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 (podobně Edward Trifonov: replikace s variací) celkem víc než 100 definic! nutná schopnost akumulace hmoty a její organizace do složitějších struktur nutná paměť systému nutný metabolismus Co je vlastně život? J. Špaček: Vesmír 97, 2018: nelze vést ostrou hranici mezi živým a neživým 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 Výsledek obrázku pro weird self made car Výsledek obrázku pro weird self made car skenovat0007 Evoluce ve zkumavce: Sol Spiegelman et al. (1965): RNA (templát ~ 4500 bp) a replikáza bakteriofága Qb, + nukleotidy (normal size jpg) Sol Spiegelman skenovat0003 Þ evoluce ® „Spiegelmanovo monstrum“: ® zmenšení velikosti po 74. transferu na 218 bp » 5% velikost původní RNA*) Þ zvýšení rychlosti replikace ® snížení schopnosti infikovat bakterii E. coli po 4. transferu snížení infekčnosti Tyto experimenty ale nevysvětlují vznik života (dodán enzym) Sumper a Luce (1975): vznik „Spiegelmanova monstra“ i bez přítomnosti templátu (jen RNA báze a Qb replikáza) ´ později kritika, šlo o kontaminaci environmentální RNA *) Oehlenschläger a Eigen (1997): nakonec jen 48-54 bp (~ vazebné místo pro RNA replikázu) VZNIK ŽIVOTA Stáří Sluneční soustavy: 4,5682 mld. let stáří primordiální Země: 4,54±0,04 mld. Měsíc: různé odhady, nejstarší 4,5 mld. ® po srážce Země s planetou Theiou *) (objem zhruba Marsu, 10 % hmotnosti Země) 4,1-3,8 mld.: Pozdní velké bombardování voda na Zemi má stejné složení jako na asteroidech! Kejnovský et al., Vesmír 97, 2018 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 současné stromatolity Shark Bay, Z Austrálie prekambrické stromatolity Siyeh Formation, Glacier Natl. Park chemické fosilie – kerogen = organická hmota tvořená rozkladem a transformací živých organismů Grónský ledovec: 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) „Není žádných podstatných rozdílů mezi sloučeninami organickými a anorganickými.“ (A. Kekulé, pol. 19. stol.) Špaček, Vesmír 97, 2018 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 fosfor v přírodě vzácný některé sloučeniny v minimálním množství některé produkty vysoce nestabilní*) (např. s ribózou vznikají i další cukry, 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 *) kvůli hydrolýze byla zřejmě voda pro vznikající replikující se molekuly toxická Kde vznikl život? Darwin: „hot little pond“, prebiotická polévka alternativy: extraterestrický původ: panspermie: Svante August Arrhenius panspermie biologická a chemická - existence organických sloučenin ve vesmíru (komety, meteority, asteroidy): např. meteorit z Murchisonu (1969, Austrálie): 4,6 mld.; mnoho sloučenin jako v Millerově-Ureyho experimentu (+ shodné chemické složení vody, viz snímek 7) 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 1977: termofilní bakterie a archebakterie, třímetroví rournatci (mnohoštětinatci), mlži, hvězdice, svijonožci, přílipky, krabi, kroužkovci, krevety*) Khun2 G. Wächtershäuser *) https://www.youtube.com/watch?v=K4IY3dIwZdI&ab_channel=annabalog 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 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 Judit E. Šponer et al.: Klíčová role impaktů a sopek Vznik replikátorů – svět RNA 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 Vznik replikátorů – svět RNA F. Crick C. Woese L. Orgel Francis Crick, Carl Woese, Leslie Orgel (1967): dvojí role RNA: dědičnost + enzym = ribozym proteiny DNA RNA jiná látka Experimenty Spiegelmana, Sumpera a dalších ukázaly, že na úrovni replikátorů funguje nejen dědičnost a mutace, ale i selekce co se ale replikovalo? Vlastnosti RNA: jednodušší než DNA absence složitých opravných mechanismů schopnost vytvářet rozmanité 3D konformace reaktivnější než DNA (OH-skupina na 2´ uhlíku) http://2.bp.blogspot.com/-fTqQnoy_3DE/TdfsOqm10fI/AAAAAAAADE0/p1u0Yr_yCT4/s1600/DNArepair.gif http://www.evolution-textbook.org/content/free/tables/Ch_04/T3_EVOW_Ch04.jpg http://www.evolution-textbook.org/content/free/figures/04_EVOW_Art/15_EVOW_CH04.jpg http://www.evolution-textbook.org/content/free/figures/04_EVOW_Art/15_EVOW_CH04.jpg mnoho funkcí vzniklo velmi dávno RNA jako „molekulární fosilie“ mnoho zásadních koenzymů, např. NAD+, flavinadenindinukleotid (FAD) = deriváty ribonukleotidu deoxyribonukleotidy vznikají z ribonukleotidů při replikaci DNA používán RNA primer ATP = ribonukleotid Kruger et al. (1982): samosetřih intronu v pre-mRNA stejnobrvého nálevníka vejcovky (Tetrahymena) File:Tetrahymena thermophila.png Kruger et al. (1982): samosetřih intronu v pre-mRNA stejnobrvého nálevníka vejcovky (Tetrahymena) Zaug a Cech (1986): IVS (intervening sequence) ® ribozym aktivní místo ribozymu ligázová aktivita polymerázová aktivita File:Tetrahymena thermophila.png 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 schopnost replikovat i ostatní RNA nutná kompartmentace 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) Některé známé přirozené ribozymy: peptidyl transferáza 23S rRNARNáza P introny skupiny I a II vlásenkový ribozym (hairpin ribozyme) GIR branching ribozyme leadzyme hammerhead ribozyme HDV ribozym savčí CPEB3 ribozym VS ribozym glmS ribozym CoTC ribozym http://www.evolution-textbook.org/content/free/tables/Ch_04/T4_EVOW_Ch04.jpg Alternativy RNA: 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): jednotlivé geny si budou konkurovat 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 http://images.slideplayer.com/32/9816579/slides/slide_23.jpg J. Mayard Smith role trhlinek a nerovností na povrchu minerálů Kompartmentace a vznik buňky živec vrstvy jílu ochrana, zvýšení koncentrace role trhlinek a nerovností na povrchu minerálů proteiny: mikrosféry (Sidney W. Fox) lipidy: samovolný vznik lipozomů a micel role fosfolipidů: jejich použití evoluční výhodou proti normálním lipidům spontánní vznik lipidových membrán: „olej na vodě“ ® „voda v oleji“ semibuňka ® protobuňka ® buňka Kompartmentace a vznik buňky http://www.evolution-textbook.org/content/free/figures/04_EVOW_Art/14_EVOW_CH04.jpg 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 antikodon 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, nebo jako enzymatické kofaktory zesilující aktivitu RNA ® postupně vznik funkce v translačním systému P místo A místo vznikající protein mRNA tRNA ribozom vazba AA 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 ® některé experimenty ukazují, že molekuly RNA mohou být selektovány na základě jejich preferenční vazby na určité AA RNA svět: RNA = genotyp i fenotyp se vznikem translace proteiny převzaly většinu katalytických funkcí RNA (mohou vytvářet širší škálu polymerů) Þ mnohem rozmanitější katalytické aktivity ® 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 http://casopis.vesmir.cz/files/image/id/22576 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): pojem symbiogeneze chloroplasty = původně cizí organismy (Andreas Schimper, 1883: podobnost chloroplastů a sinic; Richard Altmann, 1890: mitochondrie [bioblasty] = původně bakterie) nejprve živočišná buňka: bezjaderná měňavka + bakterie (jádro) Lynn Margulisová (1966, 1970): endosymbióza mitochondrie: bakterie příbuzné rickettsiím nebo jiným a-proteobakteriím (např. Rhodospirillum), postupně ztráta fotosyntézy chloroplasty: sinice, postupně ztráta respirace File:Merezhkovsky K S.jpg K.S. Merežkovskij [USEMAP] Lynn Margulisová jádro mitochondrie primární 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 http://www.evolution-textbook.org/content/free/tables/Ch_08/T2_EVOW_Ch08.jpg 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 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 http://juicing-for-health.com/wp-content/uploads/2015/04/chlorella-algae.jpg http://1gr.cz/fotky/idnes/08/043/maxi/KOT22b4a1_lili_protoperidinium.jpg http://i.idnes.cz/08/111/maxi/JBA26f2b6_112814_1354415.jpg https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b0/Gephyrocapsa_oceanica_color.jpg/230px-Gep hyrocapsa_oceanica_color.jpg Chlorella haptofyt Gephyrocapsa Ceratium Protoperidinium Blíže viz heslo „symbiogeneze“ v Encyklopedii antropologie (http://is.muni.cz/do/sci/UAntrBiol/el/encyklopedie/encyklopedie.html) 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 kleptoplastidy (např. nálevník Myrionecta rubra, obrněnky rodu Dinophysis, mořský plž Elysia viridis) Elysia viridis 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, teplota, 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 https://www.frontiersin.org/files/Articles/132717/fmicb-06-00717-HTML/image_m/fmicb-06-00717-g003.j pg Forterre (2015) 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 Růst komplexity: Stephen Jay Gould: evoluce se pohybuje chůzí opilce, který se do startovního bodu nevrátí, i kdyby chtěl většina organismů i dnes prokaryotická dochází k sekundárnímu zjednodušení (např. paraziti) ´ John Maynard Smith a Eörs Szathmáry: teorie „nahodilé nevratnosti“ (contingent irreversibility): trvalá tendence k růstu složitosti klíčové přechody komplexita vzniká bez selekce alt14 http://www.achievement.org/achievers/gou0/large/gou0-006.jpg http://eu-media1.webofstories.com/images/1004/1004.jpg http://www.oxfordlearnersdictionaries.com/media/american_english/fullsize/r/rat/ratch/ratchet.jpg teorie „konstruktivní neutrální evoluce“ (Arlin Stolzfus, 1999) podobně Michael Lynch – neutrální evoluce v malých populacích Lukeš et al., Vesmír 90/9 (2011) mutace Editování RNA v mitochondriích Trypanosoma brucei https://trypanosoma-brucei.wikispaces.com/file/view/Tryp_cartoon_physical_structure.gif/120854971/6 22x431/Tryp_cartoon_physical_structure.gif http://www.desy.de/sites2009/site_www-desy/content/e428/e548/e4802/e98661/e121922/e121924/column-ob jekt124863/img/Trypanosoma_parasiteblood_cells_ger.jpg Klíčové evoluční přechody: vznik replikátorů kompartmentace, vznik buňky vznik chromozomů vznik genetického kódu, DNA vznik eukaryot vznik pohlaví mnohobuněčnost society vznik jazyka Jedinci se přestávají reprodukovat nezávisle Větší velikost ® větší kořist, specializace, dělba práce Vznik efektivnějších způsobů získání, procesování, přenosu a uložení informací http://ecx.images-amazon.com/images/I/81O%2Ba60qQbL.jpg 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!