VIRY

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