04_EVOW_CH04 06_EVOW_CH04 Původ života leží do značné míry mimo rámec působnosti evoluční biologie ® ve své podstatě mezioborové studium: chemie (povaha látek, ze kterých jsou organismy složeny), geologie, výzkum atmosféry (charakter prostředí, ve kterém vznikl život) atd. Co je vlastně život? Pictorial art Zdenek Burian Neanderthal fire & rainbow 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 Co je vlastně život? J. Maynard Smith & Eörs Szathmáry (1999): nutná dědičnost proměnlivosti 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 skenovat0007 Evoluce ve zkumavce: Sol Spiegelman et al. (1970): RNA (templát ~ 4000 bp) a replikáza bakteriofága Qb, + nukleotidy (normal size jpg) Sol Spiegelman skenovat0003 Þ evoluce ® „Spiegelmanovo monstrum“: ® zmenšení velikosti Þ zvýšení rychlosti replikace po 74. transferu 5% rozdíl v sekvenci, 17% velikost ve srovnání s původní RNA ® snížení schopnosti infikovat bakterii E. coli po 4. transferu snížení infekčnosti Tyto experimenty ale nevysvětlují vznik života (dodán enzym) predikce: velikost < 4000 bp (rychlejší replikace) > 50–100 bp (nelze spolehlivě replikovat) podobně Manfred Sumper et al.: vznik schopnosti replikace v přít. akridinové oranže (dokonce rychleji) 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) 3,45 mld.: podobnost se současnými stromatolity ... dnes zpochybňováno VZNIK ŽIVOTA Podle radiometrického měření stáří Země ~ 4,6 mld. let podle některých teorií ale Země vznikla sekundárně a je tedy mladší současné stromatolity Shark Bay, Z Austrálie prekambrické stromatolity Siyeh Formation, Glacier Natl. Park chemické fosilie – kerogen = organická hmota tvořená rozkladem a transformací živých organismů Grónsko: 3.85 mld., potvrzení na základě poměru C12/C13 Závěr: život zřejmě vznikl během 200 mil. let mezi 4 a 3,8 mld. https://whyevolutionistrue.files.wordpress.com/2010/02/microfossils.jpg?w=1000 jádro? Emmanuelle Javaux et al. (2010): „acritarchs“, 3,2 mld. (Agnes gold mine, Moodies Group, J Afrika) do té doby – 1,8 mld. není jisté, zda jde o eukaryota buněčná stěna složitější buněčné struktury 1,4 mld. Jak vznikl život? vznik jednoduchých organických molekul ® chemická evoluce, primitivní metabolismus vznik autoreplikace, kompartmentace a vznik buňky, ... 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, tj. organická ¹ anorganická) 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 Chemická evoluce 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 všechny 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“ na povrchu pyritu shluky molekul [2Fe-2S] nebo [4Fe-4S] ® možné prekurzory ferredoxinů, pyridoxalfosfátu, folátů, a kofaktorů (NAD) ústřední role acetyl-CoA chemoautotrofie alternativy: katalyzátorem krystalická voda v tenké vrstvě na povrchu hydrogenovaných nanokrystalů diamantu ® snadný vznik organizovaných struktur (i pod vodou) štěrbiny jílu 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 živec vrstvy jílu ochrana, zvýšení koncentrace Klíčové evoluční přechody: John Maynard Smith a Eörs Szathmáry alt14 1.vznik replikátorů 2.kompartmentace, vznik buňky 3.vznik chromozomů 4.vznik genetického kódu, DNA 5.vznik eukaryot 6.vznik pohlaví 7.mnohobuněčnost 8.society 9.vznik jazyka E. Szathmáry http://ecx.images-amazon.com/images/I/81O%2Ba60qQbL.jpg Vznik replikátorů – svět RNA F. Crick C. Woese L. Orgel Carl Woese, Francis Crick, Leslie Orgel (1967): dvojí role RNA: dědičnost + enzym = ribozym Experimenty Spiegelmana, Sumpera a dalších ukázaly, že na úrovni replikátorů funguje nejen dědičnost a mutace, ale i selekce co se ale replikovalo? proteiny DNA RNA jiná látka 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 aktivní místo ribozymu Paul & Joyce (2002): ribozym R3C – ligace dvou molekul RNA R3C pozměněn tak, aby produkt ligace byl totožný s R3C ® katalýza vlastní replikace ´ pouze 2 kola replikace a absence selekce (žádná variabilita) ® tyto problémy později vyřešeny (Lincoln & Jozce 2009) Známé přirozené ribozymy: peptidyl transferáza 23S rRNARNáza 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 File:Full length hammerhead ribozyme.png hammerhead ribozyme mnoho funkcí vzniklo velmi dávno RNA jako „molekulární fosilie“ NAD+, FAD = deriváty ribonukleotidu deoxyribonukleotidy vznikají z ribonukleotidů ATP » ribonukleotid Vlastnosti RNA: jednodušší než DNA absence složitých opravných mechanismů schopnost vytvářet rozmanité 3D konformace reaktivnější než DNA (OH-skupina na 2´ uhlíku) http://www.wikilectures.eu/images/5/53/DNArepairmech.png http://2.bp.blogspot.com/-fTqQnoy_3DE/TdfsOqm10fI/AAAAAAAADE0/p1u0Yr_yCT4/s1600/DNArepair.gif Alternativy nukleových kyselin: Alexander Graham Cairns-Smith: krystalický jíl jako „urgen“ – původně anorganická replikace, jakési „lešení“ Julius Rebek: autoreplikace pomocí AATE (amino adenosin triacid esther) Ronald Breaker (2004): DNA se dokáže chovat jako ribozymy cairnssmith_ph A.G. Cairns-Smith File:Rebek.jpg J. Rebek Problém replikace pomocí ribozymu: Manfred Eigen (1971): při absenci opravných mechanismů je maximální velikost replikující se molekuly » 100 bp délka genomu kódujícího funkční enzym mnohem vyšší než 100 bp = Eigenův paradox hypercykly = stabilní koexistence dvou a více kooperujících replikátorů hypercykly: molekulární mutualismus: reciproční altruismus (win-win relationship) kompetice celého systému s jinými cykly riziko „parazitace“ sytému Þ nutnost 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 Kompartmentace a vznik buňky spojení replikátorů Þ delší replikace Þ selektivní nevýhoda možné výhody: 1. redukce kompetice mezi funkčně spojenými replikátory 2. produkty funkčně spojených replikátorů na stejném místě genetický kód: redundantní, redundance nenáhodná (Ser, Arg, Leu: 6 kodonů ´ Met, Trp: 1 kodon) Vznik chromozomů a genetického kódu tRNA mycop 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 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 chemickou 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 minimálních 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 odlišné RNA mají tendenci preferenčně vázat určité AA 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 Þ delší geny dělba práce mezi RNA a DNA se ztrátou genetické funkce mohla RNA plnit katalytické a strukturní funkce s menšími omezeními Přechod RNA ® DNA 2 2 Vznik eukaryotické buňky 2 Thomas Cavalier-Smith: ztráta buněčné stěny Þ nutnost vytvoření endoskeletu Þ flexibilita, pohyb, fagocytóza vchlipování membrány ® ER File:Thomas Cavalier-Smith.jpg Prokaryontní 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 mikrotubuly mikrofilamenta preadaptace (exaptace) Původ buněčných organel: Konstantin Sergejevič Merežkovskij (1905, 1909): myšlenka symbiogeneze chloroplasty = původně cizí organismy (A. Schimper 1883; mitochondrie – 1890 R. Altmann) nejprve živočišná buňka: měňavka + bakterie (jádro) Lynn Margulisová (1966, 1970): endosymbióza mitochondrie: bakterie příbuzné rickettsiím nebo jiným a-proteobakteriím, postupně ztráta fotosyntézy chloroplasty: sinice, postupně ztráta respirace File:Merezhkovsky K S.jpg K.S. Merežkovskij [USEMAP] Lynn Margulisová jádro mitochondrie plastid Teorie vzniku jaderné membrány: 1. splývání váčků z cytoplazmatické membrány 2. splynutí eubakterie a archebakterie (membrána archebakterie = jaderná, membrána bakterie = buněčná) 3. virový původ (několik variant) ... kontroverzní 4. nejprve vznik 2. cytoplazmatické membrány, z vnitřní postupně jaderná Transfer genů do jádra: např. gen neoSTLS2, chloroplast tabáku ® v 16 z 250 000 (» 1/16 000) dceřiných buněk přenos genu do jádra Þ rezistence vůči kanamycinu http://www.evolution-textbook.org/content/free/tables/Ch_08/T2_EVOW_Ch08.jpg peroxizomy: G+ bakterie mikrotubuly: spirochéty ´ současné poznatky nepotvrzují Mixotricha paradoxa spirochéty sekundární a terciární endosymbióza ® komplexní plastidy: např. krásnoočko + zelená řasa http://www.dr-ralf-wagner.de/Bilder/Euglena_gracilis.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ea/Euglena_diagram.jpg sekundární endosymbióza: ztráta buněčného obsahu primárního hostitele https://classconnection.s3.amazonaws.com/114/flashcards/717114/png/picture_101318883077918.png sekundární endosymbióza: http://www.nature.com/scitable/content/ne0000/ne0000/ne0000/ne0000/14256762/endosymbiosis_Figure1_2 _1.jpg http://www.life.umd.edu/labs/delwiche/pubs/endosymbiosis.gif terciární endosymbióza: někdy existenci sekundárního endosymbionta poznáme pouze na základě přítomnosti jeho DNA (např. geny chlamydií v plastidech rostlin a primárních řas) jindy jsou endosymbionti stále schopni samostatného života např. fotosyntetické řasy (chlorelly, obrněnky, haptofyty) v buňkách korálů, dírkonošců, mřížovců a některých nálevníků kleptoplastidy (např. nálevník Myrionecta rubra, obrněnky rodu Dinophysis, mořský plž Elysia viridis) Myrionecta rubra http://www.conchsoc.org/sites/default/files/Ian%20Smith/3Ev.jpg http://img.news.sina.com/technology/p/2011/1128/U48P5029T2D418111F24DT20111128173116.jpg dinophysis_caudata.jpg http://www.eos.ubc.ca/research/phytoplankton/ciliates/myrionecta/images/small/M_rubra_fixed_20xDIC_ ann.jpg Myrionecta rubra Dinophysis caudata Vznik mnohobuněčnosti http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4b/Dictyostelium_Aggregation.JPG http://i.telegraph.co.uk/multimedia/archive/01807/amoeba_1807435i.jpg sorus stopka 20-22 h 24 h plodné seskupení 16 h „prst“ 18 h „mexický klobouk“ „slimák“ 14 h agregát se špičkou 12 h těsný agregát 10 h volný agregát 8000–500 000 buněk hlenky (slime molds), např. Dictyostelium discoideum http://cronodon.com/images/Dictyostelium_Grex.jpg Jak se „slimák“, složený z nezávislých améb, orientuje ve svém prostředí? cAMP (cyclic adenosine monophosphate): emise v místě nejhustší agregace ® signál pro „downstream“ buňky ® postupná agregace produkce proteinu, který umožňuje vzájemné přichycení améb reakce na vnější podněty“: světlo, tepota, gradient kyslíku a čpavku v půdě http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4b/Dictyostelium_Aggregation.JPG místo emise cAMP http://www.corbisimages.com/images/Corbis-42-26608347.jpg?size=67&uid=16a1b7b1-53c8-4d0c-9a4b-dca31 bb1e1bb Jaké jsou výhody agregace D. discoideum? tvorba obalu z celulózy a látek bohatých na proteiny ® ochrana proti hlísticím – jen na povrchu “slimáka“ rychlejší pohyb hlístice „slimák“ chráněný obalem a velikostí směr pohybu „slimáka“ http://www.evolution-textbook.org/content/free/figures/05_EVOW_Art/11_EVOW_CH05.jpg Poslední společný předek = LUCA (last universal common ancestor) nemůžeme nic vědět o organismech před LUCA Strom života (Tree of life): http://evolution-textbook.org/content/free/figures/00END_EVOW_Art/02_EVOW_END.jpg http://www.evolution-textbook.org/content/free/figures/05_EVOW_Art/17_EVOW_CH05.jpg ? ? ? 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 Horizontální přenos genů http://www.evolution-textbook.org/content/free/figures/05_EVOW_Art/23_EVOW_CH05.jpg retikulátní evoluce Þ žádný univerzální předek současných organismů ´ stromy pro jednotlivé geny můžou mít LUCA Kam na stromu života patří viry? 1. pozůstatky předbuněčného světa: některé procesy a geny starobylé mnoho genů jen velmi vzdáleně příbuzných od buněčných protějšků ´ jak mohly samostatně existovat v předbuněčném světě? 2. podobnost s transpozony ® „uprchlé“ části buněčných organismů – původně jejich součástí (např. jako buněčná RNA, nebo DNA elementy jako transpozony a plasmidy) 3. původně volně žijící organismy např. mimivirus: velikost genomu = 1,2 Mb, > 900 proteinů, tj. více než některé bakterie a archebakterie mimivirus Klíčové evoluční přechody: alt14 vznik replikátorů kompartmentace, vznik buňky vznik chromozomů vznik genetického kódu, DNA vznik eukaryot vznik pohlaví mnohobuněčnost society vznik jazyka E. Szathmáry Jedinci se přestávají reprodukovat nezávisle Větší velikost ® větší kořist, specializace, dělba práce Vznik efektivnějších způsobů získání, procesování, přenosu a uložení informací konflikt selekce na různých úrovních: kontrola replikace ´ B chromozomy, transpozice spravedlivá meióza ´ meiotický tah diferenciace somatických buněk ´ nádorové bujení nereprodukční kasty ´ dělnice kladoucí vajíčka Výhody přechodu na „vyšší úroveň“ ale neznamenají působení skupinového výběru!