EVOLUCE A VZNIK ŽIVOTA. Obecné zákonitosti biologické evoluce

Transkript

1 EVOLUCE A VZNIK ŽIVOTA Obecné zákonitosti biologické evoluce

2 DEFINICE ŽIVOTA Živé organismy jsou prostorově ohraničené, v čase omezené, otevřené, hmotné systémy založené na sloučeninách uhlíku, s vysokým stupněm organizovanosti a se schopností : autoregulace autoorganizace autoreprodukce metabolismu komunikace vývoje (evoluce)

3 EVOLUCE biologická evoluce změna živých soustav v určitém časovém úseku změna v souboru genů živých soustav v určitém časovém úseku

4 TEORIE EVOLUCE ŘÍKÁ, ŽE. 1. Všechny živé formy se vyvinuly z jiných živých forem (biogeneze vs abiogeneze) 2. Všechny živé organizmy jsou příbuzné (různý stupeň sdílí DNA) 3. Veškerý život na zemi má jednotný původ

5 TEORIE EVOLUCE ŘÍKÁ, ŽE. 4. Proces, který žene evoluci jsou náhodné mutace, které se dědí 5. Mutace s evoluční výhodou (přežití) mají vyšší pravděpodobnost rozšíření než ty znevýhodňující 6. Přežívání těch nejlepších je dáno přírodním a pohlavním výběrem a bojem o život

6 LOGICKÉ DŮSLEDKY Náhodný genetický posun Mutace Tok genů (snižuje rozdíly a inhibuje speciaci)

7 GEORGES CUVIER teorie kataklyzmat (katastrofismu); nalézá fosílie v různých geologických vrstvách

8 JAMES HUTTON vysvětluje současný geologický stav Země teorií gradualismu: velké změny jsou výsledkem malých ale nepřetržitých procesů

9 Sir CHARLES LYELL The Principles of Geology (1930) země je nesmírně stará a přírodní síly, které ji formovaly jsou nestále v činnosti (sopky, zemětřesení, vítr, mráz, déšť teorie uniformitarianismu: geologické procesy v minulosti byly tytéž jako ty dnešní

10 JEAN BAPTISTE LAMARCK Organizmy se mění změny prostředí způsobují změny v potřebách organizmů Organizmy mění své chování díky změnám potřeb (prostředí zvířecí krk) Potomci dědí tyto změny Proces evoluce není náhodný Lamarck nevěřil ve vyhynutí druhů!!! Přínos : myšlenka, že evoluce je nejlepší vysvětlení fosílií a současné rozrůzněnosti života; rozpoznal velké stáří Země; zdůrazňuje adaptaci k prostředí jako primární produkt evoluce

11 CHARLES DARWIN On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life

12 Plavba lodi Beagle (Darwinovy postřehy) Druhy obývající mírné oblasti Jižní Ameriky se více podobají druhům tropických oblastí Jižní Ameriky než druhům mírných oblastí jiných kontinentů Nálezy fosilních organismů v Jižní Americe jsou podobné recentním druhům Jižní Ameriky víc než současným druhům jiných kontinentů

13 CHARLES DARWIN Biologické druhy se permanentně mění Biologicky vzato, každý živý organizmus neustále bojuje o přežití a co největší počet potomstva Tento boj o život upřednostňuje lépe adaptované jedince pro dané prostředí - přírodní výběr Přírodní výběr, vývoj a evoluce trvají velmi dlouho Genetické variace vznikají náhodou

14 ALFRED RUSSEL WALLACE Darwin byl částečně stimulován dopisem, který obdržel od Wallace v roce 1858 ve kterém Wallace načrtl myšlenky evoluční teorie.

15 Mikroevoluce =změna v genetické struktuře populace Prostředí netvoří zobáky specializované na malá či velká semena Prostředí pouze vybírá optimální variantu

16 Evoluce viru HIV Užití antivirového léku 3TC T buňka infikovaná virem HIV Na začátku léčby není téměř žádný HIV odolný. Po několika týdnech má rezistenci 100% virionů

17 Evoluce není darwinismus Evoluce = změna genofondu populace v průběhu času Lamarckismus, darwinismus, neodarwinismus = pokusy o interpretaci jevu evoluce Syntetická teorie evoluce = neodarwinismus = Darwin (přírodní výběr) + Mendel(zákony dědičnosti) + genetika populací + molekulární biologie + statistika

18 Doklady, že evoluce existuje Biogeografie Fosilní nálezy Srovnávací anatomie Srovnávací embryologie Molekulární biologie

19 Mikroevoluce a makroevoluce Mikroevoluce = malé změny v genofondu populace v průběhu několika generací v rámci jednoho druhu (rasy psů, Biston, Brassica, zobáky pěnkav, rezistence k pesticidům) Makroevoluce = velké změny v genofondu populace, v průběhu mnoha generací vyúsťující ve vzniku nového druhu; akumulace mikroevolučních změn

20 Biogeneze -vznik života na Zemi (hypotézy) kreacionismus - život na Zemi byl stvořen extraterestrický původ života na Zemi - osídlení Země organizmy z jiných planet autochtonní vznik života na Zemi - vznik života přímo na Zemi organizací živých soustav

21 Extraterestrická biogeneze Panspermie Svante Arrhenius ( ) celý vesmír - živé organismy zárodky organismů přenos na jiné planety důkazy - v Antarktidě nalezeny meteority s mikroskopickými fosiliemi primitivních baktérií

22 Autochtonní biogeneze postupné zvyšování organizovanosti živé hmoty: PREBIOTICKÁ ETAPA vznik organik z anorganik abiogenní cestou (chemoevoluce 1,5-2 mld) asociace molekul organických látek do vyšších stabilních celků BIOTICKÁ ETAPA vznik nejprimitivnějších živých soustav - eobiontů (protobuňky) se schopností metabolismu a autoreprodukce a jejich vývoj v evolučně primitivní buňky (první před 3,5-3,8 mld let)

23 CHEMICKÁ EVOLUCE Polymerace monomerů (povrch, skála, písek, jezírka, blízko vulkanických gejzírů) Samoreplikace (RNA ribozymy) Metabolizmus Primitivní buňky (prokaryota eukaryota) Autotrofie a heterotrofie

24 Vesmírný kalendář Karla Sagana 24 dní = 1 miliarda let 1 sekunda = 475 let Big Bang Mléčná dráha Solární Systém Život na zemi Humanoidní primáti 1. ledna 1. května 9. září 25. září Mléčná dráha 31. prosince, 10:30 dopoledne

25 MILNÍKY FYZIKÁLNÍHO A ORGANICKÉHO SVĚTA Prekambrium (4,6 miliardy 540 miliónů )

26 Stromatolity miliónů let - současnost Shark Bay, Austrálie

27 Fosilní prokaryota, moderní stromatolity Moderní stromatolit Fosilní stromatolit Západní Austrálie stáří 3,5 miliard let

28 Stromatolity Vrstvy fotosyntetických bakterií a sinic Písek a sedimenty pokrývají tyto bakterie a sinice Buňky se přesunou nad sedimenty a vytvoří novou vrstvu Časem dojde ke vzniku vrstveného sedimentu

29 Černé komíny jejich výhody oproti hypotéze primordiální polévky moře relativně chrání proti dopadům meteoritů moře chrání proti UV záření z kosmu; nezávislost na Slunci vhodná teplota a dostatek organických látek mnohé extremofilní baktérie mají teplotní optimum mezi o C molekulární fylogenetické analýzy naznačují, že předkové dnešních prokaryot mohli žít za vysokých teplot a oxidovat sloučeniny síry černé komíny jsou rovněž zdrojem některých organických látek, jako je acetylkoenzym A, vznikajícím z CO a H 2 S

30 Černé komíny jejich výhody oproti hypotéze primordiální polévky černé komíny jsou rovněž zdrojem některých organických látek, jako je acetylkoenzym A, vznikajícím z CO a H 2 S

31 MILNÍKY FYZIKÁLNÍHO A ORGANICKÉHO SVĚTA Paleozoikum ( miliónů)

32 EXTINKCE - VYMŘENÍ Ordovické (Asi 438 miliónů) Devonské (Asi 360 miliónů) Permské (Asi 245 miliónů) Mancougan (Kanada, Ontario)

33 MILNÍKY FYZIKÁLNÍHO A ORGANICKÉHO SVĚTA Mesozoikum ( miliónů)

34 EXTINKCE - VYMŘENÍ Triasové (Asi 208 miliónů) Křídové (Asi 65 miliónů)

35 60-75% živých organizmů vymřelo Všechna suchozemská zvířata nad 25 kg nepřežila

36 MILNÍKY FYZIKÁLNÍHO A ORGANICKÉHO SVĚTA Cenozoikum (65 miliónů do dnešní doby)

37 EXTINKCE Za posledních 540 mil let cca 20 extinkcí 35 mil let konec Eocénu (vyhynutí ¼ druhů) meteorit (Sibiř kráter o průměru 100 km) impaktních kráterů Podkamennaja Tunguzka zničeno 1000 km 2 tajgy

38 LIDSKÁ HISTORIE VĚDECKÁ VERZE. Řád Primáti Rodina Hominidae či Hominidi Rod Homo ( Člověk") Druh Homo sapiens ( člověk rozumný ) (poddruh Homo sapiens sapiens)

39 Obvyklé omyly 1) Člověk pochází z opic 2) Vývoj člověka = přehlídkový průvod na sebe navazujících druhů, které se mění plynule jeden ve druhý až k Homo sapiens 3) Lidské znaky, např. vzpřímená chůze a velký mozek vznikají souběžně mozaikovitá evoluce lidské znaky se vynořují nezávisle na sobě

40 ANTROPOGENEZE První opi v příbuzenské linii s člověkem se objevili v Miocénu - 5 až 25 miliónů BC Zahrnují členy rodiny Dryopithéků 1) Proconsul africanus ( lesní op") 2) Ramapithecus (předek orangutana)

41 Aegyptopithecus zeuxis nebyl poloopice, opice či lidoop 35 miliónů let velikost kočky, žil na stromech (vřešťan?) Severní Egypt, Fajjúm 1966

42 Hominid? Nehominid? Sahelanthropus tchadensis (7 6 milionů let) Objem mozku cm 3

43 Orrorin tugenensis ( Millenium man ) 6 milionů let Orrorin = original man ; byl nalezen v Tugen Hills v Keni nalezen v roce 2000 úlomky kostí zřejmě chodil po dvou, ale uměl i šplhat

44 Ardipithecus ramidus (5,5-4,4 miliony let) nalezen v Etiopii a Egyptě snad nejstarší hominid potrava: asi ovoce a listí vážil asi jen kolem 40 kg nalezená část čelisti

45 AUSTRALOPITHECUS 1. 4 až 3 stop vysoký 2. Mozková kapacita 300 až 600 cc 3. Hlava nesla některé opičí a lidské znaky 4. První exemplář nalezl R. Dart 1924

46 HOMO HABILIS 1. podobný Australopithekům 2. Mozková kapacita cc 3. Patří do lidského rodu pouze díky kostře 4. Velmi málo se ví o jeho životu a mentálních schopnostech 5. Oldowanské nástroje

47 HOMO ERGASTER (1,9 1,6 milionů let) mozek přes 900 cm 3 krátké prsty zřejmě již nešplhal a zřejmě již chodil po dvou na velké vzdálenosti

48 HOMO ERECTUS 1. Kapacita mozkovny cc 2. První člověk, který cestuje a obývá mnoho kontinentů. Nálezy Jáva, Indonézie, Čína, Evropa a Afrika. 3. Žil v jeskynních, lovil ve skupinách a přežíval v chladném klimatu. Váha a výška podobná modernímu člověku. 4. Acheulské a Mousterijské nástroje

49 HOMO SAPIENS NEANDERTHALENSIS to let 2. Velmi silný a houževnatý 3. Průměrná mozková kapacita cc 4. Nedostatečně vyvinutá centra řeči a přední mozek je menší 5. První lidé žijící v Době ledové jeskynní lidé 6. Mousterijské nástroje 7. Kultovní praktiky

50 Co se stalo s neandertálci? H. neanderthalensis koexistoval s H. sapiens alespoň 20,000 let, možná 60,000 let Možné scénáře? Neandertálci se zkřížili s H. sapiens Neandertálci byli vybiti H. sapiens H. sapiens způsobil vyhynutí Neandertálců kompeticí Neandertálec vymřel klima gen FoxP2 gen Mc1R

51 Pestera Muierii tato lebka byla nalezena v Rumunsku v Pestera Muierii je to směska znaků neandertálců a moderních lidí což by nasvědčovalo tomu, že oba druhy žily vedle sebe a křížily se

52 HOMO SAPIENS SAPIENS až do dnešní doby 2. Časné a pozdní formy (Cromaňonec) 3. Plně vyvinutý 4. Fyzické a psychické schopnosti 5. Jazyk, kultura a zvyky

53 anatomicko-fyziologická stavba člověka se příliš neliší od dnešních lidoopů charakteristické lidské znaky bipedální chůze uspořádání ruky ztráta ochlupení (pravděpodobně předkové žili v mělké vodě a srst nepotřebovali) rozvoj mozku a jeho struktury (rozvoj byl stimulován jemnou prací ruky) možnost abstraktního myšlení verbální signalizace (způsob zavěšení jazylky) učení (přenos epigenetické informace z rodičů na potomky, učení chování, předání zkušeností)

54 Pohlavní dimorfismus gorily a orangutani: sameček váží 2x tolik co samička A. afarensis = 1,5x šimpanzi: sameček váží 1,35x tolik co samička člověk: muž váží 1,2x tolik co žena

55 HOMO FLORENSIS P. Brown Nature let 2. Indonesie

56 VIRY a piece of bad news wrapped up in a protein

57 VIRY A LIDÉ Nejrannější záznam o virové infekci člověka Memfis (cca 1400BC) Paralytická poliomyelitis

58 VIRY Objeveny přelom 19. a 20. století Acelulární Obligátní intracelulární parazité Považovány za neživé (ale závislé na živých organizmech) Velikost 20 nm až 300 nm

59 VIRY Univerzální existence DNA a RNA - genom Proteiny - replikační enzymy a ochranný obal Lipidy a cukry (obalené viry) Žádné organely Bez metabolizmu, proteosyntéza závislá na hostitelské buňce

60 KLASIFIKACE VIRŮ Klasické schéma --- typ nukleové kyseliny (DNA či RNA) --- počet vláken nukleové kyseliny ss a ds --- symetrie kapsidy (ikozahedrální či helikální) --- přítomnost či nepřítomnost obalu --- velikost virových partikulí --- specificita hostitelské buňky

61 KLASIFIKACE VIRŮ živočišné - zootropní, zoopatogenní rostlinné - fytotropní, fytopatogenní bakteriální - bakteriofágy, fágy sinic - cyanofágy hub - mykoviry

62 Viry - klasifikace (virový genom) DNA viry obalené neobalené DNA jednovláknová lineární parvovirus kruhová bakteriofág M13 dvouvláknová lineární herpesviry, adenoviry, poxviry kruhová SV 40 RNA viry obalené neobalené RNA jednovláknová lineární poliovirus, virus tabákové mozaiky dvouvláknová lineární reoviry

63 Gigantický mimivirus - mamavirus Sputnik - virofág

64 VIRY PRINCIPY ARCHITEKTURY Virion Kapsida kapsomery Nukleokapsida Obal

65 VIRY - TVARY Ikozahedrální Sférické (kulovité) Helikální (tyčkovité) Bakteriofág

66 VIRY - INFEKCE perzistence - genom viru v buňce přetrvává, aniž by se replikoval latentní infekce - virus se v buňce sice pomnožuje, ale buňku jako takovou nepoškozuje

67 VIRY - INFEKCE virogenie - virus se začleňuje do genomu hostitelské buňky - transformace (např. nádorovou - onkoviry), nebo mění její vlastnosti (b. jinak reaguje na buněčné regulační mechanismy - např. tzv. pomalé viry) lyze - hostitelská buňka zaniká, rozpadá se nebo virus indukuje programovanou smrt buňky

68 VIRY INFEKCE Rozpoznání susceptibilní hostitelské buňky (receptory a permisivita) Buněčné receptory (glykoproteiny) interakce

69 VIRY INFEKCE Vstup viru endocytóza přímá fůze translokace nukleových kyselin Rozbalení viru odhození proteinového obalu

70 VIRY INFEKCE Virová replikace Virem řízený buněčný metabolismus namířený k syntéze virových enzymů a ostatních komponent

71 VIRY INFEKCE Časná fáze replikace Pozdní fáze replikace

72 VIRY - INFEKCE Zrání Tvoří se kapsida okolo genetické informace viru Uvolnění viru Neobalené a komplexní viry - lýza Obalené viry pučení či exocytóza

73 RETROVIRY - unikátní -nesou ssrna and reverzní transcriptázu -mnohé onkogenní -HIV-1 a HIV-2

74 CYTOPATICKÝ EFEKT Zničení buněčné struktury Inhibice či převzetí buněčných funkcí Alterace buněčných membrán Inzerce a zničení hostitelské DNA Transformace či konverze buněk bradavice, nádory

75 INFEKCE BAKTERIÁLNÍCH BUNĚK Lytický cyklus Fágy v bakteriálních buňkách Cyklus je dokončen zničením infikované buňky min v závislosti na teplotě

76 INFEKCE BAKTERIÁLNÍCH BUNĚK Lyzogenní cyklus Temperované fágy Rekombinace DNA s hostitelskou DNA provirus perzistuje poškozuje

77 BRÁNY VSTUPU 1) Respirační systém 2) Přímá inokulace kontaktem kůží 3) Přímá inokulace do krevního řečiště 4) Orálně/fekální do GITu 5) Genitální 6) Vertikální matka/dítě

78 Živočišné viry - klasifikace Parvoviry Neobalené DNA viry jednovláknová DNA Papovaviry dvouvláknová kruhová DNA - lidský virus bradavic Adenoviry dvouvláknová lineár. DNA - infekce dýchací soustavy, - některé jsou onkogenní

79 Živočišné viry - klasifikace Obalené DNA viry, dvouvláknová DNA Herpesviry - HSV I, HSV II - opakující se opary -EBV- infekční mononukleóza - Burkittův lymfom -CMV - atypic. pneumonie, hepatosplenomegalie, encefalitida - virus varicella, zoster - plané neštovice, pásový opar Poxviry - virus černých i kravských neštovic - virus myxomatózy králíků Hepadnaviry - HBV - sérová hepatitida - karcinom jater

80 Živočišné viry - klasifikace Neobalené RNA viry, jednovláknová RNA Pikorna viry polioviry - dětská obrna (poliomyelitida) rhinoviry - rýma a nachlazení virus slintavky a kulhavky virus hepatitidy A (infekční hepatitida)

81 Živočišné viry - klasifikace Obalené RNA viry, jednovláknová RNA Togaviry virus žluté zimnice virus klíšťové encefalitidy Retroviry HIV - AIDS Rabdoviry virus vztekliny Paramyxoviry virus spalniček, virus zarděnek, virus příušnic Ortomyxoviry viry chřipky typy A, B, C

82 Medicínsky významné viry HSV I, HSV II - herpes simplex virus I, II HAV, HBV, HCV - virus hepatitidy A, B, C EBV - virus Epstain Baarové CMV - cytomegalovirus viry chřipky HIV - human imunodeficiency virus onkoviry - onko DNA viry, onko RNA viry virus vztekliny virus poliomyelitidy - dětské obrny EBOLA

83 Ebola virus Není-li ebola léčena, mortalita může vystoupit až na 50% - 90% z nakažených v létě 1995 v Zaire došlo k novému výskytu zemřelo 245 lidí z 316 nakažených (!)

84 původce patří mezi koronaviry SARS fotografie z cyklu Year 2003 in pictures z obalu vystupuje korona tvořená z glykoproteinových částic

85 Virové infekce Oportunní infekce projeví se především u imunitně oslabených jedinců : pacienti po transplantacích orgánů diabetici staří lidé alkoholici nealkoholoví narkomani osoby dlouhodobě vystavené vysoké fyzické a psychické zátěži

86 Průkaz virové infekce v organismu průkaz přímý zpracování vzorků biologického materiálu pro pozorování v elektronovém mikroskopu (EM) průkaz virového genomu molekulárně biologickými metodami - izolace virových nukleových kyselin (DNA, RNA) průkaz nepřímý průkaz produkce protilátek proti virovým proteinům v krevním séru pacientů

87 Prevence virové infekce Aktivní imunizace - očkování oslabený virus, či samotné virové proteiny jsou injikovány do organismu, který na ně reaguje spuštěním imunitní reakce a tvorbou protilátek očkování proti viru hepatitidy B (HBV) je povinné u všech zdravotníků, očkování celé populace - poliomyelitida, spalničky, zarděnky (dívky), příušnice (chlapci) očkování nepovinné - klíšťová encefalitida, hepatitida A, hepatitida C, chřipka

88 Léčba virových infekcí Obtížná, nepříliš úspěšná virostatika (Zovirax, Herpesin) Antibiotika v léčbě virových nemocí jsou neúčinná! Nebezpečí zbytečného zneužívání antibiotik v léčbě virových infekcí!!!

89 Využití virů v biomedicíně Genové inženýrství = genové manipulace tento postup je používán například při přípravě transgenních organismů či v genové terapii Experimentální práce