Powstanie i dzieje informacji genetycznej. Oraz (bardzo) krótka historia życia.

Transkrypt

1 Powstanie i dzieje informacji genetycznej Oraz (bardzo) krótka historia życia.

2 Czym jest życie? metabolizm + informacja (replikacja)!2

3 (A)biogeneza } Ewolucja jest właściwością organizmów żywych!3! } Życie = ewolucja! } Powstanie życia z materii nieożywionej nie było zjawiskiem ewolucyjnym } trudności z wyjaśnieniem abiogenezy nie mogą być traktowane jako zarzut wobec teorii ewolucji } właściwe dziedziny: } fizyka (teoria złożoności, teoria samoorganizacji, termodynamika_ } chemia } planetologia

4 Koncepcje abiogenezy } Powstanie informacji } kluczowe powstanie zdolności (samo)replikacji } powiązanie genotypu z fenotypem możliwość działania doboru! } progenota } Powstanie metabolizmu } kluczowe powstanie samoorganizującej się sieci metabolicznej } powielanie struktury nie na zasadzie replikacji matrycowej } replikacja wynaleziona później!4

5 Czas i scena Istnieją też koncepcje umieszczające część z tych etapów poza Ziemią!5

6 Prehistoria życia!6

7 Pierwsze ślady życia - kontrowersje } czert Apex (Apex chert) Australia, wiek 3,5 mld lat (Schopf 1993)!!!!!!!!!! } Interpretacja jako śladów życia komórkowego podważona w 2002 (Brasier et al. 2002) - artefakty tworzenia skał zawierających żelazo!7

8 Pierwsze ślady życia } czert Strelley Pool, Australia wiek 3,4 mld lat, (Brasier et al. 2006) } skamieniałe maty mikroorganizmów - stromatolity Współczesne stromatolity Skamieniałości ze Strelley Pool!8

9 Początki Ziemi 4,5 miliarda lat temu, ok milion lat po utworzeniu Układu Słonecznego } brak atmosfery, powierzchnia płynna skała } bombardowanie meteorytami!9

10 Początki Ziemi Zderzenie Ziemi z jej satelitą (Theia) doprowadziło do: } } } powstania Księżyca nachylenia osi obrotu Ziemi zainicjowania cyrkulacji magmy pod skorupą (astenosfera) } początek zjawisk wulkanicznych, tektonika płyt!10

11 Początki atmosfery } Ostudzenie powierzchni Ziemi } Emisja gazów w wyniku działalności wulkanicznej skład gazów wulkanicznych: H 2 O 95% CO 2 1-2% SO 2 1,5-2,5% H 2 S 0,01-0,1% HCl 0,005% + obecny wcześniej azot!11

12 Pierwotna atmosfera } Po ochłodzeniu powierzchni woda przeszła do fazy ciekłej } Część CO 2 osadziła się w minerałach } Związki węgla, siarki, fosforu rozpuszczają się w wodzie } Atmosfera beztlenowa, bogata w azot, dwutlenek węgla, związki siarki!12

13 Eksperyment Millera - Ureya!13

14 Chemia prebiotyczna } ciepły bulion } kominy hydrotermalne } Günter Wächtershäuser świat żelazowo-siarczkowy } Minerały (iły) jako pierwotne replikatory } Alexander G. Cairns-Smith genetic takeover!14

15 Co było najpierw? } Metabolizm (Oparin, Dyson) } Zależny od informacji genetycznej (kodowane enzymy) } Replikacja (Eigen) } Zależna od metabolizmu (enzymy replikujące DNA)!15

16 Świat RNA: metabolizm + replikacja RNA może wykazywać aktywność enzymatyczną (metabolizm)!16

17 RNA może tworzyć różne struktury!17

18 RNA katalityczne } Thomas Cech (1982) intron w Tetrahymena sam się wycina Nagroda Nobla 1989!18

19 RNA katalityczne } Sidney Altman (1983) RNaza P (enzym tnący prekursory trna) składa sie z białka i RNA, to RNA jest katalizatorem Nagroda Nobla 1989!19

20 RNA syntetyzuje białko!20

21 Świat RNA } RNA pełniące rolę metaboliczną (enzymy) i informacyjną (matryca)! } Początki oddziaływań RNA-aminokwasy początki kodu genetycznego!21

22 Jak powstała informacja genetyczna Nukleotydy Powstają pierwsze nici RNA RNA replikuje RNA RNA katalizuje reakcje z udziałem aminokwasów Aminokwas Polipeptydy RNA katalizuje tworzenie białek i DNA!22 DNA przejmuje rolę materiału genetycznego

23 Problemy świata RNA } Ograniczona zdolność magazynowania informacji w pojedynczym replikatorze (ilość informacji możliwej do zakodowania jest odwrotnie proporcjonalna do częstości błędów replikacji granica Eigena) } Rozwiązanie sieci współdziałających replikatorów (hipercykle)!!!!! } Samolubne RNA w sieci replikatorów }!23 rozwiązanie wydzielenie hipercyklu błoną i specjalizacja

24 Kooperacja i samoorganizacja Online !24

25 Ewolucja białek } Pierwsze peptydy były bardzo krótkie } Do dzisiaj w białkach ślady budowy z powtarzających się krótkich motywów!25

26 Geny i muzyka Susumu Ohno } Ohno S, Ohno M The all pervasive principle of repetitious recurrence governs not only coding sequence construction but also human endeavor in musical composition. Immunogenetics 24:71-78 } Ohno S Repetition as the essence of life on this earth: music and genes. Haematol. Blood Transfus. 31: !26

27 Powtórzenia!27

28 Muzyka sekwencji!28

29 Muzyka sekwencji!29

30 Hipotezy alternatywne } Przesunięcie niektórych etapów prehistorii życia poza Ziemię } kosmiczne pochodzenie prostych cząsteczek organicznych } kosmiczne pochodzenie życia - panspermia!30

31 Panspermia } Pierwsze cząsteczki biologiczne, a nawet organizmy nie powstały na Ziemi } Cząsteczki organiczne, aminokwasy w materiale kosmicznym } Problem ustalenia warunków początkowych } Jeżeli nie wiemy, gdzie powstawało życie, nie mamy możliwości formułowania hipotez } Panspermia ukierunowana życie celowo zasiane na Ziemi przez inną cywilizację (Orgel & Crick, 1973)!31

32 Cząsteczki organiczne z kosmosu } Meteoryt z Murchinson } liczne związki organiczne, w tym aminokwasy! } Komety (potwierdzona obecność związków organicznych)!32

33 Astrobiologia } Aby szukać życia poza Ziemią należy zrozumieć, jak powstawało na Ziemi!33 Europa (księżyc Jowisza), Wikimedia Tytan (księżyc Saturna), Wikimedia, New Scientist

34 !34

35 LUCA!35

36 Jaki był LUCA? } Na podstawie zestawu genów obecnych we wszystkich gałęziach drzewa życia } problem horyzontalny transfer genów (przeszacowanie zestawu genów pierwotnych)! } Organizm o budowie komórkowej zbliżony do współczesnych prokariontów! } Poprzedzał rozejście się linii Bacteria, Archaea i Eukarya!36

37 Prokaryota nie są jedną grupą LUCA Carl Woese!37 LUCA Last Universal Common Ancestor

38 Co potrafił LUCA } transkrypcja, translacja (kod odpowiadający współczesnemu) } metabolizm energetyczny oparty na ATP } synteza długich łańcuchów DNA } białka błonowe } ok. 600 genów! } Ale nie wszyscy się zgadzają: } prosty, niewiele genów, bez współczesnego systemu replikacji genomu (Koonin 2003)!38

39 LUCA jako wspólnota genów } Niezależnie od tego, u podstawy był jednolity kod genetyczny i wspólne podstawowe mechanizmy genetyczne!39

40 Prokarionty i Eukarionty!40

41 Powstanie komórki eukariotycznejendosymbioza Konstanty Miereżkowski ( )!41 Lynn Margulis ( )

42 Jak mitochondria traciły swój genom Wolno żyjące bakterie genów Endosymbiontyczne bakterie (Rickettsia) genów Pierwotne mitochondria (Reclinomonas) genów Mitochondria współczesne genów!42

43 Przyczyna utraty informacji w genomie organellarnym } Zapadka Müllera gromadzenie się mutacji szkodliwych na skutek dryfu } mały rozmiar populacji dryf może utrwalić allel niekorzystny } brak wymiany genów (płci) rekombinacja nie może odtworzyć optymalnej sekwencji z dwóch różnych mutantów!43

44 Historia życia na Ziemi!44

45 Historia życia na Ziemi!45

46 Eony!46

47 Gdyby Ziemia istniała 1 rok } 1. I powstaje Ziemia } 25 II pierwsze formy życia? } 20 III pierwsze skamieniałe komórki (sinice) } 13 VI Tlen w atmosferze } 17 VII - Eukarionty!47

48 Gdyby Ziemia istniała 1 rok } } } } } } 3 IX pierwsze wielokomórkowce (glony) 8 XI wielokomórkowe zwierzęta 15 XI eksplozja kambryjska różnorodność zwierząt 21 XI - ryby 24 XI rośliny na lądzie 27 XI rośliny naczyniowe i stawonogi na lądzie!48

49 Gdyby Ziemia istniała 1 rok } 2 XII płazy na lądzie } 9 XII - Perm, wielkie wymieranie, gady } 19 XII - ptaki } XII - dinozaury!49 grafika:

50 Gdyby Ziemia istniała 1 rok } 26 XII wymierają dinozaury } 28 XII małpy } 31 XII, rozdzielenie linii przodków ludzi i szympansów } 31 XII, Homo erectus } 31 XII, nasi przodkowie opuszczają Afrykę } 31 XII, zasiedlenie Europy!50 daty wg.

51 !51