01. Obecné vlastnosti živých soustav, evoluce, původ a vývoj člověka


Obecné vlastnosti živých soustav

Život je vázán na existenci živých jedinců.

Jedinec (individuum) je živá soustava schopná samostatné existence a reprodukce, neboť vykonává všechny základní životní funkce. Jedinci jsou jak jednobuněčné, tak mnohobuněčné organismy.

Živá soustava je i buňka mnohobuněčných organismů, neboť je schopná za určitých okolností existovat samostatně a množit se. Jako živou soustavu lze označit i populaci více jedinců téhož druhu žijící v určitém areálu, neboť celá populace se chová z některých hledisek (rovnováha v ekosystémech, evoluční hlediska) jako celek. Živou soustavou je i druh, soubor geneticky podobných populací, kdy lze kombinovat jejich genetickou informaci za vzniku plodného potomka.

Všechny živé soustavy jsou hierarchicky uspořádány, uvnitř mnohobuněčného jedince je uspořádání:

buňka → tkáň → orgán → orgánová soustava → jedinec

U některých členovců lze mluvit o individuích vyššího řádu, kolonii (obligátním společenstvu) tvořenou různě diferencovanými jedinci téhož druhu (dělnice, trubec, královna), která je schopna přežít pouze jako celek.

Pro mnohobuněčné jedince platí uspořádání: jedinec → definovaná populace jedinců → druh.

1. Přítomnost makromolekulárních látek

Nukleové kyseliny jsou nositelem genetické informace, zajišťují její přenos při reprodukci DNA a při syntéze bílkovin (RNA).

Bílkoviny jsou také makromolekulární látky, mohou sloužit jako stavební látky (aktin, kolagen, elastin,…), zásobní látky     (semena luštěnin, ale i jako energetická rezerva v extrémních případech u člověka) a jako látky funkční (enzymy,   přenašeče, hormony, histony, protilátky – mají signální a informační nebo signální a regulační charakter).

(Sacharidy slouží jako rychlý zdroj energie (glukóza, glykogen, škrob) nebo jako stavební látky (celulóza, pektin))

(Lipidy jsou bohatým zdrojem energie, slouží jako stavební látky (fosfolipidy) a jako rozpouštědla pro vitamíny a barviva)

 

2. Vysoká organizovanost a hierarchické uspořádání systémuSnímek obrazovky 2015-08-24 v 18.19.18

Systém je účelově definovaná množina prvků, mezi kterými existuje určitá množina vztahů. Jelikož se jedná o abstrakci konkrétní existující soustavy, lze ho popsat různými způsoby (matematicky, verbálně). Každý systém má svou strukturu – způsob uspořádání prvků systému v daném čase. U dynamického systému se struktura mění (interakce mezi neurony).

Okolí systému je účelově definovaná množina prvků ležících mimo sytém, prvky mají vazby s hraničními prvky systému. Hraniční prvky mohou být například receptory mnohobuněčného organismu, které vnímají signály z okolí.

Atomy→ molekuly→ makromolekuly→ nadmolekulární komplexy→ buněčné organely→ buňky→ tkáně→ orgány→ orgánové soustavy→ mnohobuněčný organismus)

Třídění systémů:

Dle charakteru vztahů mezi prvky

  • informační (sleduje se způsob uchování, předávání a transformace informace –  genetická paměť buňky)
  • energetické (sleduje se způsob toku a transformace energie – transformace energie v ekosystému)

Dle vazby k okolí 

  • otevřené 
  • uzavřené

Dle chování systému

  • deterministické – každému určitému vstupu odpovídá právě jeden určitý výstup
  • stochastické (náhodné) – určitému vstupu odpovídá několik výstupů (lze vyjádřit pouze pravděpodobnost určitého výstupu – např. Mendelovy zákony genetiky.) Biologické systémy se ovšem jako stochastické spíše jeví, neboť není možno postihnout obrovské množství vstupů, na které živé systémy současně nebo sekvenčně odpovídají. Proto se mluví spíše o kvazistochastickém chování.

Hierarchické systémy

Skládají se z jednodušších složek – subsystémů, které mohou být tvořeny dalšími subsystémy nižšího řádu. Nejnižší subsystém, který je pro analýzu určitého hierarchického systému podstatný, nebo subsystém, jehož strukturu nelze danými metodami dále zkoumat, se nazývá prvek nebo subsystém 0. řádu. U prvku je vždy důležité jeho chování, ne jeho struktura, je tedy účelově definován. Například pro studium populace je důležité chování jedinců = jedinec je prvek. Stejně tak pro studium orgánů je prvkem buňka a nikoliv její vnitřní struktura.

Vztahy uvnitř hierarchického systému – horizontální (subsystémy ležící na stejné organizační úrovni)

– vertikální
Vztahy v subsystémech na různých organizačních úrovních bývají zpravidla odlišného charakteru, např. vztahy mezi buňkami v tkáni se liší od vztahů mezi jedinci v populaci.

Stavebnicový princip: lze z téže prvků vytvořit kvalitativně odlišné systémy, neboť prvky mohou být dány do různých vztahů. Stavebnicový princip je vysoce ekonomický, neboť buňce stačí dráhy pro syntézu hlavních aminokyselin k tvorbě vysokého množství bílkovin. Stejně to platí pro genetickou informaci a sacharidy. Tvorba hierarchických systémů probíhá postupným vytvářením relativně stabilních a stále vyšších celků. Při postupné výstavbě je navíc možné eliminovat chyby.

3. Schopnost autoregulace

 Pochody uvnitř živých soustav jsou udržovány v závislosti na vnějším prostředí zpětnovazebnými regulačními pochody.

Homeostáza = stálost vnitřního prostředí, děje odehrávající se v organismu tak, aby v něm docházelo k dosažení nejlepších možných podmínek.

V informačních systémech s hierarchickým uspořádáním jsou subsystémy propojeny regulačními obvody jak horizontálně, tak vertikálně. Tento typ regulace se nazývá vícestupňová/víceúrovňová regulace.

Princip redukce informací směrem od nižších center k vyšším zajišťuje, že řídící centrum nemusí dostávat pro něj neúčelné informace o regulacích mezi subsystémy na nižších úrovních.

2 základní způsoby- positivní a negativní zpětná vazba

– positivní – čím víc, tím víc- lavinový efekt

– Na+ ionty- jeden vyteče a pak další a další

– negativní – čím víc tím míň

– máme hodně metabolitu a další už nepotřebujeme

4. Otevřenost soustav

Z termodynamického hlediska jsou všechny živé soustavy otevřené, neboť dochází k toku látek, informací a energie mezi živou soustavou a okolím.

Tok látek je příjem látek, vstřebávání, metabolismus (chemické přeměny), odbourávání a jejich výdej. Buňka musí přijímat chemické sloučeniny obsahující biogenní prvky. Avšak protože buňky nejsou schopny vytvořit si všechny sloučeniny svými metabolickými drahami, musí přijímat některé látky (např. aminokyseliny, koenzymy – vitamíny) jako „hotové“ látky. Řada látek slouží i jako zdroj energie nebo chemický signál. Protože buňka většinu přijatých látek chemicky přeměňuje, dochází ke vzniku vedlejších produktů. Ty buňka zpravidla nepotřebuje, nebo by jejich akumulace buňku samotnou poškodila, tudíž je vydává do okolí. Buňka také může vydávat látky, které jsou potřebné pro buňky jiné – v zájmu zachování existence výše organizované soustavy.

Tok energie: Jelikož se dle druhé termodynamické věty uvolňuje při každé transformaci část energie ve formě tepla, zvyšovala by se v buňce bez příjmu energie entropie a systém by degeneroval, až by dospěl k termodynamické rovnováze s okolím = smrt. Avšak u živých buněk lze hovořit o dynamické rovnováze, neboť buňka energii přijímá, částečně ji přemění na volnou Gibbsovu energii, kterou využije v endergonických procesech. Jelikož se všechna přijatá energie nemůže akumulovat v buňce do nekonečna, opouští ji v podobě tepla nebo jako chemická látka s obsahem energie.

Tok informace: Buňka ve své paměti obsahuje veškeré informace determinující principy její struktury a funkcí. Přesto buňka přijímá informace z okolí, které usměrňují chování buňky v tomto okolí. Buňky musí přijímat informace o chemickém složení svého okolí. Buňky mnohobuněčných organismů musí přijímat informace, jak se mají chovat, aby byla zachována integrita organismu. Po přijetí informace je informace logicky zpracovávána a převáděna efektorovými mechanismy na účelové chování buňky. Buňka vysílá signály, aby informovala jiné buňky, jak se mají chovat – buněčná signalizace.

Smrt a stárnutí

Smrt je ireversibilní rozklad celistvosti organismu. Smrt nastává u každého organismu v jiném věku, délka života je ovlivněna jak geneticky, tak vnějšími vlivy. Umírání je jedna z fází života organismu, postupný proces, na jehož konci je smrt.

U člověka se o smrti hovoří, dojde-li k nevratnému poškození mozku. Ke smrti mozku dochází při anoxii delší než pět minut, ale i 5 sekund stačí k odpojení mozku do bezvědomí. Jako klinická smrt se označuje stav, kdy člověk již nemá funkční orgány, ale mozek ano.

Mozek – 5 min » Srdce – 20 min » Játra, ledviny – 2-3 h » Plíce – 5 h » … » Kůže

Stárnutí je proces, při kterém dochází k postupným strukturálním změnám, které se objevují v průběhu času, nejsou způsobené nemocí nebo úrazem a které mohou vést ke smrti. Při stárnutí dochází k pozvolné ztrátě běžných životních funkcí a ke snižování schopnosti reagovat na změny prostředí a přizpůsobovat se jim.

Teorie smrti:

Teorie škváry – dochází k hromadění chyb v genetickém textu, ať už při replikaci, poškozením kyslíkovými radikály (vznikají při energetickém metabolismu buňky) nebo jinými mutageny z okolí. Postupem dochází ke snižování kvality buněk v tkáních, neboť v těle roste podíl buněk s vážnějšími chybami a stoupá i průměrný počet chyb v buňkách.

Teorie zkracujících se řetězců – chromosomy eukaryot jsou na svých koncích opatřeny telomerami, souborem krátkých repetitivních sekvencí 5‘-TTAGGG-3‘, na které jsou navázány proteiny chránící před degradačními a reparačními mechanismy. Telomery jsou nezbytné pro celistvost chromozómů, uplatňují se při replikaci, v profázi, závisí na nich i crossing-over. Při každé mitóze se jejich délka zkrátí asi o 100 bazí. Po určitém počtu dělení dojde k jejich zkrácení natolik, že ustává dělení buňky, aby se nezkracovaly funkční řetězce, a může být navozena apoptóza (programovaná buněčná smrt). Telomery se naopak prodlužují díky činnosti enzymu telomerázy, který je ale aktivní pouze v buňkách zárodečné linie, kmenových buňkách kostní dřeně, ve stimulovaných T a B lymfocytech a také v nádorově transformovaných buňkách.

Teorie metabolitické nesnášenlivosti – jelikož metabolismus nefunguje dokonale, hromadí se v organismu negativně působící látky jako odpady vlastního metabolismu, které nebyl organismus schopen vyloučit (volné radikály), nebo negativně působící látky získané z prostředí. Protože koncentrace metabolitu postupem času roste a stále více ovlivňuje fungování organismu, dojde k otravě organismu vlastními zplodinami.

Teorie makrokomplexu – v organismu neexistuje reakce, která by nebyla hlídána nebo katalyzována enzymy v přesném pořadí. V těle se vyskytují enzymatické makrokomplexy, které sestávají z enzymů a dalších bílkovin. Makrokomplexy mohou změnit konformaci, čímž dojde k ukrytí potřebných enzymů, což zabrání katalýze reakce, nedojde ke vzniku meziproduktu až finálně výsledného produktu.

Teorie vyhoření – člověk umírá, neboť ztratil vášeň a chuť do života. Je ovlivněna mozkem.

5. Autoreprodukce

Živé organismy mají schopnost autoreprodukce, čímž zabezpečují vznik potomstva a přetrvání určitého druhu organismu. Rozmnožování může být nepohlavní nebo pohlavní. Při pohlavním rozmnožování se na vzniku nového jedince podílí dva rodičovské organismy, dochází ke splynutí jejich haploidních gamet za vzniku diploidní zygoty. U jednobuněčných dochází k hologamii, kdy se jednobunčný organismus sám přemění na pohlavní buňky a splyne s dalším organismem. U mnohobuněčných se splývání nazývá oogamie.

U nepohlavního rozmnožování je genetická informace totožná s rodičovskou.

Typy nepohlavního rozmnožování 

  • dělení
  • pučení
  • rozpad (schizofonie – nejprve se mnohonásobně rozdělí celé jádro a pak zbytek organismu – probíhá u prvoků)
  • fyziparie (množení dělením těla vícebuněčného organismu (láčkovci, ploštěnci)), může jít o regeneraci po zranění i o cílený rozpad
  • fragmentace
  • vegetativní rozmnožování
  • tvorba výtrusů

6. Metabolismus

Metabolismus je integrovaný a organizovaný soubor chemických reakcí a s nimi spojených látkových a energetických přeměn, které probíhají v živých organismech a mezi živými organismy a jejich okolím. Jednotlivé metabolické reakce na sebe navazují prostřednictvím meziproduktů. Vznikají tak metabolické dráhy, řetězce nebo cykly enzymaticky řízených reakcí. Mezi nejhlavnější metabolické procesy patří syntéza nukleových kyselin a proteinů.

Anabolické procesy – asimilační, biosyntetické – vedou ke vzniku nových, chemicky složitějších látek, dochází ke spotřebě energie – endergonické děje.

Katabolické procesy – disimilační, rozkladné – vedou ke vzniku jednodušších látek z látek složitějších za uvolňování energie – exergonické děje.

7. Evoluce

Vývoj může být jak individuální ontogenetický, tak druhový – fylogenetický. U fylogenetického vývoje se jedná o schopnost zdokonalovat se v čase, která závisí na předávání genů.

Organismus, který přestal fungovat, se rozpadá, zatímco mechanismus zůstává stejný. Ztráta některé z funkcí je u organismu nevratná, zatímco u mechanismu vratná je. Pro organismus je lépe fungovat, pro mechanismus nikoliv.

Evoluce živých soustav

Evoluce živých soustav zahrnuje tři základní problémy – jak živé soustavy vznikly, jak probíhala jejich evoluce a jaké jsou obecné mechanismy k její regulaci.

Původ života na Zemi

Otázka vzniku života na Zemi je jedním z nejzákladnějších problémů obecné biologie. Její rozřešení by mělo kromě poznání části historie života i význam ve filosofické rovině, neboť by přiblížilo pochopení podstaty života i vývoje organizovanosti hmoty vůbec. Avšak otázka biogeneze stále není rozřešena, je tedy nutno spokojit se s teoriemi.

Teorie se dělí na teorie nevědecké, mezi které patří teorie kreační, a teorie vědecké, které se opírají o poznatky z kosmologie, geologie, chemie, biologie a dalších oborů. Současné vědecké teorie připouštějí dvě možnosti – autochtonní vývoj života, tedy na Zemi, nebo na e.t.koncepci.

E.T. Koncepce

Panspermická teorie

Původcem Panspermické teorie je švédský chemik Svante Arrhenius (1859 – 1927). Podle této teorie je celý vesmír naplněn zárodky života (kosmoza), které, přenášeny meteority, se po dopadu na vesmírné těleso s vhodnými podmínkami rozvinou do vyšších životních forem. Tato teorie byla vyvrácena, neboť neexistuje takový meteorit, který by byl schopen proletět atmosférou bez toho aniž by byl sám zničen, nebo po dopadu zničil veškerý život na Zemi. Vesmírné záření by mohlo způsobit problémy, avšak je známo, že lyofilizované (vakuově vymražené) mikroorganismy jsou schopny přetrvávat v životaschopném stavu velmi dlouho a jsou neobyčejně rezistentní vůči nízkým teplotám a záření.

Teorie UFO

V dnešní době se objevuje poněkud upravená teorie „řízené panspermie“, kde za rozšíření kosmozoí do vesmíru mohou vyspělé civilizace, které je uzavřely do bezpečí kosmických lodí a uchránily je tak před zhoubným zářením. Důvodem pro vznik upravené verze panspermické teorie je složitost genetického kódu, pro jehož evoluci nebylo na Zemi údajně dost času. Avšak podle mnoha vědců tato teorie také neplatí, neboť nebylo-li dostatek času pro vývoj života na Zemi, muselo by být minimálně stejné množství času pro vývoj života jinde, navíc by bylo nutno ještě kalkulovat s časem, který je potřeba pro dolet kosmozoí na Zemi.

Autochtonní teorie

Teorie samoplození (Generatio spontanea)

První zmínky o teorii samoplození lze nalézt již u řeckých filosofů. Po příklad lze uvést Anaxagorase z Klazomen (499-428 př. Kr.), který tvrdil, že základem všeho živého jsou semena věcí. Ta se nacházejí ve všem, z čeho něco vyroste, neboť necháme-li ležet volně přístupné maso, vylezou z něj muší larvy. Maso tedy obsahuje semena much. Tato teorie byla samozřejmě vyvrácena, ale až roku 1668, kdy italský lékař Francesco Redi předvedl, že po zakrytí masa tak, aby k němu nemohly mouchy, nedojde k objevení muších larev. V 19. století byla tato teorie definitivně vyvrácena Louisem Pasteurem.

Oparinova teorie abiotické syntézy (prapolévky)

Atmosféra původně obsahovala velké množství CO, CO2, CH4, NH3 a H2S. Chladnutím zemského povrchu dochází ke srážení vody a vznikají praoceány. Praoceány tvoří prapolévku, kde dochází pomocí silného ionizujícícho záření a elektrických výbojů k reakcím složitějších anorganických látek za vzniku jednodušších látek organických. Vznikají koacerváty, útvary ohraničené lipidovou nebo proteinovou membránou, což zajišťuje akumulaci některých látek, které spolu reagují za jiných podmínek než mimo koacervát. Takto vzniklé praorganizmy jinak také nazýváme progenoty nebo eobionta. Musely to být reprodukce schopné organismy s primitivní výměnou látkovou asi tak na úrovni primitivních prokaryot. Byly heterotrofní, neměly barviva a využívali látek z okolí. Postupně začalo organických látek v okolí ubývat, proto došlo k diferenciaci prvotních organismů na odlišné skupiny. Některé začaly být agresívní, jiné se spojily a z některých vznikli autotrofové.

Jedním z problémů této teorie je neskutečná zředěnost primárního bujónu. Dalším problémem je nevhodnost prostředí a stabilizace vzniklých látek, neboť voda není příliš vhodným prostředím, plus by daná louže musela být mělká, aby měly látky čas se zafixovat v teple, avšak mělkost vody by umožnila pronikání záření, které by koacervátům škodilo. Kondenzační reakce aminokyselin na složité polypeptidy nemohly probíhat ve vodním prostředí, neboť je to z hlediska chemických zákonů naprosto vyloučeno. Dalším z podstatných důkazů, svědčících proti této teorii, je chiralita aminokyselin. Všechny aminokyseliny, které by mohly vzniknout účinkem elektrických výbojů, jsou racemáty, tedy 50% aminokyselin stáčí kmity polarizovaného světla doprava a jsou tudíž pravotočivé, a 50% stáčí světlo doleva a jsou levotočivé. V živých organismech jsou přítomné aminokyseliny vesměs levotočivé. Tato skutečnost je dosud nevysvětlitelná. Dále je velmi problematická existence bezkyslíkové atmosféry. Téměř všechny formy života jsou závislé na přítomnosti kyslíku a ozónové sféry ve stratosféře, bez které by vznikající život musel okamžitě hynout. Rovněž skutečnost, že kyslík je v hojné míře obsažen v horninách, svědčí o jasné přítomnosti kyslíku. Ale i kdyby koacerváty existovaly, shluk bílkovin či lipidů se nikdy nemůže rovnat živé buňce.

1953 – Miller a Urey testovali hypotézu.

Teorie podmořských sopek/černých kuřáků

Organické látky a posléze první buněčné formy života vznikaly uvnitř tzv. černých kuřáků, hlubokomořských vývěrů podmořských sopek. Horký plyn se žene jejich sopouchem vzhůru, ohřívá vodu na teploty vyšší než 400°C, dochází k obrovskému střídání teplot a uvolňování tmavých mračen sulfidů, které se vysrážejí po opuštění komína.  Tuto teorii podporují nejen nálezy acetylkoenzymu-A a zelených sirných bakterií, které fotosyntetizují, ale světlo nezískávají ze slunce, nýbrž z neznatelné záře horké vody a rozpálených skal v okolí.

Teorie jílů

Současné organismy jsou příliš složité. Organismy tak, jak vypadají dnes, nevznikly pouhým přidáváním nových kousků, ale spíše s různým systémem podpěr, který dnes už neznáme. Do skládačky lze nejen přidávat, ale prvky lze i odebírat, čímž je možno postavit složité struktury mnohem snáze.

Jíly se usazují ve vrstvách, které na sebe naléhají, přičemž mohou vznikat drobné defekty, které ovlivňují vznik dalších defektů. Takto vzniklé mezery mohou být vyplněny lecčíms, neboť jíly mají chemicky dost velký povrch a ochotně se vážou i s organickou hmotou. Během soužití jílů a organické hmoty došlo k řadě chemických reakcí a jíly se staly pouhým lešením pro složitou organickou klenbu.

Teorie hydrotermálních zásaditých průduchů

Oceánské hřbety, domov černých kuřáků, jsou současně místem, odkud se šíří nové mořské dno. Jsou to centra sopečné aktivity, pomalu stoupající magma odsouvá tektonické desky, které do sebe naráží a podsouvá se jedna pod druhou. Odhalují se nové skály ze zemského pláště. Na takových skalách se pak tyčí hydrotermální průduchy jiného druhu, silně se lišícího od černých kuřáků.

Tento druhý typ průduchů není sopečného původu a nemá nic společného s magmatem. Namísto toho závisí jejich vznik jen a pouze na reakci čerstvě odhalené skály s mořskou vodou. Voda nejenže do takových skal prosakuje, ona s nimi přímo fyzicky reaguje; slučuje se s nimi a přitom mění jejich strukturu tak, že vznikají minerální hydroxidy = serpentinizace. Reakce s mořskou vodou způsobuje, že skála zvětšuje svůj objem, praská a láme se, což zase umožňuje, aby do ní v nekonečné smyčce pronikalo ještě více mořské vody. Jak se oceánské dno rozšiřuje, tyto zvětšené, hydratované skály se nakonec znovu zanoří pod narážející zemskou desku, kde jsou v plášti znovu zahřáty na nesmírně vysokou teplotu. V tomto okamžiku se své vody vzdávají a uvolňují ji do zemských útrob. Uvolňuje se také energie ve formě tepla spolu se značným množstvím vodíku -> redukční činidlo -> vznik redukovaných sloučenin. V menších množstvích se objevují i různé jiné plyny, které se hodí pro vytvoření předchůdců složitých molekul, jako jsou bílkoviny a DNA. Tak se oxid uhličitý proměňuje v metan, dusík se vrací v podobě čpavku a síran je chrlen nazpátek jako sirovodík.

Tím, že plyny vystoupají až k povrchu (musí si prorazit cestu), vznikají hydrotermální průduchy, které jsou silně zásadité. Jsou teplé nebo přímo horké, ale ani zdaleka nedosahují ďábelsky vysokých teplot černých kuřáků. Jsou porézní díky mísení zásaditých tekutin z průduchu s kyselou mořskou vodou. V pórech je silná bakteriální aktivita, která využívá panující chemické nerovnováhy.

RNA svět

Reakce nukleových kyselin patří mezi pochody katalyzované. V roli katalyzátorů fungují enzymy, což jsou látky bílkovinného původu. Protože ovšem zase struktura bílkovin je kódována nukleovými kyselinami, vzniká klasický problém, selfeferentní paradox, co bylo v evoluci dříve, bílkoviny nebo nukleové kyseliny?

RNA je sice schopna jak přenosu informace, tak i katalýzy, avšak pro její replikaci by bylo potřeba, aby byla sama sobě nejen polymerázou, ale i replikázou. V případě pouhé polymerázy by z RNA vznikla řada jiných molekul bez schopnosti katalýzy a celý systém by zamrzl. Myšlenka RNA polymerázy a replikázy v jednom má ještě jeden drobný defekt – podle nukleové kyseliny nevzniká totéž vlákno, nýbrž komplementární řetězec. Tudíž je funkčnější varianta použití dvou RNA molekul, z nichž jedna slouží jako genetický kód a druhá jako enzym schopný replikace. Snad RNA svět předcházel době, kdy se objevila molekula DNA, která je stabilnější a snad umožnila lepší fixaci genetické informace. Avšak DNA je stabilnější i teplotně, a vznikl-li život v černých kuřácích, je snazší klást si otázku, zda RNA svět vůbec existoval.

Původ dnešních forem života

Kreacionisté zastávají myšlenku, že dnešní formy života vznikly za pomoci nějaké nadpřirozené síly. Mezi slavné zastánce kreacionismu patří například C. Linné, R. Hooke, J. B. Lamarck. Mnozí ale uznávají i myšlenku evoluce – např. P. Teilhard de Chardin: křesťanský evolucionismus, nebo zastánci Inteligentního designu. Ti předpokládají, že by nedocházelo k evolučnímu vývoji bez současných zásahů vyšší moci. Svoje tvrzení často argumentují složitostí bakteriálního bičíku, který se nikdy nemohl vyvíjet a zdokonalovat pouhými náhodami a mutacemi, neboť bez kterékoliv dílčí složky by nefungoval.

Evolucionisté opírají své myšlenky o náhodné změny. Jako důkaz se bere například inervace hrtanu, kdy je nerv podvlečen pod odbočkou u aorty, jak u ryb, tak u žirafy. Dalším důkazem chyby je vznik inverzního komorového oka, kde se světlo tříští o nervy, ale je zde i slepá skvrna, zatímco u konverzního komorového oka oboje chybí.

Jean Baptiste Lamarck

Tvrdí, že organismy se chtějí vyvíjet a přizpůsobit podmínkám. Svá vylepšení získaná během života předávají svým potomkům. Tato teorie byla zatlačena do pozadí Darwinem a ve 20. století odmítnuta.

Přesto se nyní ukazuje, že je funkční, ale spíše na mikrobiologické úrovni nebo v kulturní evoluci.

Př.: Tkadlena má ze slinění palce a motání lněné příze na vřeteno palec velký. Její potomek bude mít tudíž také velký palec.       – živočišná úroveň, vyvráceno

Př.: Imunoglobulin vytváří jinou formu, aby působil efektivněji.             – mikrobiologická úroveň

Př.: Schopnost vyrobit počítač je předávána dalším generacím, které ji zdokonalují.   – kulturní evoluce

Charles Darwin

Opírá evoluční teorii o přírodní a sexuální výběr. Předpokladem pro přírodní výběr je variabilita v rámci populace druhu a nadprodukce potomstva. Selekční faktory jsou komplexní, zahrnují vztahy mezi jedinci populace (vnitrodruhový boj) i mezi celými populacemi (mezidruhový boj). Tvrdá selekce zajišťuje vyhynutí jedinců neschopných adaptace se, měkká způsobí, že jedinci s vyšší fitness mají více potomků. Přirozený výběr se tedy může uplatnit pouze u znaků, které mají vliv na fitness, což je míra schopnosti zanechat potomka.

Př.: Holý medvěd na pólu chcípne (fitness), nezávisle na tom, má-li hnědé nebo modré oči.

Sexuální výběr ovlivňuje průchod genů na základě fenotypu rozmnožujícího se jedince. Je silně dominantní, avšak ne všemocný, neboť je nutné, aby se samec dožil reprodukčního věku.

Př.: Pro páva jsou dlouhá, těžká a barevná ocasní pera samozřejmě přítěží – jsou plná parazitů, páv je díky nim nápadný a také se mu špatně uniká před predátory. Přesto má páv bohatý barevný ocas, protože pávice si vybírají páva podle velikosti ocasu, přičemž se řídí heslem „čím větší, tím lepší“ (sexuální výběr) a nenápadný samec se musí obejít bez samice, nebo se spokojit s nějakou podřadnou. Přesto se paví ocas nezvětšuje do nekonečna, nevýhody pro takový ocas by převážily jeho výhody, navíc by se dotyčný jedinec nemusel reprodukce vůbec dožít (přirozený výběr).

Amotz Zahavi

Teorie handicapu tvrdí, že jedinci, kteří se dožili dnešního dne navzdory svým estetickým handicapům, jsou lépe přizpůsobeni a atraktivnější než všichni ostatní. Příkladem budiž opět páv, kde napomáhá teorie handicapu při výběru samce. Trochu jinak se tato teorie uplatňuje v rámci predace, neboť gazely po spatření geparda začnou provádět velice vysoké výskoky do vzduchu a občas i kličkují. Tato aktivita se může jevit jako zbytečné plýtvání energií, ale podle teorie handicapu si dotyčný predátor rozmyslí, zda se vrhne po gazele. Té se výskoky vyplatí, neboť množství vynaložené energie je menší než množství energie potřebné pro úprk před predátorem, a přestože predátor by byl schopen gazelu ulovit, gazela si zachrání život blufováním.

Stephen Jay Gould

Vymýšlí teorii přerušovaných rovnováh, ve které tvrdí, že vývoj nejde lineárně, ale schodovitě. Ve fázi stazigeneze se nic neděje, ale náhle dojde k nějaké změně, mutaci, která dá vznik novému živočišnému druhu.

Richard Dawkins

Vychází z Darwina, ale tvrdí, že dle teorie sobeckého genu je objektem evoluce (selekce) konkrétní alela a kritériem její evoluční úspěšnosti je nárůst její frekvence ve srovnání s ostatními alelami daného lokusu. Pokud se blaho jedince střetne s blahem genu, vždycky vyhraje gen. Teorie sobeckého genu je schopna vysvětlit pohlavní rozmnožování – reprodukci chromosomu Y.

Dawkinsova teorie sobeckého genu vede ke vzniku memetické teorie. Memy, kulturní obdoby genů, tvoří jednotky kulturní informace.

Jaroslav Flegr

Český biolog, přichází s teorií zamrzlé evoluce, podle které funguje darwinistická evoluce pouze v takových populacích, kde se druhy rozmnožují nepohlavně, nebo v mladých druzích či populacích. Mladí populace čítá menší množství jedinců, tudíž se vyskytuje poměrně málo variant různých genů, lze tedy snadno zkoumat alely. Po určité době druh zamrzá – vyskytuje se již hodně variant genů. Pouze silný selekční tlak, jako je například domestikace, docílí v populaci evoluce. Mezi geny dochází ke genovým interakcím, neboť gen nemůže kopat jen sám za sebe, ale musí brát ohled i na ostatní alely.

Neodarwinismus (moderní syntéza)

Zabývá se geny a molekulární genetikou. Změny vnikají graduálně (postupně), vznikají kvůli mutacím, udrží se kvůli přirozenému výběru. Selekcionisti X antiselekcionisti (nic nemůže vzniknout, není-li to v souladu s přírodou).

Evo-devo

Existuje něco nad genetickou informací (epigenetická informace), kde hlavní jednotkou není gen, ale poskládání buněk. Epigeneze je informace uložená mimo genetický základ.

Sdrátování predispozic = evoluční výsledek, jde o to, jak se geny sepnou a nesepnou

Postmoderní syntéza

Pracuje s genetikou. Na základě transkripčních faktorů dochází ke spouštění a regulaci. Jde o to, co se z genetické informace přečte.  Např. Darwinovy pěnkavy (různé zobáky, podle toho, na co ho potřebují)

Mechanismy vzniku evolučních novinek

Mutace

Natural selection (o co, jak a kdo soutěží)

  • o cofitness = životaschopnost a schopnost plodit životaschopné potomstvo, projevuje se u toho přirozený výběr

stabilita a udržitelnost = z hlediska chování a mentality (jestřáb a holubice (2:1)

  • jakselekce  -> pozitivní (upevňování a fixace těch výhodných)

-> negativní (nepotřebné vychcípá)

  • kdo jedinci (podle Darwina; nefunguje u pohlavního rozmnožování)

druhy, populace (vymření, migrace, speciace = vznik nového druhu)

geny (podle Dawkinse)

Stochastitcita: závisí na náhodě a udržení se znaku.

  • Speciace je evoluční proces vzniku nových biologických druhů. Procesem speciace se štěpí a větví evoluční linie a vznikají i vyšší taxony než druh.
  • Extinkce je konec existence určitého biologického taxonu, nejčastěji druhu. Určuje se jako smrt posledního jedince daného druhu, přestože je nejčastěji druh odsouzen k záhubě mnohem dříve. 

Hot-spots jsou místa v části genomu, kde dochází častěji k mutacím – buňky imunitního systému.

Kumulativní selekce: hromadící se mutace přispívají ke vzniku určitého znaku, orgánu – komorové oko

preadaptace = něco, co máme v zásobě a může se to hodit (dříve to bylo funkční, pak ne a teď zase ano)

Oportunismus: v dané situaci se udrží to, co je pro jedince v dané situaci výhodné. Pro oportunismus je důležitá existence recesivních alel. Příklad: Na pólu se narodí medvěd s řídkým ochlupením.

  • Preadaptace je vhodné přizpůsobení se – zvýší se průměrná teplota a medvěd přežije spíše než s kožichem.
  • Maladaptace je nevhodné přizpůsobení se – je zima a medvěd chcípne; vyvrácení kreacionismu

Genetický drift (tah): populace se oddělí a vyvíjí se samostatně. Např. v oddělené populaci chybí zrzavý jedinec, postupně vymizí geny pro zrzavost.

Genetický draft (svezení se): nepodstatný gen se zafixuje spolu s podstatným genem. Př.: Lidé musí mít maximálně 150 cm, jinak neprojdou pod větvemi. Blízko genu pro výšku se nachází nepodstatný gen pro zrzavé vlasy, který se s ním zafixuje.

Sex: je výměna genetického materiálu.

Pohlavní rozmnožování:

Nevýhody

  • zánik osvědčeného modelu (potomci vypadají jinak)
  • jsou potřeba 2 jedinci různého pohlaví, jedno z pohlaví nerodí, narodí se tedy polovina potomků oproti nepohlavnímu
  • energetická a časová investice na hledání partnera
  • je třeba vkládat energii do pohlavního aparátu
  • pohlavní rozmnožování je pomalejší
  • v další populaci je jen polovina genů každého jedince
  • při pohlavním rozmnožování hrozí riziko parazitace (pohl. nemoci)
  • riziko, že dojde k vymření populace s malou denzitou jedinců

Výhody

  • hypotéza vlastního pokoje  – nově vzniklí jedinci si nebudou 100% konkurovat
  • zastavení Müllerovy rohatky (v DNA se hromadí negativní mutace, při zastavení to přestává)
  • setkání a současně udržení výhodných alel (dlouhé ruce a kolty velmi nízko)
  • hypotéza loterie – šance, že potomek bude ideálně vybavený pro podmínky okolí)
  • hypotéza Červené královny = neustálý boj s parazity – společně s organismy se vyvíjí i jejich parazité, proto se musí v dalších generacích zařídit, aby byl jedinec proti modernímu parazitu odolný -> variabilita

Důsledky vzniku sexuality

  1. vznik gamet – pohlavní buňky

– anizogamety ->  samčí (mikrogamety, je jich hodně, jsou pohyblivé)

-> samičí (makrogamety, větší, nepohyblivé)

  1. gonochorismus – dvě odlišná pohlaví, mají jiné fce

rozdělení

a) chromozomální -> drozofilia (XX samičí, XY samčí)

-> abraxaz (ZW samičí, ZZ samčí)

b) dle okolních podmínek -> želvy – při vyšší inkubační teplotě vajíček se rodí samice (potom kladou vejce)

-> aligátor – při vyšší inkubační teplotě vajíček se rodí samci (musí být silní)

c) rypohlavec -> samci žijí jako součást samice

-> o pohlaví rozhodne larva, která rejdí po mořském dně, pokud si sedne na samici, stává se z ní samec, pokud si sedne na písek, tak samice

  1. vznik pohlavních chromozomůY -> samčí pohlavní chromozom, mohou na něm být geny zvýhodňující samčí pohlaví           (mohlo by dojít k vymýcení samic) => jsou mnohem menší než X
  2. intersexuální (mezi pohlavími) a intrasexuální (v rámci jednoho pohlaví) kompetice

strategie – inter -> samice si chtějí udržet partnera, aby jim pomáhal pomocí prodlužování předkopulační fáze

-> samci se poté dělí na frajery (oplodní a prchne) a trumbery (stará se, ani nemusí být biologický otec)

– intra -> samci získávají samice různými souboji, nejčastěji metodou lek

-> lek metoda = samci se sejdou na tokaništi, soupeří, zůstane jich pár a samice si vyberou ty nejlepší    (předávání dobré genetické informace)

  1. pohlavní výběrvybírají si samice na základě určitých znaků a kritérií (lek, ozdoby…) -> proti přirozenému výběru
    teorie sexy synů: u synů se dědí znaky a ozdoby, u dcer se dědí preference těchto znaků
    teorie dobrých genů: ozdobený má určitě dobrý genetický materiál, když dokáže mít navíc i ty ozdoby

Původ a vývoj člověka

Z větve původního hominida se nejprve odpojil orangutan, poté gorila a nakonec, před 6 mil. lety se oddělil člověk od šimpanze.

Hominizace

Neboli proces polidšťování nastal uprostřed mladších třetihor, případně až na jejich konci. Tou dobou totiž dochází ke klimatickým změnám, které mají za následek ústup pralesů a jejich nahrazení savanami. Dochází k rozdělení třetihorních lidoopů na dvě ekologicky odlišné skupiny, přičemž lidé jsou potomci těch slabších, kteří museli odejít z pralesa do savan.

To, co odlišuje člověka od všech ostatních savců je vysoká, vzpřímená postava. S ní souvisí esovité zakřivení páteře – člověk má dvě lordózy (vpřed) a dvě kyfózy (vzad). Dvojité zakřivení přidává páteři na pružnosti, což chrání mozek před otřesy při pohybu. Pánevní kosti člověka jsou široké a ploché, vytočené do stran, takže tvoří „mísu“ pro orgány vnitřní dutiny, ale nesou i váhu trupu a hlavy, kterou rozkládají na dolní končetiny. Dochází k rudimentaci ocasu. Člověka dále charakterizuje chůze po dolních končetinách – bipedie. Proto jsou u člověka dolní končetiny dokonale nataženy a v průměru o 12-19% delší než paže. V kolenním kloubu se objevují chrupavčité disky (menisky). Chodidlo lidské nohy má charakteristickou příčnou i podélnou klenbu, která napomáhá tlumení nárazů při chůzi a běhu. Palec u nohy je přimknut k ostatním prstům a nemá schopnost stavět se proti nim. Ramena se posouvají na strany těla, čímž dochází ke zvýšení flexibility paží. Ruka člověka je široká, dokonale přizpůsobená k jemným úkonům. Palec je v poměru k ruce i k ostatním prstům větší a delší než u lidoopů, navíc má dokonalou schopnost opozice. To umožňuje přesné uchopení malých předmětů prvními dvěma prsty – precision grip. Rozvoj ruky vede dále k výraznému rozvoji mozku.

S rozvojem mozku souvisí i změna lebky, dochází ke zmenšování obličejové části a jejímu zjemňování se. Čelisti nevystupují dopředu, zmenšují se zuby a tvar zubního oblouku připomíná spíše parabolu, než písmeno U. Špičáky nepřevyšují ostatní zuby. Objevuje se bradový výběžek, zatímco zvláštní prohloubení – „opičí důlek“ – uprostřed vnitřní strany spodní čelisti mizí. Nosní otvor lidské lebky přesahuje svým okrajem linii spojující spodní okraje očnic, zatímco u lidoopů leží horní okraj nosního otvoru vždy pod touto linií. Dále dochází ke zmenšování se nadočnicových valů. Naopak dochází k rozvoji mozkovny, která se klene ve vysoké čelo a je široce zakulacena. Dokonalá vyváženost lebky je způsobena posunem týlního otvoru dopředu a jeho otevřením směrem dolů.

Sahelanthropus tchadensis

Byl nalezen v Čadu, může být nejstarším předchůdcem člověka, žil před 6 mil. lety. Ke specializačním znakům došlo nezávisle na sobě. Chodil ještě po 4, měřil 130 cm, vážil 40 kg, objem mozkovny byl cca 500 ml.

Ardipithecus

Žil před 5 mil. lety, ale jednalo se o slepou vývojovou větev. Dokonce byl horší než Sahelanthropus, který ho i nakonec přežil.

Australopithecus anamensis (člověk němý), Australopithecus aferensis ? Nebo snad Homo?

Je němý, chodí po dvou, ale občas si stále pomáhá předními končetinami. Žil před 3,8-3,5 mil. let. Měžil 140 cm, vážil 40 kg, mozkovna měla objem 500 ml.

Australopithecus africanus

Žil paralelně s rodem Homo před 2,8 – 2 mil lety, docházelo mezi nimi k mezidruhovému křížení. Žil ve stepích a lesostepích, Používal kamenné nástroje, ale jsou dohady o tom, zda je používal již záměrně a soustavně. Měří 120-130 cm, je podsaditý o váze 45 kg, mozkovna má objem 500 ml.

Homo habilis

Člověk zručný žil v Africe před 2 – 1,4 mil. let. Výška se pohybuje v rozmezí 120 – 140 cm, hmotnost 35 – 45 kg, kapacita mozkovny 590 – 690 ml. Měl mohutné nadočnicové valy a placaté čelo. Používá primitivní nástroje, které nijak nemodifikuje. Z hlediska hominizace lze mluvit o nástroji a jeho používání tehdy, jestliže je nějaký předmět systematicky a opakovaně, tedy záměrně využíván v jedné nebo více oblastech konání a činnosti. Je již schopen složité zvukové komunikace, přestože nelze ještě mluvit o artikulované řeči. Komunikace je doprovázena gesty.

Homo ergaster

Člověk dělný byl hraničním druhem mezi habiliny a již vzpřímenými formami člověka. Žil před 1,6 – 1,2 mil. lety. Byly objeveny různé složitější nástroje, které používal. Měřil 150 cm, vážil 45-50 kg.

Homo erectus

Člověk vzpřímený žil ve starším paleolitu před 1 mil. až 350 000 let, měřil 150 – 170 cm, vážil 50 – 65 kg, mozkovna muže zaujímala objem 1450 ml, mozkovna ženy 1300 ml. Měl mohutné nadočnicové valy, mohutná šíje a končetiny. Pozůstatky byly nalezeny v Asii (Jáva, Čína), v Africe, ale i v Evropě (Heidelberg, Bilzingsleben). Znal již oheň, uměl ho využívat, ale ne rozdělat. Žil a lovil v tlupách o 30 jedincích v krajinách s řídkými lesy. Vyráběl ostrohranné kamenné nástroje i nástroje dřevěné. K dorozumívání používal škálu signálů ustáleného významu.

Homo sapiens

Opustil asi před 30000 lety Afriku, snad jich tam bylo mnoho a odešli ti slabší, nebo mohli odejít ti chytřejší, s abstraktním myšlením Do Evropy šli dvěma cestami – přes Pyreneje, což ovlivnilo vznik Homo sapiens neanderthaliens, nebo přes Saudskou Arábii za vzniku Homo sapiens sapiens. Po jejich střetnutí se v Evropě došlo k vyhynutí Homo sapiens neanderthaliens.

Homo sapiens neanderthalensis 

Měřil 165 cm, vážil 55-60 kg, ale byl podsaditější a svalnatější postavy, objem mozkovny byl 1400 – 1500 ml. Žil a lovil v tlupách, pečlivě udržoval oheň. Metody opracovávání nástrojů byly poměrně složité. Hlasové projevy byly neartikulované, přesto měl řadu kultů, rituálů a prvobytně pospolnou společnost. Jejich vyhynutí není dost dobře odůvodnitelné, neboť byli robustnější a měli větší mozek než Homo sapiens sapiens. Ale buď je homo sapiens sapiens nakazil nějakým virem, nebo je vybil a snědl.

Homo sapiens sapiens

Měřil 160 cm, vážil 45-50 kg, objem mozkovny se pohyboval kolem 1200 ml. Stejně jako neandrtálec vytvářel hierarchizované útvary a používal nástroje. Na rozdíl od něj byl však schopen artikulované řeči a stavby vlastních obydlí.

Jeden typ tohoto člověka (se širokým obličejem) nazýváme kromaňonec podle naleziště Cro-Magnon ve Francii.

Homo technicalensis

Byl mu dán vznik k roku 2008, neboť se lidé vymykali standardům Homo sapiens sapiens. Homo technicalensis měří 150 – 180 cm, váží 60 – 90 kg, ale jinak u něj dochází k regresi. Stal se domestikantem a zhloupl, páteř se začíná ohýbat, mizí ostré rysy v obličeji. Rostou tukové zásoby.

Otázkou je, co jsme my vlastně zač? Jsme stále Homo sapiens sapiens, nebo již Homo technicalensis?