Biologie, vznik života a taxonomie

http://biomikro.vscht.cz/vyuka/?Predmet=b1

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, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

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 (1744-1829) „…………………...biologie“

„… a obory a odvětví související a z biologie „vzniklé“

- Molekulární biologie - Buněčná biologie - Vývojová biologie - Evoluční biologie - Populační biologie - Ekologie - Systémová biologie

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)

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


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

-4500 mil. let

→

těžké bombardování meteority

→

pozdní těžké bombardování

-3800 až 4000 mil. let

→

ochlazování plynů

→moře http://ircamera.as.arizona.edu/ NatSci102/lectures/lifeform.htm

… ještě jednou meteority…?

… a odkud se život na Zemi vzal? 2. a) Mimozemský původ života na Zemi i) teorie PANSPERMIE – mikroorganismy putující vesmírem ve formě spor „bakterie“

magnetit

uhlíkové depozity

meteorit AHL84001

Zdroj NASA, www.nasa.gov

ii) mimozemský původ organických molekul vysoký obsah C 1-2% - horniny stáří cca 4,5 mld. let - obsahují až 80 aminokyselin

např. CHONDRITY-

chondrit EET 92042

vyšší podíl L-aminokyselin na nichž staví i pozemský život (isovalin o 18% více L než D) PNAS 2009, doi.10.1073/pnas.0811618106 Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

… 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 2 500 franků od francouzské akademie

L. Pasteur (1822-1895)

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

… 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)

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 (H2, N2, H2O, CO2, CO, CH4, NH3, H2S a neobsahovala: O2)

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

i) Abiotická syntéza organických molekul na Zemi z anorganických Experimet: H. Urey a S. Miller (1953) Atmosféra: H2, CH4, NH3 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


Mohl tedy život začít vznikat ve z takové „primordiální polévky“?

►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, CO2, COS, NH3, N2, H2S, HCN, H2, P4O10, H2O) 2. sulfidy kovů jako katalyzátory 3. uvolnění produktů do vody…?

...přílišné naředění…

proti: -experimentální průkaz možný jen za nepravděpodobně vysokých koncentrací reaktantů

►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

►

Železosírový svět v podmořských kuřácích

►Vulkanické plyny CO, CO2, COS, NH3, N2, H2S, HCN, H2, P4O10, H2O ►Magma Fe2+, Ni2+ a další kovy precipitují (FeS, NiS…) mikroporézní katalytická matrice

„geochromatografická kolona“ …jako laboratoř chemické evoluce s kontinuem podmínek

(i)

ABIOTICKÁ „chemoautotrofní“ syntéza molekul

e-

pyrit

Hlavní zdroje : FeS + H2S → FeS2 + 2H+ + 2eCO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e2Fe(OH)2 → 2FeO(OH) + 2H+ + 2eKomplexy při katalýze fixace CO: Fe2(RS)2(CO)6 Fe2S2(CO)6 → Fe2(RS)4S22dnes ferredoxiny

Lze nalézt analogie se současným metabolismem

podle Wachtershauser, Phil. Trans. B. Soc. B 361:1787-1808, 2006 Cody a kol., Science 289:1337-1340, 2000

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) „Chemii“ těchto látek se budeme věnovat -Polysacharidy (polymery cukrů) 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 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

…a vše završil vývoj mechanismu dědičnosti … a vznikl(a) LUCA (angl. Last Universal Common Ancestor)

Železosírový svět v podmořských kuřácích Zakoncentrování nových molekul snažší polymerizace Strmé gradienty teploty a pH

Hydrotermální proudy kontinuální přísun zdrojů -Děje lokalizovány na jednom místě -Mikroporézní matrice organizuje a tvoří určitou barieru se selektivní propustností

odkryjeme příště

zóny optimálních reakcí

není nutná okamžitá kompartmentace Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

Dnes rozlišujeme 2 hlavní typy buněk Společné znaky: ►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: Především eukaryotám se budeme věnovat ve 4. a 5. přednášce

►Liší se v místě uložení DNA ►Složitosti uspořádání

EUKARYOTA

PROKARYOTA


První živé organismy na Zemi pozdní těžké bombardování

→

-3800 až 4000 mil. let

ochlazování plynů

→moře

http://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/lectures/lifeform.htm

Od počátku prebiotického období k živým buňkám v 500 mil. nebo 100 mil. let?

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) http://www.newsroom.ucla.edu

Grafitové depozity s 13C:12C o 30 - 37‰ 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. 306:303-366, 2006

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 260:640-646, 1993)

Živé stromatolity v Austrálii dnes (zátoka Shark Bay) http://www.doir.wa.gov.au/GSWA/

sinice Leptolyngbya sp. www-cyanosite.bio.purdue.edu

…následovala

postupná akumulace O2 v atmosféře (od -2,7 až -2,0 mld. let) (oxygenní fotosyntéza - sinice) Mimo uvolňování O2 do atmosféry byla konc. O2 ve vodě snižována reakcí s Fe – tvorba páskových usazenin magnetitu („banded iron formations“), teda možná… Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

Krize: akumulace O2 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 H2S ●● až cca -600 mil. let: globální změna red-ox potenciálu oceánu Poulton a kol., Nature 431:173-177, 2004

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

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 Campbell, Reece: Biology 6th edition, © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

stadium dvou blastomer pokročilejší embryo Podrobná embryogeneze v 11. přednášce

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

Taxonomie Taxonomie se zabývá rozdělením organismů, taxonů, do hierarchicky uspořádaných kategorií podle určitých pravidel

-zakladatel systematické nomenklatury -zavedl pojem druh jako základ přirozené soustavy organismů Carl von Linné (1707-1778)

binominální jména organismů: = rodové jméno a přívlastek

Genus species / rod druh Mus musculus / myš domácí

Systema Naturae (1735)

evoluce

Taxonomie a dělení organismů do 5 říší

Monera: morfologicky jednoduché mikroorganismy bez diferencovaného jádra - prokaryota

Příklad Říše: Kmen: Podkmen (odd.): Třída: Podtřída: Řád: Čeleď: Rod: Druh: Poddruh:

Animalia Chordata Vertebrata Mammalia Placentialia Primates Hominidae Homo Homo sapiens Homo sapiens sapiens

– živočichové – strunatci – obratlovci – savci – placentálové – primáti – hominidi – člověk – člověk moudrý – 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)

„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

„Globální“ přirozená taxonomie založená na fylogenetické (evoluční) příbuznosti ●16/18S rRNA

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)

2D elektroforeogram po dělení fragmentů 16S rRNA štěpené T1 nukleasou.

Karl Woese

1977 (PNAS, 74:5088-5090)

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.

„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

Co lze dále vyčíst z „Big Tree“

►Byly první mikroorganismy termofilní?

Data: Schwartzman a Lineweaver, Bioch. Soc. Trans., 32:168-171, 2004

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

Hierarchie organizace biologických systémů v rámci buňky

buňka

mnohobuněčného organismu

organismus

Dilema biologa mezi organismy

ekosystém

►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 organela

ústrojí/soustava

na jednodušší komponenty přístupnější zkoumání

komunita

ALE MUSÍ SOUČASNĚ PLATIT makromolekula

orgán

druhy

molekula

tkáň

populace

Johnson R.: Biology,

5th

► Popis na nižší úrovni NESMÍ být v rozporu s popisem na úrovni vyšší – zpětná vazba

edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

…opak:

Systémová biologie

Redukujme a syntetizujme 2014/2015 2. 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


Literatura předepsaná:

Benda V., Babůrek I., Kotrba P.: Základy biologie. VŠCHT Praha, 2005 (ISBN 80-7080-587-0) Literatura doporučená:

Campbell N.A., Reece J.B.: Biologie. Computer Press, a.s., 2006

(ISBN 080-251-1178-4)

Biologie, vznik života a taxonomie

Recommend Documents