlavních chorob • náchylnost k extinkci při nízkých Ne • nižší schopnost kolonizace • složitý meiotický molekulární aparát meióza: 10-100 h x mitóza: 15 min - 4 h • rozpad výhodných kombinací alel rekombinací • dopady pohlavního výběru na samce -> snížení fitness populace • akce sobeckých elementů (konflikt genů) -> snížení fitness populace J. Maynard Smith: Jaký je osud sexuální a asexuální populace? • předpoklady: způsob rozmnožování nemá vliv 1. na počet potomstva (např. samčí péče o potomstvo) 2. na pravděpodobnost přežití potomstva F x M i F x M F x M i i F x M F x M F x M F x M F i F F F F 4^ >^ >^ >^ F F F F F F F F F F F F F F F F frekvence asexuálů 1/3 1/2 2/3 asexuálové produkují 2x více vnuček =^> dvojnásobná penalizace za pohlaví (cost of sex), tj. 50% selektivní nevýhoda sexuality ad 2) vliv prostředí • experiment s Tribolium castaneum: kompetice, insekticid: 3-násobná reprodukční výhoda asexuálů 1.0 H 0.5 - kone. malathionu — 1 ppm — 3 ppm — 5 ppm — 10 ppm 1.0 H 0.5 - sexuální konc. malathionu — 1 ppm — 3 ppm — 5 ppm — 10 ppm 1.0 H 0.5 - 1.0 i 0.5 - konc. malathionu — 1 ppm — 3 ppm — 5 ppm — 10 ppm konc. malathionu — 1 ppm — 3 ppm — 5 ppm — 10 ppm • zpočátku převaha asexuálů, nakonec fixace pohlavně se rozmnožujících • rychleji při vyšších koncentracích insekticidu • potomci sexuálních jedinců mají vyšší fitness =^> předpoklad 2 neplatí • účinky rekombinace: -1 lokus -> max. 2 varianty (heterozygot) - 2 lokusy -> 4 varianty: -> aĎ, aB, Ab, AB -10 lokusú -> 24 = 1024 různých gamet a 2"-1(2"+1) = 524 800 diploidních genotypů • z hlediska populační genetiky jediným důsledkem sexu je vazbová rovnováha - jakmile je jí dosaženo, sex ztrácí smysl • sex a rekombinace můžou změnit složení populace jen v případě existence odchylek od HW a vazbové rovnováhy =^> musí existovat asociace buď mezi alelami na 1 lokusu, nebo na více lokusech • každý model vysvětlující výhody sexu musí obsahovat mechanismus, který eliminuje některé kombinace genů (vzniká vazbová nerovnováha), a vysvětlit, proč geny způsobující LD podporovány selekcí Fluktuace prostředí: • samo o sobě nepodporuje sex nutná fluktuace epistáze • např. 2 lokusy: střídání asociace studený-vlhký a teplý-suchý ^ studený-suchý a teplý-vlhký • tento model může fungovat např. v interakci parazit-hostitel Zvýšení aditivní variance: • interakce mezi usměrňující selekcí nebo driftem a negativní LD • např. alely „+" zvyšují fitness, „-" snižují fitness • negativní LD: asociace +- nebo -+ =^> redukce fitness =^> rekombinace fitness zvyšuje A Positive linkage disequilibrium B Negative linkage disequilibrium + - - + + + FIGURE 23.16. The distribution of fitness changes as a result of selection and recombination. Selection increases the mean log fitness by an amount equal to the additive genetic variance in fitness (p. 462). If selection favors negative associations, it generates negative linkage disequilibria, which reduce the variance in log fitness (Fig. 23.15B) and, hence, the future response to directional selection. Recombination causes an immediate reduction in mean log fitness by breaking up favored gene combinations, but facilitates future adaptation by increasing the variance in log fitness. Modifiers that increase recombination can be favored because they are associated with adaptive variation in fitness, even though they also are associated with an immediate recombination load. Selection^ Log (fitness) Recombination^ Z uvedeného plyne, že pohlavní rozmnožování zvyšuje variabilitu a tím i evoluční rychlost ale tato výhoda většinou v dlouhodobé perspektivě, asexualita krátkodobě výhodnejší Fisherův-Mullerův argument: A Asexual v asexuální populaci může být výhodná alela B fixována pouze vznikne-li v genomu s alelou A B Sexual zvýšení frekvence modifikátorové alely M, která způsobuje sex a rekombinaci („hitchhiking") Modely vzniku pohlavního rozmnožování: škodlivé mutace proměnlivé prostředí Škodlivé mutace Jediným způsobem, jak uniknout škodlivým mutacím jsou buď - zpětné mutace, nebo - mutace, rušící vliv mutace předchozí Mullerova rohatka Kondrashovův model Mullerova rohatka (Muller's ratchet): • akumulace škodlivých mutací • malá velikost populace =^> role driftu (stochastický proces) • při sexu možnost vyhnout se „západce" šíření genů odpovědných za sex s tím, jak roste frekvence genotypů bez škodlivých mutací nejlépe mírně škodlivé mutace J_I_L 0123456789 10 J_L 23456789 10 n 1 2 3 4 5 6 Počet mutací 7 8 9 10 Andersson a Hughes (1996) - Salmonella typhimurium • 444 experimentálních kultur, každá z 1 jedince -»růst přes noc • opakování =^> opakovaný drift, celkem 1700 generací • srovnání s volně žijícím kmenem • 5 kultur (1 %) se signifikantně sníženou fitness, žádná s vyšší Lambert a Moran (1998) - srovnání fitness bakterií v buňkách hmyzu s volně žijícími druhy • 9 druhů bakterií žijících pouze v buňkách hmyzu • každý druh má volně žijícího blízkého příbuzného • akumulovali endosymbionti škodlivé mutace? • termální stabilita rRNA genů • ve všech případech rRNAendosymbiontů o 15 až 25% méně stabilní Kondrashovův model Alexey S. Kondrashov (1988) předpoklad, že škodlivé mutace působí synergisticky př.: truncation selection" deterministický proces protože u sexuálů je podíl škodlivých mutací přesahujících hodnotu T vyšší než u asexuálů, je u nich eliminace těchto mutací rychlejší (rekominace je dostává dohromady) otázka, zda frekvence škodlivých mutací dostatečně vysoká (alespoň 1/generaci/genom a) prahová hodnota T !Z3 91 S3 b) 91 CJ S3 91 á 91 U c) 91 CJ S3 91 á 91 U 0 1 2 3 4 5 6 T Pohlavní n o Nepohlavní Proměnlivé prostředí Model loterie („lotery", „elm-oyster"): • biotop rozdělený na lokální místa, do kterých náhodně „distribuováni" potomci -> jen nejlépe adaptovaní přežijí, rodič nemůže předpokládat, který z nich to bude • analogie s koupí losu Model vlastního pokoje („elbow room"): • předpoklad, že v heterogenním i homogenním biotopu se genotypy mohou lišit ve využití omezených zdrojů • kompetice mezi sourozenci -> na lokalitě se může udržet více potomků sexuálních rodičů, protože asexuální potomstvo kompetuje intenzivněji • problém: modely omezené pouze na organismy s vysokou fekunditou Rezistence vůči parazitovi s genotypem II N CfQ 5 » 2 O <« 3 e° B M N O < <2. 75; = cq cd cd <: cd 3 & 3 o d ■ qT cd čď o 3 ^ N o Q< 0 0 cd> 7š" —í Q)_> o < "D O N Q) O o < Rezistence vůči parazitovi s genotypem II N CfQ 5 n 2 B » O <« B "S B M O CP oc ^d o S" O Hypotéza Červené královny: • William D. Hamilton • základem hypotéza Červené královny (Leigh Van Valen) L. Van Valen W.D. Hamilton koevoluce parazita a hostitele =^> závody ve zbrojení („arms races") multilokusový vztah „gene-for-gene" oscilace genových frekvencí vyšší u asexuálních jedinců asexuální • předpoklad modelu: u heterogonních organismů (střídání sexuálního a asexuálního rozmnožování) sexualita častější při zvýšení parazitace Curtis Lively (1992): sladkovodní plž Potamopyrgus antipodarum - jezera a vodní toky na Novém Zélandu, sexuální i asexuální samice > 12 parazitických druhů motolic (kastrace hostitele =^> silná selekce) 66 jezer počet samců jako ukazatel pohlavního rozmnožování 0.401 korelace s počtem parazitů o.oo- Počet parazitů EVOLUCE POMĚRU POHLAVÍ poměr pohlaví často 1:1 -> proč plýtvání na samce? R. A. Fisher(1930) frekvenčně závislá selekce: výhodnější vzácnější pohlaví podmínka platnosti Fisherova argumentu: stejná pravděpodobnost páření s kteroukoli samicí Místní rozmnožovací kompetice: • parazitické vosy (např. Nasonia vitripennis) • roztoči Adactylidium, Pyemotes ventricosus, Acarophenax tribolii 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 4.6 Offspring number of 2nd 9 Offspring number of 1st 9 Triversova-WiNardová hypotéza: • Robert L. Trivers, Dan Willard • investice do pohlaví, které zajistí vyšší fitness v další generaci • dominantní matka -»investice do synů a naopak • posun poměru pohlaví nebo rozdílné rodičovské investice • např. jelenovití R.L. Trivers Dan Willa (a) synové dominantních matek mají vyšší fitness co tn o o W O > o 3 T3 O Q. £ E "3 c cu to 0 -2.0 -1.6 -1.2 -0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2 1-6 2.0 Subordinate Dominant Standardized maternal dominance