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 - CO2, H2, He, NH3, CH4, H2S…
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 H2, H2O, NH3, CH4. 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 obsahují četné 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 hydrofobní část) - 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 H2S. Postupný rozvoj fotosyntézy - využití slunečního světla, produkce O2, využití anorganických látek CO2 a H2O, nezávislost na omezených organických zdrojích. Kumulace O2 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)
