EVOLUCE A
VZNIK ŽIVOTA Obecné zákonitosti biologické evoluce
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)
EVOLUCE •
biologická evoluce – změna živých soustav v určitém časovém úseku
•
změna v souboru genů živých soustav v určitém časovém úseku
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
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
LOGICKÉ DŮSLEDKY Náhodný genetický posun Mutace Tok genů (snižuje rozdíly a inhibuje speciaci)
GEORGES CUVIER
teorie kataklyzmat (katastrofismu); nalézá fosílie v různých geologických vrstvách
JAMES HUTTON
vysvětluje současný geologický stav Země teorií gradualismu: velké změny jsou výsledkem malých ale nepřetržitých procesů
Sir CHARLES LYELL “The Principles of Geology” (1830) – „…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
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
CHARLES DARWIN
On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life
Charles Darwin (1809 – 1882) 1837
28 let
1854 45 let
http://www.nature.com/news/specials/darwin/index.html
Charles Darwin (1809 – 1882) 1869
60 let
1879 70 let
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
Přírodní výběr - Mikroevoluce = změna v genetické struktuře populace
• Prostředí netvoří zobáky specializované na malá či velká semena • Prostředí pouze vybírá optimální variantu
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
ALFRED RUSSEL WALLACE
• Darwin byl částečně „stimulován dopisem, který obdržel od Wallace v roce 1858 ve kterém Wallace načrtl myšlenky evoluční teorie.
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
Doklady, že evoluce existuje • • • • •
Biogeografie Fosilní nálezy Srovnávací anatomie Srovnávací embryologie Molekulární biologie
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
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
Extraterestrická biogeneze Panspermie Svante Arrhenius (1859 - 1927) celý vesmír - živé organismy zárodky organismů – přenos na jiné planety důkazy - v Antarktidě nalezeny meteority s mikroskopickými fosiliemi primitivních baktérií
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)
Harold Urey a Stanley Miller - 1953 experiment o vzniku života
http://www.bio.miami .edu/~cmallery/150/li fe/Stanley_Miller_lar ge.jpg
CHEMICKÁ EVOLUCE • Polymerace monomerů (povrch, skála, písek, jezírka, blízko vulkanických gejzírů) • Samoreplikace (RNA – ribozymy)
• Metabolizmus • Primitivní buňky (prokaryota – eukaryota) • Autotrofie a heterotrofie
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
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
Stromatolity 3 500 miliónů let - současnost
Shark Bay, Austrálie
Fosilní prokaryota, moderní stromatolity
Moderní stromatolit Fosilní stromatolit Západní Austrálie stáří 3,5 miliard let
Černé komíny
Hloubka 2 250 m západně od ostrova Vancouver
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 90 – 110oC • 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 H2S
MILNÍKY FYZIKÁLNÍHO A ORGANICKÉHO SVĚTA • Paleozoikum (540 – 245 miliónů)
EXTINKCE - VYMŘENÍ • Ordovické (Asi 438 miliónů) • Devonské (Asi 360 miliónů) • Permské (Asi 245 miliónů)
Mancougan (Kanada, Ontario)
MILNÍKY FYZIKÁLNÍHO A ORGANICKÉHO SVĚTA • Mesozoikum (245 – 65 miliónů)
JURSKÝ PARK
EXTINKCE - VYMŘENÍ • Triasové (Asi 208 miliónů) • Křídové (Asi 65 miliónů)
•
60-75% živých organizmů vymřelo
•
Všechna suchozemská zvířata nad 25 kg nepřežila
Chicxulubský kráter
MILNÍKY FYZIKÁLNÍHO A ORGANICKÉHO SVĚTA • Cenozoikum (65 miliónů do dnešní doby)
EXTINKCE •
Za posledních 540 mil let cca 20 extinkcí
•
35 mil let – konec Eocénu (vyhynutí ¼ druhů) – meteorit (Sibiř kráter o průměru 100 km)
•
1993 – 200 impaktních kráterů
•
20.6. 1908 Podkamennaja Tunguzka zničeno 1000 km2 tajgy
LIDSKÁ HISTORIE VĚDECKÁ VERZE…. Řád Primáti Rodina Hominidae či Hominidi Rod Homo („Člověk") Druh Homo sapiens („člověk rozumný„)
(poddruh Homo sapiens sapiens)
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
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)
http://www.toyen.uio.no/palmus/galleri/montre/english/x527.htm
Aegyptopithecus zeuxis • nebyl poloopice, opice či lidoop • 35 miliónů let • velikost kočky, žil na stromech (vřešťan?)
Severní Egypt, Fajjúm 1966
Hominid? Nehominid?
Sahelanthropus tchadensis (7 – 6 milionů let) Objem mozku 320 – 380 cm3
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
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
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
AUSTRALOPITHECUS
„Lucy with the sky with diamonds“
LUCY
MALÁ LUCY
TAUNGSKÁ DÍVKA
3,3 miliónů let Australopithecus afarensis
3,2 miliónů let
3 – 2,4 milonů let Australopithecus africanus
RODINA LEAKEYŮ
OD AUSTRALOPITHEKŮ KUPŘEDU….
HOMO HABILIS 1. 2. 3. 4. 5.
podobný Australopithekům Mozková kapacita 600 - 750 cc Patří do lidského rodu pouze díky kostře Velmi málo se ví o jeho životu a mentálních schopnostech Oldowanské nástroje
HOMO ERGASTER (1,9 – 1,6 milionů let) • mozek přes 900 cm3 • krátké prsty – zřejmě již nešplhal a zřejmě již chodil po dvou na velké vzdálenosti
HOMO ERECTUS 1. Kapacita mozkovny 900 – 1200 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
Eugene Dubois
TEORIE ODCHODU Z AFRIKY
HOMO SAPIENS NEANDERTHALENSIS 1. 2. 3. 4.
135 000 to 30 000 let Velmi silný a houževnatý Průměrná mozková kapacita 1400-1500 cc Nedostatečně vyvinutá centra řeči a přední mozek je menší 5. První lidé žijící v Době ledové – jeskynní lidé 6. Mousterijské nástroje 7. Kultovní praktiky
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
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
HOMO SAPIENS SAPIENS 1. 26 000 až do dnešní doby 2. Časné a pozdní formy (Cromaňonec) 3. Plně vyvinutý 4. Fyzické a psychické schopnosti 5. Jazyk, kultura a zvyky
• anatomicko-fyziologická stavba člověka se příliš neliší od dnešních lidoopů • charakteristické lidské znaky – – – – – – –
bipedální chůze uspořádání ruky ztráta ochlupení rozvoj mozku a jeho struktury možnost abstraktního myšlení verbální signalizace učení
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
HOMO FLORENSIS
1. 18 000 let 2. Indonesie © P. Brown Nature
VIRY „a piece of bad news wrapped up in a protein“
VIRY A LIDÉ • Nejrannější záznam o virové infekci člověka • Memfis (cca 1400BC) • Paralytická poliomyelitis
http://www.omedon.co.uk/influenza/virus/
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
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
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
KLASIFIKACE VIRŮ • • • • •
živočišné - zootropní, zoopatogenní rostlinné - fytotropní, fytopatogenní bakteriální - bakteriofágy, fágy sinic - cyanofágy hub - mykoviry
Viry - klasifikace (virový genom) •DNA viry – obalené – neobalené
• RNA viry – obalené – neobalené
RNA • jednovláknová
DNA • jednovláknová – lineární parvovirus – kruhová bakteriofág M13
• dvouvláknová – lineární herpesviry, adenoviry, poxviry
– kruhová SV 40
– lineární poliovirus,
virus tabákové mozaiky
• dvouvláknová – lineární reoviry
VIRY - MIMIVIRUS • 1992 – amoeba Acanthamoeba polyphaga • Považována za bakterii Bradfordcoccus • 2003 virus nucleocytoplasmic large DNA viruses (NCLDV)
VIRY - MIMIVIRUS
VIRY - MIMIVIRUS
MAMAVIRUS • 2008 – amoeba Acanthamoeba polyphaga • Větší než mimivirus
• Virofág– sputnik • Satelitní virus – neznámá homologie • Nová taxonomická rodina
VIRY – PRINCIPY ARCHITEKTURY • Virion • Kapsida– kapsomery • Nukleokapsida
• Obal
VIRY - TVARY • Ikozahedrální • Sférické (kulovité) • Helikální (tyčkovité)
• Bakteriofág
ICOZAHEDRÁLNÍ (IZOMETRICKÝ)
ADENOVIRUS
http://web.uct.ac.za/depts/mmi/stannard/adeno.html
IKOZAHEDRÁLNÍ VIRY
SFÉRICKÉ (KULOVITÉ)
INFLUENZA VIRUS http://www.omedon.co.uk/influenza/influenza/
HELIKÁLNÍ
VIRUS TABÁKOVÉ MOZAIKY http://www.ictvdb.rothamsted.ac.uk/Images/Ackerman/Plantvir/399-18.jpg http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/ImageGallery/entries/stmv.html
BAKTERIOFÁG
http://micro.magnet.fsu.edu/cells/virus.html
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
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
VIRY – INFEKCE • Rozpoznání – susceptibilní hostitelské buňky (receptory a permisivita) Buněčné receptory (glykoproteiny) – interakce
VIRY – INFEKCE • Vstup viru –
endocytóza přímá fůze translokace nukleových kyselin • Rozbalení viru – odhození proteinového obalu
VIRY – INFEKCE Virová replikace Virem řízený buněčný metabolismus namířený k syntéze virových enzymů a ostatních komponent
VIRY – INFEKCE Časná fáze replikace Pozdní fáze replikace
VIRY - INFEKCE Zrání Tvoří se kapsida okolo genetické informace viru Uvolnění viru Neobalené a komplexní viry - lýza Obalené viry– pučení či exocytóza
RETROVIRY - unikátní -nesou ssRNA and reverzní transcriptázu -mnohé onkogenní
-HIV-1 a HIV-2
CYTOPATICKÝ EFEKT Zničení buněčné struktury Inhibice či převzetí buněčných funkcí
Alterace buněčných membrán Inzerce a zničení hostitelské DNA Transformace či konverze buněk – bradavice, nádory
INFEKCE BAKTERIÁLNÍCH BUNĚK Lytický cyklus Fágy v bakteriálních buňkách Cyklus je dokončen zničením infikované buňky 20-30 min v závislosti na teplotě
INFEKCE BAKTERIÁLNÍCH BUNĚK Lyzogenní cyklus Temperované fágy Rekombinace DNA s hostitelskou DNA – provirus perzistuje poškozuje
BRÁNY VSTUPU 1) 2) 3) 4) 5) 6)
Respirační systém Přímá inokulace kontaktem kůží Přímá inokulace do krevního řečiště Orálně/fekální do GITu Genitální Vertikální matka/dítě
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
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 (!)
SARS • původce patří mezi koronaviry fotografie z cyklu „Year 2003 in pictures“
z obalu vystupuje „korona“ tvořená z glykoproteinových částic
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
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
Prevence virové infekce Aktivní imunizace - očkování • 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
Léčba virových infekcí • Obtížná, nepříliš úspěšná – virostatika (Zovirax, Herpesin)
• Antibiotika v léčbě virových nemocí jsou neúčinná ! • Nebezpečí zbytečného zneužívání antibiotik v „léčbě“ virových infekcí !!!
Využití virů v biomedicíně Genové inženýrství = genové manipulace • tento postup je používán například při přípravě transgenních organismů či v genové terapii • Experimentální práce
