biologie, vznik života a taxonomie co je život vznik a...
Post on 18-Feb-2018
255 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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.
http://biomikro.vscht.cz/vyuka/?Predmet=b1 Biologie I
Biologie = věda o všech aspektech života (od chemických dějů po vztahy v ekosystémech)
(od jeho vzniku po současné formy)
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)
BIOLOGIE ................... z řec. βιολογία; βίος = život) a λόγος = slovo termín zaveden Jeanem-Baptistou Lamarckem (1744-1829)
„…………………...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
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, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.
Vznik Země a odkud se život na zemi vzal?
-4500 mil. let -3800 až 4000 mil. let
vznik měsíce → těžké bombardování → pozdní těžké → ochlazování plynů
meteority bombardování
→moře http://ircamera.as.arizona.edu/
NatSci102/lectures/lifeform.htm
1. Mýtus o stvoření světa a života
2. Vznik země před 4,65 mil. let a poté
… ještě jednou meteority…?
… a odkud se život na Zemi vzal?
2. a) Mimozemský původ života na Zemi
meteorit
AHL84001
„bakterie“ magnetit uhlíkové depozity
ii) mimozemský původ organických molekul
chondrit
EET 92042
i) teorie PANSPERMIE – mikroorganismy putující vesmírem ve formě spor
např. CHONDRITY- vysoký obsah C 1-2%
- horniny stáří cca 4,5 mld. let
- obsahují až 80 aminokyselin
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.
Zdroj NASA, www.nasa.gov
… 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
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
…ab initio, tedy od nuly
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“?
Johnson R.: Biology,
5th edition 1999;
© The McGraw-Hill
Comp., Inc.
►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
►Vulkanické plyny
CO, CO2, COS, NH3, N2,
H2S, HCN, H2, P4O10, H2O
►Magma
Fe2+, Ni2+ a další kovy
precipitují (FeS, NiS…)
mikroporézní katalytická matrice
Železosírový svět v podmořských kuřácích
„geochromatografická kolona“
…jako laboratoř chemické evoluce
s kontinuem podmínek
►
ABIOTICKÁ „chemoautotrofní“ syntéza molekul
Hlavní zdroje e- :
FeS + H2S → FeS2 + 2H+ + 2e-
CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e-
2Fe(OH)2 → 2FeO(OH) + 2H+ + 2e-
pyrit
Komplexy při katalýze fixace CO:
Fe2(RS)2(CO)6
Fe2S2(CO)6 → Fe2(RS)4S2
2-
dnes ferredoxiny
podle Wachtershauser, Phil. Trans. B. Soc. B 361:1787-1808, 2006
Cody a kol., Science 289:1337-1340, 2000
Lze nalézt analogie se současným metabolismem
(i)
Abioticky vzniklé organické molekuly a jejich polymery…
Vznik buněk jako izolovaných komparmentů komunikujících s okolím
…a vnitř mohly
probíhat specifické
chemické reakce
a výměna látek
přes barieru
(membránu)…
…které mohly
růst a dělit se
rozpadem na
menší dceřiné…
…a vše završil vývoj mechanismu dědičnosti
… a vznikl(a) LUCA (angl. Last Universal Common Ancestor)
se mohly koncentrovat v protobiontech (mikrosférách, koacervátech…)
-Polypeptidy, proteiny (polymery aminokyselin)
-Lipidy (komplexní molekuly tvořené mastnými kyselinami a glycerolem)
-Nukleové kyseliny (polymery nukleotidů)
-Polysacharidy (polymery cukrů)
Campbell, Reece: Biology 6th edition
© Pearson Education, Inc,
publishing as Benjamin Cummings
„Chemii“ těchto látek
se budeme věnovat
v 2. přednášce
Zakoncentrování nových molekul
Strmé gradienty teploty a pH
Hydrotermální proudy
-Děje lokalizovány na jednom místě
-Mikroporézní matrice organizuje a
tvoří určitou barieru se selektivní
propustností
Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.
od
kry
jem
e p
říště
Železosírový svět v podmořských kuřácích
snažší polymerizace
zóny optimálních reakcí
kontinuální přísun zdrojů
není nutná okamžitá kompartmentace
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:
►Liší se v místě uložení DNA
►Složitosti uspořádání
PROKARYOTA
EUKARYOTA
Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.
Především eukaryotám
se budeme věnovat
ve 4. a 5. přednášce
-3800 až 4000 mil. let
pozdní těžké → ochlazování plynů
bombardování
http://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/lectures/lifeform.htm
→moře
První živé organismy na Zemi
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
www-cyanosite.bio.purdue.edu
Nejstarší fosílie mikroorganismů jsou 3,5 mld. let staré! Prokaryota – buňky bez diferencovaného jádra
http://www.doir.wa.gov.au/GSWA/
Stromatolity: naleziště v severozápadní Austrálii (lokalita Pilbara, stáří 3,465 mld. let
zkameněliny vláknitých
bakterií (11 druhů)
(Schopf, Science 260:640-646, 1993)
pásková struktura řezu
Živé stromatolity
v Austrálii dnes (zátoka Shark Bay)
sinice Leptolyngbya sp.
postupná akumulace O2 v atmosféře (od -2,7 až -2,0 mld. let)
(oxygenní fotosyntéza - sinice)
…následovala
Mimo uvolňování O2 do atmosféry
byla konc. O2 ve vodě snižována
reakcí s Fe – tvorba páskových usazenin
magnetitu („banded iron formations“),
teda možná…
Krize: akumulace O2 v prostředí mohla vést k extinkci řady organismů…
●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
…vznik aerobního metabolismu – před 2 mld. let?
Campbell, Reece: Biology 6th edition
© Pearson Education, Inc,
publishing as Benjamin Cummings
První eukaryota vznikala před 2,7 až 2,1 mld. let Eukaryota – buňky s buněčným jádrem jako organelou
Jednobuněčná řasa
nebo houba
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)
Mnohobuněčbá řasa
(stáři 1 mld. let)
Jedno- nebo mnohobuněčná
Grypania spiralis
(stáří 1.5 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“)
Stáří 600 mil. let:
mnohobuněční bezobratlí - žahavec (Cnidaria)
Fosilní záznamy živočichů:
Stáří 570 mil. let:
živočišné embryo
stadium dvou blastomer pokročilejší embryo
Campbell, Reece: Biology
6th edition, © Pearson Education,
Inc, publishing as Benjamin
Cummings
Podrobná embryogeneze v 11. přednášce
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
Kambrická exploze
Taxonomie
Carl von Linné
(1707-1778)
binominální jména organismů:
= rodové jméno a přívlastek
Genus species / rod druh
Mus musculus / myš domácí
-zakladatel systematické
nomenklatury
-zavedl pojem druh jako
základ přirozené
soustavy organismů
Taxonomie se zabývá rozdělením organismů, taxonů,
do hierarchicky uspořádaných kategorií podle určitých pravidel
Systema Naturae (1735)
Taxonomie a dělení organismů do 5 říší
Monera: morfologicky jednoduché mikroorganismy
bez diferencovaného jádra - prokaryota
evo
luce
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
Příklad
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
„Informační geny“
vs
„Operační geny“
Nukleové kyseliny akumulují v čase mutace (znaky)
Díky za nové znaky!
Hledá se buněčná komponenta společná prokaryotním i eukaryotním (mikro)organismům
Dědit se mohou ● mutace vedoucí k nové (lepší) funkci nebo
● mutace neutrální
„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)
Karl Woese 1977 (PNAS, 74:5088-5090)
2D elektroforeogram
po dělení fragmentů
16S rRNA štěpené
T1 nukleasou.
Ockamova břítva:
Entity se nemají
zmnožovat
více, než je nutné.
Díky za nové znaky!
Nukleové kyseliny akumulují v čase mutace (znaky)
Dědit se mohou ● mutace vedoucí k nové (lepší) funkci nebo
● mutace neutrální
„Velký strom života“ (16/18S rRNA) univerzální zakořeněný kladogram
(„rooted Big Tree“)
►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
Organismy lze rozdělit
do 3 základních domén:
Bacteria
Archaea
Eukarya
Co lze dále vyčíst z „Big Tree“
►Byly první mikroorganismy termofilní?
Data:
Schwartzman a Lineweaver,
Bioch. Soc. Trans., 32:168-171, 2004
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.
Biologie = věda o všech aspektech života
(od chemických dějů po vztahy v ekosystémech)
(od jeho vzniku po současné formy)
jinak taky
postihuje tedy celou hierarchii organizace
živých organismů a systémů
Hierarchie organizace biologických systémů v rámci
Dilema biologa ►Nemůže vysvětlit vyšší
úrovně jejich jednoduchým
rozkladem na menší části
►Snaha o analýzu i jedno-
duché buňky je neschůdná,
pokud ji nerozloží na její
jednotlivé součásti
► Přeměna složitých systémů
na jednodušší komponenty
přístupnější zkoumání
ALE MUSÍ SOUČASNĚ PLATIT
► Popis na nižší úrovni
NESMÍ být v rozporu
s popisem na úrovni
vyšší – zpětná vazba
Princip redukcionismu
Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.
mnohobuněčného
buňky organismu mezi organismy
organela
makromolekula
molekula tkáň
orgán
ústrojí/soustava
populace
druhy
komunita
ekosystém organismus buňka
…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 Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.
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)
top related