Geny jež změnily Zemi  
Dva američtí biologové vypočetli, že před necelými třemi milardami let proběhla genetická exploze, která ovlivnila chemismus oceánů i atmosféry a rozhodla o směru dalšího vývoje života

 

Zvětšit obrázek
Rekonstrukce vývoje genových rodin v prekambrickém období ve sto mikrobiálních prokaryotických i eukaryotických genomech. Červeně je označený vznik genu, modře jeho duplikace, zeleně horizontální přenos mezi organismy a žlutě jeho vymizení. Kredit: Lawrence David, MIT

Země se z materiálu protoplanetárního disku zrodila před přibližně 4 a půl miliardou let. Jestli správně čteme z historických záznamů vepsaných do nejstarších hornin kontinentální kůry, pak organickým molekulám stačila necelá miliarda let (asi 800 až 900 milionů let), aby se jim podařilo zorganizovat se do samoreplikující a metabolizující struktury o které jsme přesvědčeni, že splňuje podmínky nejednoznačné definice života. V průběhu dalších tří miliard let se vyvíjely jednobuněčné organismy, osídlovaly Zemi, navzájem soutěžily ve vyřazovacím evolučním maratonu a nejen se přizpůsobovaly různým podmínkám, ale je i samy měnily. A to z celoplanetárního hlediska. Na mladé planetě se pravděpodobně jako první objevily prokaryotické anaerobní metanogenní mikroorganizmy ze skupiny (domény) Archea (nepřesně archebakterie). Jejich metabolizmus obohacoval atmosféru o metan, čímž přispíval k silnému skleníkovému efektu a tedy ke globálnímu oteplení Země. Dodnes přeživší zástupci archebakterií patří mezi extrémofily (případně mezofily), tedy mikroorganizmy prosperující v extrémních podmínkách, například při vysoké, nebo nízké hodnotě pH, vysoké, nebo nízké teplotě, vysoké radiaci, salinitě a pod.

Zvětšit obrázek
Stromatolity dnes (vrchní obrázek) a prekambrická zkamenělina (spodní obrázek). Jde o vápencové útvary, které vznikly dlouhodobým usazováním minerálních metabolických splodin kolonií fotosyntetizujících bakterií (nejen sinic).

 

V prvotní biosféře vnořené do atmosféry s mizivým množstvím kyslíku a významnou koncentrací „skleníkového“ metanu se ale vyvinul mikroorganismus, který způsobil katastrofu. Přesněji "velkou kyslíkovou katastrofu". Byly to sinice - prokaryotické (bez buněčného jádra) bakterie, které „objevily“ fotosyntézu, kaskádu reakcí poháněných sluneční energií při nichž se ze všudy přítomného oxidu uhličitého a vody syntetizuje vlastní stavební materiál – uhlovodíky. Odpadním produktem tohoto velmi úspěšného způsobu existence jsou však emise kyslíku. Pro převládající anaerobní mikroorganismy to znamenalo smrtelné nebezpečí. Sinice tak kromě dostupného zdroje energie získaly i další evoluční výhodu. Kyslíkem decimovaly konkurenty a postupně dobyly mělké teplé pobřežní vody. Fotosyntéza se tak stala jedním z nejdůležitějších faktorů vývoje života. Ona rozhodla kterým směrem a jak se bude dál vyvíjet a umožnila organizaci buněk do komplexnějších forem.


Schopnost rozkládat pomocí sluneční energie vodu na kyslík, elektron a proton z vodíku musí být vepsána v genetickém kódu. V genomu prvních fotosyntetizujících bakterií se tedy musela objevit celá řada inovací a změn. Kdy nastaly? Samozřejmě dost dlouhou dobu předtím, než se před asi 2,4 miliardy let výrazně zvýšil obsah kyslíku v atmosféře, jako důsledek rozšíření fotosyntetizujících sinic. Dalším vodítkem jsou fosílie stromatolitů - zkamenělých vrstev biogenního vápníku, jenž se v podobě tenkých povlaků odpadních metabolických produktů bakterií, zejména sinic, ukládal do hřibovitých útvarů po dlouhá statisíciletí až miliony let. Nejstarší stromatolity jsou z dob před asi 2,7, ale někteří paleontologové dokládají až 3,45 miliardy let.
 

Jinou cestou se vybrala dvojice biologů ze známého MIT (Massachusetts Institute of Technology), když se rozhodla pro sisyfovský úkol - dopracovat se pomocí matematických výpočtů, statistiky a současných biologických poznatků k alespoň rámcové představě o tom, jak se vyvíjel bakteriální genom v prekambriu, tedy v dobách starších než 542 miliony let. Jinými slovy - na základě současné DNA udělali přibližnou rekonstrukci jeho evoluce. Genetická poselství svých předků si z generace na generaci odevzdávají všechny živé organismy. To v kombinaci s dostatečnými znalostmi o změnách, které přitom nastávají - o frekvencích genetických mutací, o vertikálním (z generace na generaci) i horizontálním (mezi jednotlivými organismy navzájem - zejména u mikrobů) přenosu genetické informace, o duplikaci úseků DNA nebo jejich deleci (ztrátě) umožňuje rozplétat dávný evoluční příběh pozpátku. Samozřejmě – stejně jako u jakékoli rekonstrukce minulosti – čím dál proti proudu času jdeme, tím je obraz rozestřenější a zamlženější.

Zvětšit obrázek
Koncentrace atmosférického kyslíku v průběhu geologických dob a její souvislost s dobami ledovými (modře označené období). Anaerobní formy života kyslík téměř vyhubil, přežily v extrémních biotopech. Uvolnil ale prostor a vytvořil podmínky pro vznik a explozi aerobních eukaryotických organismů – nejdříve řas, z nichž se vyvinuly rostliny, jež umožnily přežití svých predátorů, kteří se vlastně také živí fotosyntézou, jenom nepřímo. Zdroj: snowballearth.org

 

Vědci si vybrali a navzájem porovnali sto různých současných mikrobiálních genomů a pomocí počítačového modelu zohledňujícího genetické rošády specifické pro jednobuněčné asexuální organismy, zmapovali evoluční vývoj 3 983 genových rodin napříč tří základních domén: dvou domén prokaryotů: archeí (Archaea) a bakterií (Eubacteria) a domény eukaryotů (s buněčným jádrem). I když neexistuje jednoznačná definice co to genová rodina je, za její členy se považují evolučně příbuzné geny, které se (pravděpodobně) vyvinuly jeden z druhého a jsou programem pro výrobu podobných bílkovin s podobnou funkcí.


Výsledky rozsáhlého biologicko-matematického modelu před několika dny zveřejnilo internetové vydání časopisu Nature. Podle analýz bylo v archaiku, tedy v pozemské éře před 3,8 až 2,5 miliardy let, relativně „krátké“, 500 milionů let trvající období (před 3,3 až 2,8 miliardy let), kdy vzniklo až 27 % všech současných genových rodin (což samozřejmě neznamená 27 % všech současných genů). Biologové z MIT předpokládají, že tato genetická exploze se odzrcadlila i ve velkému nárůstu rozmanitosti jednobuněčného života a nazvali jej expanzí v archaiku (Archaean expansion). Před asi třemi miliardami let zrozené geny umožnily transport elektronů mezi buněčnými membránami a první formu fotosyntézy. Geny, jež vznikly v závěru expanze v archaiku (před 2,8 mld let), umožňovaly novým druhům ve zvýšené míře využívat molekulární kyslík a katalytické vlastnosti přechodových kovů – železa, molybdenu, mědi a jejich sloučenin, což je nevyhnutnou podmínkou pro dýchání. Fotosyntetizující aerobní mikroorganismy, zejména prokaryotické sinice, které později díky endosymbióze s eukaryoty vytvořily řasy, dominovaly na Zemi přes 2 miliardy let - až do kambria (před 542 mil. let). Jejich nadvláda se projevila zcela zásadně. Zpočátku, kdy těchto prvních kyslík produkujících mikroorganismů bylo relativně málo, veškerý pro tehdejší život nebezpečný plyn pohltily oxidační reakce hlavně se sírou a železem. Například ve vodách oceánu se vysrážely ionty železa a vznikly sedimenty bohaté na hematit. Když se ale organogenní produkce kyslíku zvýšila a neoxidovaných absorbentů ubylo, začala narůstat jeho koncentrace v atmosféře a způsobila obrovskou katastrofu (Great oxidation event). Z povrchu zemského vymizela podstatná část do těch dob prosperujícího anaerobního mikrobiálního života. Tím ale poklesla produkce metanu. Kyslík navíc jeho molekuly rozkládal na vodu a oxid uhličitý. Tak se z atmosféry téměř zcela vytratil v té době nejvýznamnější skleníkový plyn, jenž je díky intenzivní absorpci infračerveného záření více než 20 krát účinnější než CO2.


Následkem bylo pravděpodobně největší zalednění v celé dosavadní pozemské historii. Před asi 2,45 miliardy let se začalo klima ochlazovat a v období před asi 2,32 až 2,22 miliardy let se Země podobala vesmírné sněhové kouli (Makganyene snowball earth), na níž zalednění sahalo téměř k rovníku.

 

Zdroje: Massachusetts Institute of Technology (MIT) News, Doplňující informace o matematickém modelu

Autor: Dagmar Gregorová
Datum: 31.12.2010 13:28
Tisk článku

Kočičí gen - CBrezina Thomas
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 199 Kč
cena: 169 Kč
Kočičí gen
CBrezina Thomas

Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni