04_EVOW_CH04 VZNIK ŽIVOTA NA ZEMI 06_EVOW_CH04 Problém studia vzniku života: • evoluční „tinkering“, vždy krátkodobá výhoda, nebo náhoda, nikdy dlouhodobá perspektiva ´ hodnocení evoluce ze zpětného pohledu, z hlediska dlouhodobých důsledků Þ • současný život nám při řešení příliš nepomůže • kritika ze strany kreacionistů: život nikdo nedokázal vytvořit ve zkumavce Co je vlastně život? • definice: fenotypové evoluční • Muller (1966): autoreprodukce proměnlivost dědičnost • Barton et al. (2007): autoreprodukce a přírodní výběr nutná schopnost akumulace hmoty a její organizace do složitějších struktur nutná paměť systému nutný metabolismus skenovat0007 Evoluce ve zkumavce: • Sol Spiegelman (1970): evoluce RNA • RNA (templát) a replikáza bakteriofága Qb, nukleotidy (normal size jpg) Sol Spiegelman skenovat0003 Evoluce ve zkumavce: • Sol Spiegelman (1970): evoluce RNA • RNA (templát) a replikáza bakteriofága Qb, nukleotidy ® zmenšení velikosti ® snížení schopnosti infekce bakterie E. coli ® zvýšení rychlosti replikace Þ evoluce ® „Spiegelmanovo monstrum“: - po 74. transferu 5% rozdíl v sekvenci 17% velikost ve srovnání s původní RNA (normal size jpg) Sol Spiegelman po 4. transferu ® snížení infekčnosti • Spiegelmanův experiment nevysvětluje vznik života (existence enzymu) Kdy vzniknul život? • dolní limit: nejstarší horniny - rula v Great Slave Lake (Kanada) – 4 mld. - krystaly zirkonu (Austrálie) – 4,3 mld. - některé meteority – 4,5 mld. • konec bombardování Země – ~ 4 mld. • 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 prekambrické stromatolity Siyeh Formation, Glacier National Park • 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 (= Wöhlerova reakce) • 50. léta 19. stol.: formamid + H2O + UV, elektřina® alanin • formaldehyd + NaOH ® cukry Þ důkazy proti vitalismu (chemie v živých systémech fundamentálně odlišná od neživých) Jak vzniknul život? • Alexandr Ivanovič Oparin (1924) • J. B. S. Haldane (1928) • redukující atmosféra: vodík, voda, metan, čpavek • • Stanley L. Miller, Harold C. Urey (1953): - metan + čpavek + H2 + H2O ® 10-15% uhlíku ve formě organických sloučenin - 2% uhlíku ® aminokyseliny - lipidy, cukry - stavební součásti nukleových kyselin A.I. Oparin J.B.S. Haldane H.C. Urey S.L. Miller „oceánská“ část: voda se zahříváním odpařuje; přidáván H2, CH2 a NH3 „atmosférická“ část: elektrické výboje simulují blesky a dodávají energii chlazení a kondenzace plynů v „oceánu“ vznikají organické sloučeniny Problémy: • podle současných poznatků tehdejší atmosféra méně redukující: CO2, N2, H2O a další Þ 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 • samovolný vznik rozvětvených, nikoli lineárních lipidů 18_EVOW_CH04 Kde vzniknul život? • Darwin: „hot little pond“, prebiotická polévka alternativy: • extraterestrický 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 S. A. Arrhenius • hlubokomořské vývěry (hydrotermal vents) = “černí kuřáci“ - Günter 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 http://www.amnh.org/nationalcenter/expeditions/blacksmokers/downloads/bsvideo.mov 1977: termofilní bakterie a archebakterie, třímetroví rournatci (mnohoštětinatci), mlži, hvězdice, svijonožci, přílipky, krabi, kroužkovci, krevety Khun2 G. Wächtershäuser • 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) • ústřední role acetyl-CoA • chemoautotrofie • alternativa: katalyzátorem krystalická voda v tenké vrstvě na povrchu hydrogenovaných nanokrystalů diamantu ® snadný vznik organizovaných struktur (i pod vodou) 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 Vznik replikátorů • proteiny • DNA • RNA • jiná látka • Carl Woese, Francis Crick, Leslie Orgel (1967): dvojí role RNA: dědičnost + enzym = ribozym • mnoho funkcí vzniklo velmi dávno RNA jako „molekulární fosilie“ • NAD+, FAD = deriváty ribonukleotidu • deoxyribonukleotidy vznikají z ribonukleotidů • ATP » ribonukleotid F. Crick C. Woese L. Orgel • Kruger et al. (1982): samosetřih intronu v pre-RNA stejnobrvého 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 Tetrahymena thermophila File:Tetrahymena thermophila.png 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 [USEMAP] hammerhead ribozyme Vlastnosti RNA: • jednodušší než DNA • absence složitých opravných mechanismů • schopnost vytvářet rozmanité 3D konformace • reaktivnější než DNA (OH-skupina na 2´ uhlíku) File:Full length hammerhead ribozyme.png Alternativy nukleových kyselin: • Alexander Graham Cairns-Smith: krystalický jíl jako urgen – původně anorganická replikace • Julius Rebek – autoreplikace pomocí AATE (amino adenosin triacid esther) • Ronald Breaker (2004): DNA se dokáže chovat jako ribozymy 090320-lifes-crystalcode-01 cairnssmith_ph A.G. Cairns-Smith File:Rebek.jpg J. Rebek 3D konformace cycle 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 • 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 Þ nutnost kompartmentace • problém v replikaci i jiných molekul RNA bez katalytické aktivity ® kompartmentace 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 Vznik chromozomů: • spojení replikátorů Þ delší replikace • možné výhody: - redukce kompetice mezi funkčně spojenými replikátory - produkty funkčně spojených replikátorů na stejném místě Vznik genetického kódu: • genetický kód: redundantní ´ redundance nenáhodná (Ser, Srg, Leu: 6 kodonů ´ 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 • AA jako enzymatické kofaktory zesilující aktivitu RNA ® postupně vznik funkce v translačním systému tRNA P místo A místo vznikající protein mRNA tRNA ribozom • 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 • stereochemická teorie: Carl Woese - někt. RNA mají tendenci preferenčně vázat někt. AA 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 reaktivita Þ vyšší stabilita - dělba práce mezi RNA a DNA - se ztrátou genetické funkce mohla RNA plnit katalytické a strukturní funkce s menšími omezeními 2 2 Vznik eukaryotické buňky 2 mikrotubuly mikrofilamenta Vznik eukaryotické buňky File:Thomas Cavalier-Smith.jpg Thomas Cavalier-Smith: • ztráta buněčné stěny • Þ nutnost vytvoření endoskeletu • Þ flexibilita, pohyb, fagocytóza • vchlipování membrány ® ER, jaderná membrána Prokaryotní cytoskelet: • FtsZ: analog tubulinu, funkce při dělení buňky • MreB: analog aktinu, tyčkovitý tvar buňky • Crescentin: analog intermediálních mikrofilament, tvorba helixů • MinD, ParA: bez analogie, buněčné dělení, rozchod plazmidů File:Lynn Margulis.jpg Původ buněčných organel: • Konstantin Sergejevič Mereškovskij (1910): myšlenka symbiogeneze • Lynn Margulis (1970, 1981): endosymbióza • mitochondrie: purpurové nesirné bakterie, postupně ztráta fotosyntézy • chloroplasty: sinice, postupně ztráta respirace • peroxizomy: G+ bakterie • mikrotubuly: spirochéty File:Merezhkovsky K S.jpg současné poznatky nepotvrzují K.S. Mereškovskij Lynn Margulisová Mixotricha paradoxa spirochéty Strom života File:Tree of life.svg Strom života Eubacteria Archea (Archaebacteria) Eukarya (Eukaryota) ? ? ? a b Eubacteria (E. coli) mitochondrie (kráva) chloroplasty (tabák) Archaea (Sulfolobus) Eukaryota (rostliny, houby) Eubacteria (E. coli) chloroplasty (tabák) Archaea (Sulfolobus) Eukaryota (rostliny, houby) ATPáza Klíčové evoluční přechody: • John Maynard Smith a Eörs Szathmáry alt14 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 konflikt selekce na různých úrovních: • kontrola replikace ´ B chromozomy, transpozice • spravedlivá meióza ´ meiotický tah • diferenciace somatických buněk ´ nádorové bujení • nereprodukční kasty ´ dělnice kladoucí vajíčka E. Szathmáry 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. většina asexuálních linií vznikla recentně ze sexuálních; např. Taraxacum officinale: nefunkční tyčinky, barevné květy Philodina roseola Macrotrachela quadricornifera Taraxacum%20officinale 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 ´ 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 F ´ M ¯ F ´ M F ´ M ¯ ¯ F ´ M F ´ M F ´ M F ´ M F ¯ F F F F ¯ ¯ ¯ ¯ F F F F F F F F F F F F F F F F 1/3 1/2 2/3 frekvence asexuálů 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 asexuálové produkují 2´ více vnuček Þ 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“ • zpočátku převaha „asexuálů“, nakonec fixace pohlavně se rozmnožujících • rychleji při > koncentracích insekticidu • potomci sexuálních jedinců mají vyšší fitness Þ předpoklad 2 neplatí 0 0.5 1.0 1 ppm 3 ppm 5 ppm 10 ppm konc. malathionu 0.5 1.0 0 1 ppm 3 ppm 5 ppm 10 ppm konc. malathionu 0.5 1.0 0 1 ppm 3 ppm 5 ppm 10 ppm konc. malathionu 0.5 1.0 0 1 ppm 3 ppm 5 ppm 10 ppm konc. malathionu sexuální simulace asexuality • účinky rekombinace: - 1 lokus ® max. 2 varianty (heterozygot) - 2 lokusy ® 4 varianty: AB/ab ® ab, aB, Ab, AB - 10 lokusů ® 210 = 1024 různých gamet a 2n-1(2n+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 Þ 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 = LD), a vysvětlit, proč geny způsobující LD podporovány selekcí 15_EVOW_CH23 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 a negativní LD • např. alely „+“ zvyšují fitness, „-“ snižují fitness • negativní LD: asociace +- nebo -+ Þ redukce fitness Þ rekombinace fitness zvyšuje rekombinace snižuje fitness rekombinace zvyšuje fitness • Z uvedeného plyne, že pohlavní rozmnožování zvyšuje variabilitu a tím i evoluční rychlost • ale tato výhoda většinou v dlouhodobé perspektivě, asexualita krátkodobě výhodnější • Fisherův-Mullerův argument: 18_EVOW_CH23 rekombinace v asexuální populaci může být výhodná alela B fixována pouze vznikne-li v genomu s alelou A zvýšení frekvence modifikátorové alely M, která způsobuje sex a rekombinaci („hitchhiking“) Škodlivé mutace • Jediným způsobem, jak uniknout škodlivým mutacím jsou buď - zpětné mutace, nebo - mutace, rušící vliv mutace předchozí • Mullerova rohatka • Kondrašovův model Modely vzniku pohlavního rozmnožování: • škodlivé mutace • proměnlivé prostředí 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Počet mutací Mullerova rohatka (Muller’s ratchet): • akumulace škodlivých mutací • malá velikost populace Þ 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 „západka“ Andersson a Hughes (1996) - Salmonella typhimurium • 444 experimentálních kultur, každá z 1 jedince ® růst přes noc • opakování Þ 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 rRNA endosymbiontů o 15 až 25% méně stabilní 0 1 2 3 4 5 6 T a) 0 1 2 3 4 5 6 T Pohlavní b) 0 1 2 3 4 5 6 T Nepohlavní c) prahová hodnota T 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 • problém: modely omezené pouze na organismy s vysokou fekunditou 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 Hypotéza Červené královny: • William D. Hamilton • základem hypotéza Červené královny (Leigh Van Valen) • cykly fitness a cykly genových frekvencí File:W D Hamilton.jpg P1010022 L. Van Valen W.D. Hamilton Populace hostitele Rezistence vůči parazitovi s genotypem I Populace hostitele Rezistence vůči parazitovi s genotypem I Populace hostitele Rezistence vůči parazitovi s genotypem I I II I II I II Populace parazita [USEMAP] Hypotéza Červené královny: • William D. Hamilton • základem hypotéza Červené královny (Leigh Van Valen) • koevoluce parazita a hostitele Þ závody ve zbrojení („arms races“) • multilokusový vztah „gene-for-gene“ • oscilace genových frekvencí vyšší u asexuálních jedinců asexuální sexuální File:W D Hamilton.jpg P1010022 L. Van Valen W.D. Hamilton 0.00 0.01 0.05 0.10 0.15 0.20 0.30 0.40 Počet parazitů • 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 Þ silná selekce) • 66 jezer • počet samců jako ukazatel pohlavního rozmnožování ® korelace s počtem parazitů EVOLUCE POMĚRU POHLAVÍ • poměr pohlaví často 1:1 ® proč plýtvání na samce? • R. A. Fisher (1930) • frekvenčně závislá selekce • podmínka platnosti Fisherova argumentu: stejná pravděpodobnost páření s kteroukoli samicí stejné náklady na obě pohlaví Místní rozmnožovací kompetice: • parazitické vosy (např. Nasonia vitripennis) • roztoči Adactylidium, Pyemotes ventricosus, Acarophenax tribolii Nasonia vitripennis acaro%20Pediculoides%20ventricosus%20Pyemotes%20tritici Pyemotes ventricosus skenovat0001 teoretická predikce: s rostoucím počtem kladoucích samic roste počet synů Triversova-Willardova 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 dew sex ratio 1 D. Willard Trivers_2 R.L. Trivers synové dominantních matek mají vyšší fitness deer2