Vznik života

1. Vznik života Úvod do protobiologie

2. Dvě etapy ve vývoji živých systémů • Chemická evoluce • Biologická evoluce

3. Chemická evoluce • Abiotický vznik chemických stavebních kamenů (nukleotidy, aminokyseliny) • Vznik makromolekul • Vznik „replikace“

4. Vznik stavebních kamenů • Redukující atmosféra, voda • Neredukující atmosféra, voda • Hydrosféra (podmořské sopky ‘kuřáky’) • Kosmos • Atmosféra • Litosféra (deep hot biosphere)

5. Stanley L. Miller 1953 (methan, amonium, voda, vodík, elektřina) Redukující atmosféra, voda

6. Miller 1974: CH4, NH3, H20, H2

7. Neredukující atmosféra, voda • CO2, H2O, 40 MeV ionty helia – AA, HCN • CH4, NH3, H2O, tlaková vlna – AA • CH4, NH3, H2O,900-1200°C – AA (14 druhů) • formaldehyd, molybden, slunce – AA • formaldehyd, nitráty, Hg výbojka – AA • CO2, N2, H2O, elektrické jiskry - AA

8. Transfer organických látek z kosmického prostoru • Oró J. 1961 V nehořlavé atmosféře velmi efektivní, bohatě kompenzuje nižší efektivnost syntézy organických sloučenin v neredukujícím prostředí. • V současnosti 3.105 kg uhlíkatých sloučenin za rok, v době bombardování Země mohly meteority a komety přinášet asi 5.107 kg. • Složení mezihvězdných oblaků H2O, NH3, CO, CO2, CH3OH, CH4, H2CO, OCS a HCOOH, C=N-X

9. Vznik života u podmořských kuřáků mořská voda protoorganismy mořská voda polymery Cukry, puriny, pyrimidiny mořská voda Aminokyseliny, kondenz. ag. mořská voda H2, CH4, NH3, H2S, CO, HCN mořská voda CO2, teplo Magma 1000°C

10. Vznik organických látek v atmosféře • Woese C.R. 1979 Povrch příliš horký, kapalná voda pouze v horních vrstvách atmosféry. Syntéza metanu z CO2 a H2 jako hlavní zdroj energie pro první organismy. • Problémy: destrukce organických látek kyslíkovými radikály a UV zářením, sterilizace díky konvekčním proudům i gravitaci.

11. Vznik života v litosféře • Thomas Gold The Deep Hot Biosphere, 1998 • Díky tlaku kapalná voda v litosféře, stabilní prostředí, chráněné před UV zářením. • V současnosti většina biomasy v 10 km vrstvě, na povrchu by vytvořila souvislou 1,5 m vysokou vrstvu. • Praktický dopad teorie – ropa.

12. Vznik makromolekul: polynukleotidy • Polymerace monomerních nukleotidů teplem v bezvodém prostředí nebo působením kondenzačního agens (polyfosfát, cyanamid). • Spontánní polymerace předem aktivovaných nukleotidů (např. imidazol aktivovaných nukleotidů).

13. Vznik dinukleotidu z nukleotidu a 5’ fosforimidazolidu

14. Vznik makromolekul: polynukleotidy • Polymerace monomerních nukleotidů teplem v bezvodém prostředí nebo působením kondenzačního agens (polyfosfát, cyanamid). • Spontánní polymerace předem aktivovaných nukleotidů (např. imidazol aktivovaných nukleotidů). • Úloha jílů – montmorillonit – až dekanukleotidy. • Primordiální polévka x primordiální lívanec (Pizza) – jíly nebo pyrit (kladný povrchový náboj).

15. Vznik makromolekul: polypeptidy • Kondenzace v bezvodém prostředí (zahřátím a odpaření roztoku – aminokyseliny musí být v kapalném prostředí – lze toho dosáhnut přidáním snadno „tavitelných“ aminokyselin aspartátu a glutamátu. • Sidney Fox 33 % aspartátu, 17 % glutamátu, 3 % ostatních aminokyselin.

16. Obsah aminokyselin v proteinoidech Výchozí stav: 33 % aspartát, 17 % glutamát, po 3 % ostatní.

17. Vznik polypeptidů • Možnost urychlení pomocí kondenzačních agens, cyanamid, aminoimodazolecarboxamid (AICA), probíhá i při 65° C. • Hlavní problem: vznikají síťovité struktury, nikoli lineární polymery. • Možné řešení - povrchy

18. Vznik autoreplikace (templátem řízená syntéza polynukleotidů) • Naylor & Gilham, 1966 poly(dA) katalyzuje vznik poly(T) • Leslie Orgel poly(C)  poly(G) • Vliv iontů, například Pb2+, Zn2+, Mg2+. • Hlavní problém, katalýza byla zatím většinou jednosměrná.

19. Další problémy s autoreplikací • Obousměrně funguje jen s určitými modifikovanými oligonukleotidy (tetranukleoside trophosphoramidat 5´-GNHPCNHPGNHPC-3´), hexamerní templát a trimerní substráty (problém s velkým počtem trimerů). • Stabilita ribozy (poločas rozpadu stovky let při 0° C, pH 8) • Inhibice syntézy za přítomnosti obou enantiomerů

20. Jednodušší analogy ribozy v polunukleotidových řetězcích • Glycerol (nemá optické izomery, je stabilnější, více flexibilní), erythritol nukleosid • Nukleové kyseliny obsahující pouze purinové báze: Crick 1968 – adenin-hypoxanthin

21. Stádium biologické evoluce • Začíná se vznikem replikace a přirozeného výběru.

22. Základní organizační princip dnešních organismů • Oddělení uchovávání genetické informace od její realizace • Nukleová kyselina × proteiny • V počátcích toto oddělení nemuselo existovat, případně nemuselo být tak striktní.

23. Co bylo na počátku? • Proteiny (koacervátová teorie, mikrosféry) • Nukleová kyselina (genová teorie vzniku života, RNA svět) • Koevoluce DNA a proteinů od samého počátku • Něco úplně jiného (jíly, membrány)

24. Proteinové modely -koacerváty • A. I. Oparin, vznik dutých struktur oddělených od okolí semipermeabilní membránou v koloidních roztocích • Po dodání enzymů mohou vykazovat metabolismus i růst • Není vyřešeno zmnožování enzymů

25. Proteinové modely - mikrosféry • Sidney W. Fox, vznikají rozpouštěním proteinoidů, z 1 g proteinoidu vznikne 1010 mikrosfér, průměr dosti uniformní okolo 5 μm. Často duté. Proteinoidy mají často nejrůznější enzymatické aktivity. • Morfologie mikrosfér neodlišitelná od mikrofosílií.

26. Proteinové (proteinoidové) modely - hypercykly • Funkční, nikoli prostorové spřažení jednotlivých komponentů v jeden celek. Možnost kompetice mezi hypercykly. Problém parazitických hypercyklů – prostorová separace.

27. Schéma hypercyklu

28. Genová hypotéza • Primární je schopnost podléhat biologické evoluci, tj. schopnost kumulovat biologicky významnou informaci. Metabolismus a další projevy života (funkce proteinů) až druhotné. • Kompetice o nejúčinnější replikaci.

29. Hypotéza RNA světa • RNA jistě primitivnější než DNA, funkčně univerzálnější • Doklady koenzymy, ribozymy (ribosom) • RNA fáze ve vývoji dnešních organismů – eubakterie patrně druhotně ztratily mnohé ribozymy možná v průběhu života ve vysokých teplotách.

30. Koevoluční hypotéza • Klíčový je vznik genetického kódu. • Je možný (a je vůbec nějak ulehčený) přechod od primitivních organismů k organismům využívajícím genetický kód? • Genetický kód se stane užitečným až při dosažení velké složitosti organismu - není pravděpodobné, že primitivní organismy mohly být takto složité. • Není jasné, jak se může kód vyvíjet aniž by docházelo ke znehodnocování již zapsané biologicky významné informace.

31. Vznik genetického kódu • Zmrzlá náhoda • Produkt rozumné bytosti • Předmět a produkt postupné evoluce

32. Genetický kód jako produkt zmrzlé náhody • I nejjednodušší proteosyntetický aparát fungující na základě současného genetického kódu vyžaduje účast řádově stovky specializovaných makromolekul. Vznik takovéhoto systému díky náhodě je zcela nepravděpodobný.

33. Genetický kód jako produkt rozumné bytosti • Kód se jeví jako předem rozvržený systém překladových pravidel (× evoluční fušeřina [tinkering]). Ale: bůh nebyl vyučený telegrafista… • Operativní genetický kód - nese mnoho znaků evoluční fušeřiny

34. Genetický kód jako produkt postupné evoluce • Korelace některých vlastností aminokyselin s vlastnostmi jim příslušných kodónů (hydrofobicita –pyrimidin ve 2. pozici; velikost purin v 1. pozici- malá AA). Swanson 1984. • Podobné kodóny kódují aminokyseliny syntetizované stejnými biosyntetickými dráhami. Čtveřice příslušných tripletů pro sibling AA Cys‑Trp, Asn‑Lys a Ile‑Met se vždy liší v jedné pozici. Wong 1975. • Pozor – může se v obou případech jednat o obranu proti drastickým vlivům mutací a chyb v proteosyntéze. Swanson 1984

35. Přímé doklady pro možnost evoluce genetického kódu • Modifikované genetické kódy u některých organismů a v organelách. UAA a UAG – glutamin u nálevníků, Acetabularia, Hexamita, UGG - tryptofan u mykoplasem, v mitochondriích obratlovců. • Mechanismy změn = vymizení některého ze synonymních tripletů ze všech genů, vymizení příslušné tRNA, znovuobjevení tripletu a vytvoření nové tRNA schopné daný triplet přečíst. Funguje u malých genomů.

36. Organismy založené na zcela odlišném principu • A. Graham Cairns‑Smith a jeho hypotéza jílů. Schopnost kumulace informace (poruchy v pseudokrystalech), schopnost kompetice. • Genetic takeover and mineral origin of life. Cambridge Univ.Press, New York, 1982

37. Závěry: • Vznik chemických stavebních kamenů abiotickou cestou je relativně snadný. • Vznik biopolymerů je možný, máme i několik experimentálně ověřených modelů. • Vznik replikace je zatím nejslabším článkem řetězce – i zde se však rýsují možná řešení. • Jak to bylo skutečně asi nikdy nezjistíme, není to však hlavním cílem, stačí najít realistický scénář (či scénáře).