Biologie, vznik života a taxonomie

Transkript

1 Biologie I Biologie, vznik života a taxonomie Co je život Vznik a počátky vývoje života na Zemi Současný život z nadhledu a taxonomie Hierarchie organizace biologických systémů Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc.

2 Biologie = věda o všech aspektech života (od chemických dějů po vztahy v ekosystémech) (od jeho vzniku po současné formy) BIOLOGIE... z řec. βιολογία; βίος = život) a λόγος = slovo termín zaveden Jeanem-Baptistou Lamarckem ( )...biologie - Molekulární biologie - Buněčná biologie - Vývojová biologie - Evoluční biologie - Populační biologie - Ekologie - Systémová biologie a obory a odvětví související a z biologie vzniklé systematika / biochemie/ genetika/ fyziologie / anatomie/ etologie / botanika/ zoologie / mykologie/ / bionika / lékařské disciplíny / virologie/ mikrobiologie. OBECNÁ BIOLOGIE = průřezové odvětví biologie zkoumá obecné základy živých soustav (integruje poznatky a zákonitosti související s živými soustavami a definuje je na všech úrovních života)

3 ŽIVOT JE KDYŽ 8+1 základních charakteristik života 1. Uspořádanost 2. Růst a [ontogenetický] vývoj 3. Spotřeba energie a její přeměna na práci 4. Odpověď na vnější stimuly 5. Regulace a homeostáza 6. Reprodukce 7. Dědičnost 8. Evoluční adaptace Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc.

4 Vznik Země a odkud se život na zemi vzal? 1. Mýtus o stvoření světa a života 2. Vznik země před 4,65 mil. let a poté vznik měsíce těžké bombardování pozdní těžké ochlazování plynů meteority bombardování mil. let až 4000 mil. let moře NatSci102/lectures/lifeform.htm ještě jednou meteority?

5 a odkud se život na Zemi vzal? 2. a) Mimozemský původ života na Zemi i) teorie PANSPERMIE mikroorganismy putující vesmírem ve formě spor meteorit AHL84001 bakterie magnetit uhlíkové depozity Zdroj NASA, ii) mimozemský původ organických molekul např. CHONDRITY- vysoký obsah C 1-2% - horniny stáří cca 4,5 mld. let - obsahují až 80 aminokyselin chondrit EET vyšší podíl L-aminokyselin na nichž staví i pozemský život (isovalin o 18% více L než D) PNAS 2009, doi /pnas Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc.

6 a odkud se život na Zemi vzal? 2. b) Pozemský spontánní vznik života na Zemi už od dob Aristotela klasický van Helmontův experiment: 1. vlož zrní a sýr do hrnce a překryj starým hadrem 2. inkubuj v klidném temném místě 3. za čas vzniknou myši 1860: touha po vědění nebo vidina franků od francouzské akademie L. Pasteur ( ) i) Ve sterilním mediu život sám nevznikne ii) Živé (mikro)organismy se v mediu množí až po kontaktu vnějším prostředím, zárodky, tedy již existujícím životem

7 a odkud se život na Zemi vzal? 2. b) Pozemský spontánní vznik života na Zemi ab initio, tedy od nuly i) Abiotická syntéza jednoduchých organických molekul na Zemi z anorganických ii) Určité struktury byly stabilnější delší poločas existence iii) Tyto molekuly vytvářely polymery a asociovaly do komplexnějších struktur, které mohly zvýhodňovat [stále abiotickou] syntézu sebe samých nebo jiných jednoduchých molekul a polymerů iv) Některé struktury byly stabilnější a jejich asociace, přes vznik kapek protobiont - s chemií odlišnou od okolí, kulminovaly vznikem buňky Hnací silou vedoucí ke vzniku života byla selekce (chemická evoluce molekul)

8 i) Abiotická syntéza organických molekul na Zemi z anorganických Teorie: A. I. Oparin a J. B. S. Haldane (20. léta minulého století) předpoklad: původní atmosféra na Zemi byla redukující (H 2, N 2, H 2 O, CO 2, CO, CH 4, NH 3, H 2 S a neobsahovala: O 2 ) byly zde zdroje energie a neobvyklé reakční podmínky (elektrické výboje, bombardování meteority, UV záření a vulkanická aktivita) Podmínky pro vznik komplexních organických molekul kyselina octová formaldehyd jednoduché aminokyseliny

9 i) Abiotická syntéza organických molekul na Zemi z anorganických Experimet: H. Urey a S. Miller (1953) Atmosféra: H 2, CH 4, NH 3 Prostředí: horká voda Zdroje energie: elektrické výboje Chemická evoluce: 1 týden Výsledek: kyselina mravenčí formaldehyd močovina glycin alanin Pozdější opakování a modifikace složení atmosféry potvrdily možnost vzniku dalších asi 30 sloučenin Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc. Mohl tedy život začít vznikat ve z takové primordiální polévky?

10 Ve vodě při hladině oceánu? proti: -prvotní atmosféra nebyla patrně tolik redukující -vzhledem k nepřítomnosti ozonu by organické molekuly rychle podlehly destrukci UV zářením -kromě biologických monomerů vznikají i sloučeniny bránící dalšímu vývoji polymerů jiné možnosti? vždy ale ve vodě Uvnitř zemské kůry jako vedlejší produkt vulkanické aktivity? 1. vulkanické plyny (CO, CO 2, COS, NH 3, N 2, H 2 S, HCN, H 2, P 4 O 10, H 2 O) 2. sulfidy kovů jako katalyzátory 3. uvolnění produktů do vody?...přílišné naředění proti: -experimentální průkaz možný jen za nepravděpodobně vysokých koncentrací reaktantů

11 V jílech obsahujících mikrokrystaly křemičitanů 1. Pravidelná struktura krystalů 2. Místa kde mohou vázat ionty kovů s různým elektrickým nábojem 3. Nábojově přitahované organické molekuly jsou organizovány 4. Kovy mohou katalyzovat organické syntézy 5. uvolnění produktů do vody? stále však asi zůstává koncentrační problém...přílišné naředění Patrně kombinace obou posledních principů

12 Železosírový svět v podmořských kuřácích Vulkanické plyny CO, CO 2, COS, NH 3, N 2, H 2 S, HCN, H 2, P 4 O 10, H 2 O Magma Fe 2+, Ni 2+ a další kovy precipitují (FeS, NiS ) mikroporézní katalytická matrice geochromatografická kolona jako laboratoř chemické evoluce s kontinuem podmínek

13 ABIOTICKÁ chemoautotrofní syntéza molekul (i) pyrit Hlavní zdroje e - : FeS + H 2 S FeS 2 + 2H + + 2e - CO + H 2 O CO 2 + 2H + + 2e - 2Fe(OH) 2 2FeO(OH) + 2H + + 2e - Komplexy při katalýze fixace CO: Fe 2 (RS) 2 (CO) 6 Fe 2 S 2 (CO) 6 Fe 2 (RS) 4 S 2 2- dnes ferredoxiny Lze nalézt analogie se současným metabolismem podle Wachtershauser, Phil. Trans. B. Soc. B 361: , 2006 Cody a kol., Science 289: , 2000

14 Vznik buněk jako izolovaných komparmentů komunikujících s okolím Abioticky vzniklé organické molekuly a jejich polymery -Polypeptidy, proteiny (polymery aminokyselin) -Lipidy (komplexní molekuly tvořené mastnými kyselinami a glycerolem) -Nukleové kyseliny (polymery nukleotidů) -Polysacharidy (polymery cukrů) Chemii těchto látek se budeme věnovat v 2. přednášce se mohly koncentrovat v protobiontech (mikrosférách, koacervátech ) které mohly růst a dělit se rozpadem na menší dceřiné a vnitř mohly probíhat specifické chemické reakce a výměna látek přes barieru (membránu) Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings a vše završil vývoj mechanismu dědičnosti a vznikl(a) LUCA (angl. Last Universal Common Ancestor)

15 odkryjeme příště Železosírový svět v podmořských kuřácích Zakoncentrování nových molekul snažší polymerizace Strmé gradienty teploty a ph zóny optimálních reakcí Hydrotermální proudy kontinuální přísun zdrojů -Děje lokalizovány na jednom místě -Mikroporézní matrice organizuje a tvoří určitou barieru se selektivní propustností není nutná okamžitá kompartmentace Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc.

16 Společné znaky: Dnes rozlišujeme 2 hlavní typy buněk Oba jsou obklopeny biologickou membránou, která reguluje přísun výměnu látek s okolím a obklopuje specifické reakční prostředí Oba obsahují DNA, dědičný materiál, který určuje chování buňky Základní odlišnost: Liší se v místě uložení DNA Složitosti uspořádání Především eukaryotám se budeme věnovat ve 4. a 5. přednášce EUKARYOTA PROKARYOTA Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc.

17 První živé organismy na Zemi pozdní těžké bombardování ochlazování plynů až 4000 mil. let moře Od počátku prebiotického období k živým buňkám v 500 mil. nebo 100 mil. let?

18 Nejstarší chemická známka života Hadeánské horniny z Grónska -Akilia (-3.85 mld. let) -Isua (-3.7 až -3.8 mld. let) -Pribana (-3,25 mld. let) Grafitové depozity s 13 C: 12 C o nižším než pro anorganický uhlík může za to primitivní buněčný metabolismus? Data: Mojzis a kol., Nature 384:55-59, 1996; Manning a kol., Am. J. Sci. 306: , 2006

19 Nejstarší fosílie mikroorganismů jsou 3,5 mld. let staré! Prokaryota buňky bez diferencovaného jádra Stromatolity: naleziště v severozápadní Austrálii (lokalita Pilbara, stáří 3,465 mld. let pásková struktura řezu zkameněliny vláknitých bakterií (11 druhů) (Schopf, Science 260: , 1993) Živé stromatolity v Austrálii dnes (zátoka Shark Bay) sinice Leptolyngbya sp. www-cyanosite.bio.purdue.edu

20 následovala postupná akumulace O 2 v atmosféře (od -2,7 až -2,0 mld. let) (oxygenní fotosyntéza - sinice) Mimo uvolňování O 2 do atmosféry byla konc. O 2 ve vodě snižována reakcí s Fe tvorba páskových usazenin magnetitu ( banded iron formations ), teda možná Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings Krize: akumulace O 2 v prostředí mohla vést k extinkci řady organismů vznik aerobního metabolismu před 2 mld. let? cca -2 mld. let: okysličena hladina oceánu; v hlubinách dominuje H 2 S až cca -600 mil. let: globální změna red-ox potenciálu oceánu Poulton a kol., Nature 431: , 2004

21 První eukaryota vznikala před 2,7 až 2,1 mld. let Eukaryota buňky s buněčným jádrem jako organelou 2,7 mld. let staré chemické známky - především steroidy 2,1 mld. let staré fosílie jednobuněčných eukaryot 1,2 mld. let staré fosílie mnohobuněčných eukaryot (řasy) Jednobuněčná řasa nebo houba Jedno- nebo mnohobuněčná Grypania spiralis (stáří 1.5 mld. let) Mnohobuněčbá řasa (stáři 1 mld. let) Teorie okolo vzniku eukaryotní buňky si nastíníme ve 4. přednášce

22 Rozvoj mnohobuněčných eukaryot a vznik živočichů Rozvoj diverzity patrně brzdila ledová doba před 750 až 570 mil. let (celá pevnina pokryta ledovcem, zamrzlé moře Snowball Earth ) Fosilní záznamy živočichů: Stáří 600 mil. let: mnohobuněční bezobratlí - žahavec (Cnidaria) Stáří 570 mil. let: živočišné embryo stadium dvou blastomer pokročilejší embryo Campbell, Reece: Biology 6 th edition, Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings Podrobná embryogeneze v 11. přednášce

23 Kambrická exploze Kambrium, první perioda paleozoika (před 543 až 488 mil. let) během prvních 20 mil. let vznikla většina živočišných kmenů Od kambrické doby pak nevznikl žádný nový živočišný kmen

24 Taxonomie Taxonomie se zabývá rozdělením organismů, taxonů, do hierarchicky uspořádaných kategorií podle určitých pravidel Carl von Linné ( ) -zakladatel systematické nomenklatury -zavedl pojem druh jako základ přirozené soustavy organismů binominální jména organismů: = rodové jméno a přívlastek Systema Naturae (1735) Genus species / rod druh Mus musculus / myš domácí

25 evoluce Taxonomie a dělení organismů do 5 říší Monera: morfologicky jednoduché mikroorganismy bez diferencovaného jádra - prokaryota

26 Příklad Říše: Animalia živočichové Kmen: Chordata strunatci Podkmen (odd.): Vertebrata obratlovci Třída: Mammalia savci Podtřída: Placentialia placentálové Řád: Primates primáti Čeleď: Hominidae hominidi Rod: Homo člověk Druh: Homo sapiens člověk moudrý Poddruh: Homo sapiens sapiens člověk moudrý vyspělý Mnohobuněční, zvláště ti vyšší, vykazují celou řadu snadno rozpoznatelných znaků (morfologie, vývojový tělní plán, životní cyklus), které usnadňují jejich taxonomickou klasifikaci. Současně umožňují analyzovat a popsat jejich fylogenetickou (evoluční) příbuznost (umožňují přirozenou taxonomii). Problém, který posunul biologii o [velký] krok dále: Snaha analyzovat příbuznosti v říši MONERA (morfologicky jednoduché mikroorganismy)

27 Globální přirozená taxonomie založená na analýze bodových mutací v určitých genech Nukleové kyseliny akumulují v čase mutace (znaky) Dědit se mohou mutace vedoucí k nové (lepší) funkci nebo mutace neutrální Díky za nové znaky! Informační geny vs Operační geny Hledá se buněčná komponenta společná prokaryotním i eukaryotním (mikro)organismům

28 16/18S rrna Globální přirozená taxonomie založená na fylogenetické (evoluční) příbuznosti

29 Proč používat 16S/18S rrna? kromě dříve uvedeného, statisticky významná sekvenční variabilita úseky s vysokou variabilitou úseky s nízkou variabilitou sekvenčně vysoce konzervativní úseky úseky konzervované u fylogeneticky příbuzných (mikro)organismů úseky konzervované u (takřka) všech (mikro)organismů vysoký obsah v buňce (až 80 % buněčné RNA) Karl Woese 1977 (PNAS, 74: ) 2D elektroforeogram po dělení fragmentů 16S rrna štěpené T1 nukleasou.

30 Díky za nové znaky! Nukleové kyseliny akumulují v čase mutace (znaky) Dědit se mohou mutace vedoucí k nové (lepší) funkci nebo mutace neutrální Ockamova břítva: Entity se nemají zmnožovat více, než je nutné.

31 Velký strom života (16/18S rrna) univerzální zakořeněný kladogram ( rooted Big Tree ) Organismy lze rozdělit do 3 základních domén: Bacteria Archaea Eukarya Kořen leží mezi doménou Bacteria a doménami Eukarya / Archaea Eukarya a Archaea tvoří monofyletickou skupinu Podle: Brock Biology of Microorganisms, Prentice Hall, 2006 Rozsypal a kol., Nový přehled biologie, Scientia, 2003 Campbell a Reece, Biologie, Computer Press, 2006

32 Co lze dále vyčíst z Big Tree Byly první mikroorganismy termofilní? Data: Schwartzman a Lineweaver, Bioch. Soc. Trans., 32: , 2004

33 Biologie = věda o všech aspektech života (od chemických dějů po vztahy v ekosystémech) (od jeho vzniku po současné formy) jinak taky Biologie = věda, zkoumající organismy od úrovně stavebních a provozních komponent (molekul), přes jednotlivé buněčných organely, úroveň buněk, tkání nebo pletiv, orgánů, a jedinců až po úroveň populací, společenstev, ekosystémů a biomů. postihuje tedy celou hierarchii organizace živých organismů a systémů

34 Hierarchie organizace biologických systémů v rámci mnohobuněčného buňky organismu mezi organismy buňka organela organismus ústrojí/soustava ekosystém komunita Dilema biologa Nemůže vysvětlit vyšší úrovně jejich jednoduchým rozkladem na menší části Snaha o analýzu i jednoduché buňky je neschůdná, pokud ji nerozloží na její jednotlivé součásti Princip redukcionismu Přeměna složitých systémů na jednodušší komponenty přístupnější zkoumání ALE MUSÍ SOUČASNĚ PLATIT makromolekula orgán druhy Popis na nižší úrovni NESMÍ být v rozporu s popisem na úrovni vyšší zpětná vazba molekula tkáň populace Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc. opak: Systémová biologie

35

36 Redukujme a syntetizujme 2014/ Chemické základy života 3. Viry; Biologická membrána 4. Buňka a evoluce buňky; Nemembránové struktury buňky 5. Buněčné organely 6. Reprodukce a ontogeneze buněk 7. Genetika chromosomální a molekulární základy dědičnosti 8. Evoluční mechanismy 9. Rozmanitost organismů (mimo Animalia) 10. Stavba a funkce rostlin 11. Rozmnožování a vývoj rostlin 12. Řiše Animalia a Histologie živočichů 13. Rozmnožování a vývoj živočichů 14. Ekologie a ekosystémy Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc. Literatura předepsaná: Benda V., Babůrek I., Kotrba P.: Základy biologie. VŠCHT Praha, 2005 (ISBN ) Literatura doporučená: Campbell N.A., Reece J.B.: Biologie. Computer Press, a.s., 2006 (ISBN )