Země - unikátní planeta (v jejím geologickém záznamu leží svědectví o vývoji života na ní, ~ 4 miliardy let) Život jako problém • - osobní (subjektivní) • - vědecký- filosofický - přírodovědný (jedna z nejobtížnějších vědeckých otázek), v následujícím je podán pohled současné geologie a biologie Názory na vznik života - kreace: - jednorázová - neukončená - inteligentní dyzajnér - panspermie: - Arrhenius (Vesmír planety) - inverzní (Země vesmír) - abiogeneze (z neživého vzniká živé evoluční cestou): - exogeneze (mimo Zemi) - náš život má původ na Zemi Stromatolity (petrifikovaná bakteriální bahna) Vznik stromatolitů • Za dostatku světla produkovaly cyanobakterie kyslík (fotosyntéza), ten používali jiní mikrobi k získávání energie (světlejší vrstva) - pokud kyslík chyběl, přecházeli k fermentaci, za absence kyslíku přežívali jen fermentanti (tmavší vrstva). Bahnité sedimenty byly zpevněny a vytvářely pevné páskované horniny. Stromatolity, 1.8 Ga, Great Slave Lake (Kanada) Stromatolity, 1.8 Ga, Great Slave Lake (Kanada) detail Recentní stromatolity, Shark Bay, Austrálie (vzácně se tvoří ještě dnes v hypersalinních podmínkách, které zabraňují vstup případným požíračům) Barberton (J. Afrika, ~ 3.5 Ga), jedna z nejstarších mikrofosílií (?) Buněčný filament - 3465 Ma Cyanophyta ~ cca 3.4 Ga Pohled na horniny lokality Gunflint (Kanada, ~ 2.0 Ga) Mikrofosílie (Procaryota) z Gunflint (snímky el. mikroskop) Páskované Fe rudy – výsledek životní činnosti prokaryot Bangiomorpha pubescens, fosilní mnohobuněčná červená řasa– 1.2 Ga Grafické rekonstrukce některých forem ediakarských vendobiont Cloudina - ~ 600 Ma • Cloudina, nejstarší fosílie s vnitřní kostrou – pohárky z uhličitanu vápenatého (podobné láčkovcům), 3-4 cm velké – nástup biomineralizace Geologický záznam prekambria ukazuje, že • - náš život je nejspíše čistě zemského původu • - první známky života se objevují od ~ 3.8 Ga • - první mikrofosílie od 3.5 Ga • - první horniny spojené s životní činností organizmů od 3.5 Ga • - ekosystém na bázi kyslíku a eukaryota od ~ 2.3 Ga • - rozvoj mnohobuněčných s pevnou kostrou, ~ 600 Ma (=> cca 3 Ga na interval „vznik života-pevná kostra“ • - Země prodělávala silné biotické krize již v prekambriu (vymizení 70% akritarch ve sv. prekambriu) i několikrát během fanerozoika (6 velkých vymírání) Současné modely vztahující se ke vzniku života na Zemi • pokoušejí se odpovědět na otázky „kdy“, „jak“ a „kde“ • „kdy“ – viz předcházející ukázky geol. záznamů • „jak“ a „kde“ – viz následující Konkrétní možné kroky • Postup, (J. D. Bernal - „biopoesis“) který prezentují dnes biochemici zahrnuje postupně: - vznik jednoduchých organických molekul - řetězení a vznik replikace - tvorbu buněčných membrán a oddělení vnitřního a vnějšího prostředí - nástup a stabilizace výměny látkové - buněčný život Vznik jednoduchých organických molekul • Představa utváření jednoduchých organických molekul (stavebních částic všech živých soustav, tzv. monomerů), které se musely účastnit procesů při vzniku života: - Za základní anorganické látky, z nichž byl život formován, jsou považovány metan, čpavek, voda, sirovodík, oxid uhličitý a fosfáty. - Do dnešní doby nebyla laboratorně syntetizována žádná „živá hmota“. V nebulárních oblacích však byla zjištěna (2004) přítomnost PAH (polycyklické aromatické uhlovodíky), které jsou biochemiky považovány za předchůdce RNA. - Z jednoduchých řetězců vznikají složité řetězce – polymery. - Základní vlastností živých soustav je replikace (vytváření kopií). - Replikace = klíčový krok, teprve jejím objevením můžeme mluvit o životě. Tato vlastnost se nejprve vyvíjela zřejmě jako schopnost RNA. - Ta vzniká ze složitých řetězců jako kyselina schopná vytvářet svoje kopie (Trinks - prostředí – led). Vznikl „svět RNA“, velmi různorodý, RNA měla i roli katalyzátorů (dnes proteiny). - Později se stabilizovala replikace do řady DNA-RNA-bílkovina. Vzniká reprodukce (schopnost mít potomky). V těchto procesech hraje již roli selekce („přežívání“, trvání, a produkování množství „potomků“ těmi, kteří zvládnou proces reprodukce lépe). - Joyce &Lincolnová (Science, 2008) - laboratorní syntéza RNA řetězců schopných kopírovat jiné řetězce. Výkonnější řetězce vytvářejí více kopií a převládají (selekce). Craig Venter - syntéza genomu mycoplasmy a implantace do těla mycoplasmy genomu zbavené. Replikující molekuly se uzavírají do buněčných membrán Uzavření replikujících se molekul do obalů (membrán) přineslo 2 výhody: - informační (genetický) materiál mohl být držen uzavřený, - prostředí uvnitř membrán mohlo být odlišné od vnějšího, - buněčné membrány se ukázaly tak výhodné, že tyto oblaněné replikátory brzy převládly nad „nahými“ (neoblaněnými). Tento přelom vedl již zřejmě k organizmům podobným současným baktériím. Možný vznik buněčných membrán • Lipidy (nerozpustné mastné látky ve vodě) tvoří mícháním s vodou vlnité trubice. Např. vlny na pobřeží mohly míchat vodu s lipidy a vytvářet drobné „bublinky“, které mají dlouhou trvanlivost – „ bublinova hypotéza“ Úroveň nejjednodušších organizmů (progenotů, představa) Protobionta Liposomy Nástup moderního metabolického procesu (látková přeměna, výměna hmoty a energie s okolím) Některé buňky začínají využívat různých typů molekul k různým funkcím (DNA, je stabilnější než RNA, drží genetický materiál; RNA, je variabilnější, slouží jako přenašeč informací; proteiny jako podporovatel chemických reakcí slouží k základním metabolickým reakcím v buňce). Vzniká řetězec DNA-RNA-protein a prokaryontní typ života. Geologické záznamy říkají, že pouze v této podobě existoval život od 3.5 do 2.5 Ma let. Vznik eukaryotických buněk, teorie sériové symbiózy • Lynn Margulis (1970) • Mitochondrie, chloroplasty jako zdroj energie u Eukaryot (vedle konkurence též spolupráce) Její teorii doplnili Martin et Miller (1998) modelem vodíkové hypotézy: (alfa-proteobaktérie - excrece H2 a CO2- tyto pak slouží jako zdroj energie a C pro metanogeny => symbiosa alfa-prtb a archaeí, zdroj energie je chemický nikoliv světelný) Dnes názory – kombinace obou možností • Princip teorie sériové symbiózy: Kyslíkaté baktérie a cyanobaktérie (sinice) pronikaly do jiných buněk a po mnoha generacích se během evoluce staly jejich součástí jako mitochondrie a chloroplasty (tělíska dnes zodpovědná v buňkách za energetický režim). Eukaryota (~ 2.5 Ga) Studie DNA u baktérií ukázaly: DNA mitochondrií je podobná DNA baktérií, které způsobují tyfus. Mohou být potomky jejich předchůdců (viz další obr.) Studie o příbuznosti baktérií podporují symbiotickou teorii vzniku eukaryot • Fylogenetický graf ukazuje na velkou příbuznost mitochondrií a baktérií tyfu a příbuznost chloroplastů a cyanobaktérií V češtině vyšlo v r. 2004: Základní 3 domény života • Živé systémy, jejich velmi složitá stavba a vztahy se dnes již nezobrazují jako strom života nebo postupné schéma, na jehož vrcholu stojí člověk, ale jako keř s širokou základnou, jehož větve náhodně přežívají a divergují, popř. jako prostorové schéma tří základních domén stojících vedle sebe, které se různosměrně větví (vlevo). Bacteria a Archaea sdružují nesymbiotické buňky, Eukaryota pak buňky symbiotické. Archaea – ukázka recentních zástupců (pozn.: nebyl zjištěn žádný patogen) Recentní metanogenní archaea • Pozn.: Methanosarcina acetivorans (anaerobní podmínky, mořské dno) produkuje methan a vinný ocet prostřednictvím dvou starých enzymů (Pta-forfortransacetyláza, Ack-acetátkináza) = jednoduchý metabolismus, odpovídající zřejmě nestaršímu zjištěnému typu metabolismu. Tyto dva enzymy v předbuněčných strukturách v souvislosti s Fe + S prostředím mohli nastartovat prvotní jednoduchý biochemický cyklus, při němž se získaná energie ukládá v molekulách ATP (adenosintrifosfátu => cesta k použitelné energii pro stavbu živých soustav). Prostředí života archaeí velmi slaná (1), kuřavky-velmi horká (2), anaerobní-bahenní (3), zasířená (4), pod ledem (5) KDE ? • Země nabízí celou řadu možných prostředí pro vznik života, vzájemně někdy velmi vzdálených jindy velmi blízkých: - povrch planety (země, hydrosféra – jílové minerály Bernal 1967, atmosféra – povrchová chemie-minerály, Wächterhäuser 1988) - velké hloubky zemské kůry (T. Gold 1997, „The deep hot biosphere“, organometalokomplexy). - přechodná prostředí (kuřavky v oceánech, Wächterhäuser 2000) - ledové příkrovy (H. Trinks) - a/nebo kombinací těchto míst (viz dále) Kuřáci (kuřavky) – výstup hydrotermálních pramenů, dna oceánů, dnes cca 30, blízkost středooceánských hřbetů (stálý přísun stavebních částí a energie; mikrokaverny - sklatba molekul; prudký teplotní gradient: horká voda = sklatba monomerů, chladná (popř. i v ledových prostředích) = řetězení, vznik RNA; syntéza lipidů a stavba membrán mohla proběhnout i mimo toto prostředí). Opuštěním prostředí mikrokavern začíná „LUCA“ svůj vlastní nezávislý život. Kolonie červů v blízkosti kuřáku Život na Zemi z geologického pohledu: • Vznikl nejspíše na Zemi abiogenezí, před ~3.8-3.5 Ga, v blízkosti hydrotermálního či vulkanického prostředí v možné kombinaci s prostředím chladným nebo ve velkých hloubkách zemské kůry (Země = matka, Gaia) • Je kontinuální, procházel však velkými krizemi • Lze ho rozdělit systematicky do tří domén: Archaea Bacteria Eucaryota (nesymbiogenetické buňky, Procaryota) (symbiogenetické buňky) Život jako tvůrčí geologický faktor • Živá a neživá složka planety vyvářejí společný dynamický systém • Život (biosféra, noosféra ) se podílí na vlastnostech a charakteru atmosféry (např. volný kyslík), hydrosféry (kyslík, koloběh CO2) i litosféry (tvorba hornin, ložisek) i geologických procesech (transport látek a materiálů, organizmy s fotosyntézou se dnes podílejí na geochem. energ. cyklu 3x více než čistě geologická aktivita Země ) • Výsledkem této dynamiky je v každém čase nový a odchylný obraz celé planety a všech jejích složek • Tato dynamika kolísá v mezích, které nikdy nepřekročily podmínky pro zachování života • Odraz v oblasti lidské etiky Jak problém života uchopit ? • - jako každou otázku našeho poznání • - poznání je individuální, volná volba forem poznání a vnímání světa, • - vědecké poznání je neukončené a otevřené, jeho součástí je omyl, testování, oprava a doplňování (není „vlastníkem“ pravdy) • - koexistence myšlení, názorů, různých forem poznávání, tedy i poznávání života