Etapy evoluce

Etapy evoluce
(materiál pro studium evoluce – listy č. 7 a 8)
Evoluční proces zahrnuje stránku materiálovou, která se zabývá vznikem stavebních látek
živé hmoty – chemická evoluce; a stránku informační, pro níž je typický vznik buněk a jejich
vývoj – biologická evoluce. Období mezi nimi je někdy označováno jako biochemická
evoluce.
Chemická evoluce
-
-
-
vznik jednoduchých organických sloučenin abiogenetickou cestou
už v období formování zemské kůry – před více než 4 mld let
prvotní zemská kůra neobsahovala kyslík Země měla redukční a obsahovala řadu
jednoduchých sloučenin – H2O, CO2, NH3, dusík, fosfan, kyanovodík, sulfan, jednoduché
plynné uhlovodíky vznikající hydrolýzou karbidů v zemské kůře
z těchto látek, je-li dodána energie, mohou vznikat jednoduché organické sloučeniny
(aminokyseliny a dusíkaté heterocykly), které jsou stavebními články bílkovin a nukleových
kyselin
zdrojem energie pro tyto přeměny bylo především UV záření, teplo vulkanických pochodů a
elektrické výboje v zemské kůře
v laboratorních podmínkách byly takto připraveny:
a) peptidy a bílkoviny
Urey, Miller (1959) – působením el. výbojů na směs metanu, vody, amoniaku a vodíku
připravili (přes kyanovodík) směs aminokyselin
Fox (1959) – zahříváním směsi AK v roztavené kyselině glutamové připravili polypeptidy s
dosti dlouhým řetězcem
Matthews, Moser (1968) – hydrolýzou polymerů kyanovodíku připravili peptidy
b) nukleové kyseliny
Oró – mírným zahříváním směsi amoniaku a kyanovodíku získal nukleotidy a dále i jejich
řetězce
Biochemická evoluce
možnosti vzniku života
a) vznik života bez bílkovin a nukleových kyselin
- jedna z hypotéz vychází ze schopnosti anorganických látek typu jílů zajišťovat přenos informace
- jíly mohou na svém povrchu katalyzovat syntézu bílkovin
- nepodařilo se ale najít žádný mechanismus, jak by informace obsažená v jílech mohla být později
předána nukleovým kyselinám
b) vznik života z bílkovin
- tato myšlenka je nejstarší
- uměle připravené směsi bílkovin vykazují některé vlastnosti živých soustav (metabolismus, růst),
ale nevznikají z nich potomci, kteří by měli stejné vlastnosti
c) vznik života z bílkovin a nukleových kyselin
- tzv. hypotéza koevoluce – předpokládá, že nukleové kyseliny a bílkoviny vznikaly společně už
od počátku a že nukleové kyseliny obsahovaly kód pro syntézu bílkovin
- tuto myšlenku se nepodařilo objasnit, není jasné, jak by takto složitá soustava mohla vzniknout
náhodným procesem
- tzv. hypotéza zmrazené náhody – podle ní vznikl genetický kód a život naprostou náhodou na
základě vysoce nepravděpodobné události (vědci se domnívají, že pravděpodobnost vzniku života
touto cestou je téměř nulová)
d) vznik života z nukleových kyselin
- tato představa se dnes jeví jako nejpravděpodobnější
- předpokládá se, že vznikla nukleová kyselina, které nenesla dědičnou informaci, ale měla
schopnost autoreplikace
- tyto první nukleové kyseliny asi také neměly schopnost enzymatické aktivity; vznik nukleových
kyselin schopných enzymatické aktivity byl jistě výhodou (autoreplikace mohla probíhat rychleji a
přesněji) – byl to začátek evoluce
- molekuly nukleových kyselin schopné enzymatické aktivity = ribozymy (vyskytují se i
v buňkách současných organismů – vlastnosti ribozymů mají především molekuly rRNA))
- ribozymy jsou i kofaktory (koenzymy) tvořené nukleotidy – je možné, že to jsou prastaré
struktury, které se přímo podílely na vzniku života
- koenzymy jsou místem vlastní katalytické funkce enzymů, protože bílkovinná složka enzymů
mnohonásobně zvyšuje účinnost jeho katalytického působení (spojení apoenzymu a koenzymu
vzniklo až v době, kdy život existoval)
- tuto představu podporuje mnoho poznatků, které dokládají evoluci genetického kódu, i když není
ještě jasné, kdy a jak se genetický kód vytvořil
- v minulosti asi existovaly přímé reakce mezi nukleovými kyselinami a bílkovinami, teprve
v průběhu evoluce vznikl dnešní systém proteosyntézy
Prvotní translační systém byl tvořen replikující se RNA a bílkovinami – prvotními RNA –
replikázami, které katalyzovaly replikaci RNA a prvními ribozómovými bílkovinami , které
katalyzovaly syntézu peptidových vazeb mezi aminokyselinami; tento komplex můžeme chápat
jako prvotní ribozóm. Aby se tento komplex mohl udržet a reprodukovat, musel se ohraničit proti
svému okolí. Jestliže se tento prvotní translační systém nacházel v prostředí obsahujícím vysoké
koncentrace fosfolipidů, mohla se kolem něho snadno vytvořit bimolekulární dvojvrstva, , která
vytvářela komplexy s bílkovinami a přecházela v lipoproteinovou membránu.
Tato teorie se zdá v současnosti pravděpodobnější než tzv. koacervace z koloidních roztoků
makromolekulárních látek vznikají za vhodných podmínek spojováním koloidních částic
s opačnými elektrickými náboji na svém povrchu shluky, které vytváření oddělenou disperzní fázi
ve formě malých kapiček – tak vznikly koacerváty (tento vznik prvních membránou ohraničených
útvarů předpokládá např. teorie evoluční abiogeneze)
Biologická evoluce
- stálým zdokonalováním takto membránou od okolí oddělených „jednotek“, vznikaly postupně
členitější a složitější útvary
- výše již bylo řečeno, že otázka vzniku života souvisí se vznikem genetického kódu a
zabezpečením přesné replikace nukleové kyseliny, která tuto informaci obsahuje ve své struktuře
- jako přímí předchůdci organismů se označují probionty; šlo o nedokonale se replikující systémy
bez ustáleného genetického kódu, jevily základní znaky života
- jejich systém obsahoval asi jednu celistvou molekulu RNA, která obsahovala několik tisíc
nukleotidů – replikovala se bez účasti enzymů některé její kopie se štěpily na úseky o délce asi
100 nukleotidů
- bezenzymová replikace těchto molekul byla značně nepřesná, častými mutacemi vznikal celý
soubor molekul RNA a zůstávaly jen ty stabilnější – schopné přesné autoreprodukce
- v souboru těchto molekul docházelo k nahodilým fluktuacím – některé z nich se mohly stát
začátkem souběžného vývoje genetického kódu a prvního kódovacího enzymu – RNA –
polymerázy
- vznikly prvotní organismy -prabuňky = protobionty = eobionty – u nich došlo k oddělení
mechanismu replikace od translace, tato změna byla spojena se vznikem DNA tzv. zpětnou
transkripcí RNA do DNA
- tyto praorganismy se vyvíjely ve vodě, šlo o organismy anaerobně heterotrofní – vývojově
směřovaly k buňce prokaryotního typu
- s jejich postupujícím vývojem a rostoucím množstvím se začal projevovat nedostatek
abiogeneticky vznikajících organických sloučenin
- tím, že některé praorganismy začlenily do své struktury molekuly barviv, získaly schopnost
využívat jako zdroje energie fotony viditelné části slunečního spektra
získaly schopnost
fotoautotrofie
- postupným vývojem vznikly fotosyntetizující bakterie, souběžně s nimi sinice (asi před 3,5 mld
let)
- sinice při fotosyntéze produkovaly jako vedlejší produkt kyslík
začala se vytvářet ozónová
vrstva
- zároveň došlo k redukci anaerobně heterotrofních organismů, pro které byl kyslík jedovatou
látkou
- asi před 2 mld let vznikly první eukaryotické buňky
- její vznik vysvětluje tzv. endosymbiotické teorie, podle níž asi před 2 mld let pohltily některé
prokaryotické buňky menší aerobní prokaryota – ta se v dalším vývoji přeměnila na mitochondrie
- druhá endosymbióza proběhla asi před 1,2 mld let – některé eukaryotické buňky pohltily menší
syntetizující prokaryota – z nich vznikly v dalším vývoji plastidy
- v období před 1,2 až 0,6 mld let vznikly první mnohobuněčné organismy
Úrovně evoluce




evoluce znamená vývoj, v rámci biologie jím myslíme vývoj živých soustav – tedy
biologickou evoluci
ta je uskutečňována na základě nevratných změn genetické informace, zahrnuje vznik
i zánik všech vývojových linií všech organismů od etapy vzniku života do současnosti
období vývoje živých soustav = fylogeneze
evoluce probíhá ve třech úrovních:
a) mikroevoluce



ta zahrnuje změny uvnitř druhů – tedy krátkodobé evoluční změny na úrovni populace
změny se sice uskutečňují v jedincích, ale ti žijí z hlediska evoluce velmi krátce,
zatímco populace přetrvává
v evoluci se spíš uplatňují postupné malé změny, výrazné změny obvykle organismus
poškozují
b) speciace




zahrnuje vznik nových druhů
druh lze definovat jako skupinu vzájemně se křížících jedinců, kteří dávají potomstvo
schopné rozmnožování
mezi jednotlivými druhy existují reprodukční izolace, jen výjimečně se kříží jedinci
mezidruhově; tato izolace je vytvořena bariérami
bariérami mohou být: geografické podmínky znemožňující migraci; různé období
rozmnožování; k páření může docházet jen v případě určitých pachových,


zrakových, zvukových aj. podnětů, které vnímají a produkují jen jedinci téhož
druhu; mechanické (stavba kopulačních orgánů)
v důsledku těchto bariér se mohou vytvářet poddruhy, které mohou být
počátkem vzniku nových druhů
geografické bariéry napomáhají vzniku nových druhů, rozdílná stavba reprodukčních
orgánů spíš udržuje existenci druhu
c) makroevoluce




znamená vznik a zánik nových skupin druhů
vznikají při ní evoluční novinky – ty se obvykle uplatní jako výhodná vlastnost při
přechodu do nového prostředí
evoluční novinkou pro původně mořské živočichy při přechodu na souš byl
dokonalejší centrální nervový systém a dokonalejší smyslové orgány a také kosterní a
svalová ústrojí, která umožňovala pohyb po souši
podílejí se na ní dlouhodobě působící mikroevoluce a speciace, katastrofické změny
prostředí, vznik evolučních novinek a zrychlení změn u těch organismů, které vlastní
evoluční novinky
v ontogenezi se vyskytují stádia, která naznačují struktury, které vznikaly během fylogeneze
neznamená to, že by ontogeneze v krátkosti zobrazovala fylogenezi (Haeckelův tzv.
biogenetický zákon, dokladovaný nákresem tzv. Haeckelových embryí – srovnávací nákres
embryí obratlovců bývá dnes označován jako jeden z největších podvrhů v dějinách biologie)
ale proto, že v ontogenezi se objevují nejprve znaky obecnější a teprve později znaky
speciálnější