04_EVOW_CH04 VZNIK ŽIVOTA NA ZEMI 06_EVOW_CH04 Problém studia vzniku života: J. Monod: evoluční „kutilství“ (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 infikovat bakterii 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 vznikl 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 chemické 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 vznikl během 200 mil. let mezi 4 a 3,8 mld. Jak vznikl 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 (tvrdí, že chemie v živých systémech je fundamentálně odlišná od neživých – organická ¹ anorganická) Jak vznikl 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 06_EVOW_CH04 „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 vznikl 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 ribozym 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, Arg, 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 Existuje mnoho hypotéz vzniku genetického kódu... Role chemických principů, které řídí specifickou interakci RNA s AA: některé AA mají selektivní chem. afinitu vůči příslušnému kodonu. Biosyntetická expanze: původně jednodušší kód – pravěký život „objevil“ nové AA (např. jako vedlejší produkt metabolismu) a později začlenil do svého genetického kódování. ... nepřímé důkazy, že dříve používáno méně odlišných AA než dnes. Přírodní výběr přiřadil kodony tak, aby byly minimalizovány účinky mutací. Původně 4 nebo více míst v kodonu místo 3 Þ vyšší stupeň redundance Þ vyšší rezistence vůči chybám v době, než začaly být používány ribozomy. Informační kanály: modelování translace jako informačního kanálu náchylného k chybám. Jak odolat chybám (šumu) při zachování přenášené informace? Genetický kód vznikl vzájemnou interakcí 3 protichůdných evolučních sil: potřebou různorodých AA, tolerance vůči chybám a min. nákladů na zdroje. Kód vzniká, když se mapování (zobrazení) na AA stává nenáhodným. asociace AA a RNA: syntéza proteinu řízená RNA mapování (zobrazení) 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: 1. splývání váčků z cytoplazmatické membrány 2. splynutí eubakterie a archebakterie (membrána archebakterie = jaderná, membrána bakterie = buněčná) 3. virový původ ... kontroverzní 4. nejprve vznik 2. cytoplazmatické membrány, z vnitřní postupně jaderná Vznik eukaryotické buňky 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 Merežkovskij (1905, 1909): myšlenka symbiogeneze Lynn Margulisová (1966, 1970): endosymbióza mitochondrie: bakterie příbuzné rickettsiím nebo jiným a-proteobakteriím, postupně ztráta fotosyntézy chloroplasty: sinice, postupně ztráta respirace peroxizomy: G+ bakterie mikrotubuly: spirochéty File:Merezhkovsky K S.jpg současné poznatky nepotvrzují K.S. Merežkovskij 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, 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 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 synergicky 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) File:W D Hamilton.jpg P1010022 L. Van Valen W.D. Hamilton http://2.bp.blogspot.com/_efcyhZxKKGc/TOd_o2PkQgI/AAAAAAAAABE/11pzsdY2Qpg/s1600/Red-Queen-733517.jp g http://peaceaware.com/seam/RedQueen.jpg 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] asexuální sexuální File:W D Hamilton.jpg P1010022 L. Van Valen W.D. Hamilton Hypotéza Červené královny: William D. Hamilton základem hypotéza Červené královny (Leigh Van Valen) cykly fitness a cykly genových frekvencí koevoluce parazita a hostitele Þ závody ve zbrojení („arms races“) multilokusový vztah „gene-for-gene“ oscilace genových frekvencí vyšší u asexuálních jedinců 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