Vznik a vývoj života Mgr. Petra Prknová
Vznik Země a života teorie: 1. stvoření kreační hypotézy vznik Země a života působením nadpřirozených sil 2. vědecké teorie vznik Země a života na základě postupných změn a zvyšování složitosti hmoty
Vznik vesmíru a Země Teorie Velkého třesku - vesmír vznikl před 10-15 miliardami let - výbuch superhustého shluku hmoty - veškerá hmota i energie současného vesmíru byla soustředěna do bodu o nulové velikosti - tzv. SINGULARITA. Vesmír se rozpínal, chladl - vznik složitějších prvků - protonů a neutronů. Pokračujícím rozpínáním vesmír dále chladl a vznikala atomová jádra - nejprve lehkých prvků - vodíku a hélia. Tato první syntéza jader se uskutečnila během prvních tří minut po velkém třesku. Atomy, tak jak je známe - jádro + elektronový obal, vznikly po výrazně delší době - cca 300.000 let. Ve vesmíru se tvořila hmota reakcí jednotlivých elementárních částic nestejnoměrně někde jí bylo víc, jinde méně. Hustší, těžší oblasti přitahovaly další hmotu. Působením vlastní gravitace se tyto shluky zahušťovaly tak vznikly hvězdy a galaxie. Při jaderných reakcích uvnitř hvězd vznikaly těžší prvky, které se dostaly do mezihvězdného prostoru a staly se základem při vzniku planet. Vznik atmosféry - prvotní atmosféra se vytvořila odplyňováním zemského pláště - CO 2, H 2, He, NH 3, CH 4, H 2 S
Vznik života: Nejstarší nalezené fosilie organizmů na úrovni buněk jsou staré 3,5 miliardy let. Stáří Země radioizotopovým datováním stanoveno na 4,6 miliardy let. Nejdříve musely z jednoduchých látek vzniknout organické látky, z nich složitější polymery a teprve potom život samotný. Biologické evoluci tedy předcházela evoluce chemická.
1. Teorie vědecké abiogeneze A. I. Oparin a J. B. S. Haldane - utváření živých soustav na Zemi biotickou cestou. 1929 J. B. S. Haldane popsal předpokládané složení prebiotické atmosféry - H 2, H 2 O, NH 3, CH 4. 1953 S. Miller a H. Urey - pokus s původní atmosférou doplněný předpokládanými podmínkami: 80 C, elektrické výboje a UV záření. Spontánní tvorba jednoduchých organických látek Tyto molekuly se mohly hromadit a poskytovat bohaté prostředí pro vznik života - teorie prapolévky (prabujónu) - prapolévka=soubor organických látek ve vodném roztoku. Dalším krokem ke vzniku života tvorba polymerů - složených organických látek (polypeptidů, sacharidů ). V prapolévce docházelo ke shlukování molekul na základě jejich vlastností - vznikaly komplexní útvary - koacerváty - schopné hromadit některé látky a jiné naopak vylučovat. Zvětšovaly svoji velikost, pak se rozpadaly Některé daly základ primitivním jednotkám s projevy života - eobiontům. V tomto bodu přechází chemická evoluce v evoluci biologickou.
2. Teorie vesmírného původu První organické molekuly se na Zemi dostaly z okolního vesmíru. Spektrální analýzy - v meteoritech a kometách obsaženo mnoho rozmanitých organických látek. 2004 v mlhovině nalezeny polycyklické aromatické uhlovodíky. Komety pokryté vnější vrstvou tmavého materiálu - obsahuje organické látky vzniklé z jednoduchých uhlíkových složek reakcemi iniciovanými UV zářením. Déšť materiálu z komet na časnou Zemi - množství organických molekul.? I primitivní život se vytvořil ve vesmíru a byl přinesen na Zemi společně s tímto deštěm? Příbuzná teorie - život vznikl na Marsu - z něj odstřelen tvrdý povrchový materiál asteroidem a přinesen na povrch Země kometami. Problém vzniku života přesunují na jinou planetu (kometu).
3. Teorie železo-sírová = teorie černých komínů (kuřáků) Organické látky a posléze první buněčné formy života vznikaly uvnitř tzv.černých kuřáků (komínů) na hlubokomořském dně. Černí kuřáci obsahujíčetné miniaturní dutiny potažené vrstvou sulfidů železa = substráty reakcí vedoucích k uvolnění energie (ta využita pro syntézu org. molekul a polymerů). Mikrojeskyně : - hromadění vzniklých látek - zóny s různou teplotou = ustanovení teplotně optimálních zón pro dílčí reakce - proud protékající vody - neustálý přísun stavebních látek a energie.
Od organických molekul k prvobuňkám Jak jednoduché organické látky a jejich polymery vytvořily prvobuňku? Četné teorie: Některé předpokládají nejdříve vznik nukleových kyselin = teorie nejdříve geny. Jiné nejdříve evoluci biochemických reakcí a cest = teorie nejdříve metabolizmus. Existují i smíšené modely.
1. Modely nejdříve geny Genetická informace je nesena nukleovými kyselinami - replikace, transkripce, translace. Podle informace přepsané do mrna se translací tvoří proteiny. Proteiny působí v B jako stavební jednotky a jako enzymy. Enzymy řídí mimo jiné i syntézu nukleových kyselin a syntézu svou.
1. Modely nejdříve geny Hypotéza RNA světa - spontánně se vytvořily krátké molekuly RNA - katalyzující svou vlastní replikaci. Molekuly RNA se musely ohraničit od svého okolí - tvorba prvotních membrán: z fosfolipidů se vytvořily lipozomy (fosfolipidové 2vrstevné struktury) - v oblasti přílivu a odlivu se setkaly s RNA - dehydratací a rehydratací došlo k inkorporaci RNA dovnitř lipozomů.
2. Modely nejdříve metabolizmus Oparinova teorie - koacerváty. Fe - S teorie. Teorie bublin - vlny praoceánu lámající se o prapobřeží vytvářely jemnou pěnu tvořenou bublinami - organické molekuly díky větru soustředěny na linii pobřeží. Voda zde teplejší a koncentrovanější (odpar). Olejovité bubliny stabilnější - více času na experimenty. Olejovou složkou prebiotických moří fosfolipidy (hydrofilní a hydrofobníčást) - umí se spojovat. 2vrstevná bublina může uvnitř udržet vodu s rozpuštěnými molekulami.
Další vývoj života Před 3,5 miliardou let první život - prokaryota - anaerobní chemoheterotrofní metabolizmus. Zdrojem E kvašení organických látek obsažených v prostředí. Postupný vývoj metabolizmu - metabolická evoluce: Předěl - před 2,5 mld let vytvoření látek umožňujících fotosyntézu. První fototrofní osmy - využití sluneční E ke tvorbě Ch vazeb - anoxygenní - využívaly H 2 S. Postupný rozvoj fotosyntézy - využití slunečního světla, produkce O 2, využití anorganických látek CO 2 a H 2 O, nezávislost na omezených organických zdrojích. Kumulace O 2 v prostředí - vznik aerobních organizmů - efektivnější metabolizmus + vznik ozonové vrstvy před přibližně 1,5 mld let - umožnění evoluce na celém povrchu, nejen v místech chráněných před UV.
S metabolickou evolucí spojena evoluce strukturální - růst složitosti vnitřního uspořádání organizmů. Z jednoduché prokaryotické buňky buňka eukaryotická před 1,5 mld let - postupným členěním vnitřního prostoru prokaryotických buněk membránovými strukturami odvozenými z prvotní plazmatické membrány - vchlipováním vznik kompartmentů - prostorů oddělených membránami (např.jádro obsahující genetickou výbavu B).
Teorie endosymbiotického původu Budoucí eukaryotická B pohltila prokaryotickou aerobní bakterii = z ní mitochondrie - stav symbiózy výhodný pro obě strany - eukar.b poskytla substráty a prokaryot enzymatickou výbavu pro aerobní-výhodné zpracování substrátů. Obdobným procesem s fotosyntetizujícím prokaryotem - obdoba sinice - vznik chloroplastu.
Od jednobuněčnosti k mnohobuněčnosti Vznik mnohobuněčnosti před 0,5 mld let. Od jednobuněčných eukaryot, přes koloniální organizmy k mnohobuněčným organizmům. Kolonie - jedinci samostatní. V kolonii tvorba pevnějších vazeb a specializace jednotlivých buněk. Postupně mnohobuněčnost. Mnohobuněční - specializace buněk - efektivněji využíjí zdroje a lépe ovládnou různá prostředí (sucho, teplo, chlad, tvorba zásob, lokomoce )
Znaky života: 1. obsah nukleových kyselin a bílkovin 2. hierarchická organizovanost organizmů atomy molekuly makromolekuly komplexy organely buňky tkáně (pletiva) orgány soustavy orgánů mnohob organizmy 3. otevřené systémy - výměna látek, energií a informací s okolím 4. samoregulace - pochody v tělech regulovány systémem zpětných vazeb atd 5. metabolizmus - enzymové reakce zajišťující přeměnu látek a energií 6. rozmnožování a vývoj (individuální - ontogenetický a druhový - fylogenetický)