Lekce 7. Buňka

Už jsme si vysvětlili, že první život na Zemi měl podobu jednoduché pra-buňky schopné přeměňovat látky ze svého okolí na energii a tu využívat k rozmnožování. Byla to vlastně jen nukleová kyselina oddělená od okolí membránou. A co bylo dál?

Bakterie, vládce všehomíra

Celou jednu a půl miliardy let na Zemi žily jen jednobuněčné organismy s úplně jednoduchou strukturou buňky složenou jen z membrány, nukleové kyseliny, ribozomů na tvorbu proteinů a ochranné vrstvy na povrchu – tzv. buněčné stěny. Tento jednodušší typ buňky nazýváme buňkou prokaryotickou (mohli bychom přeložit jako „předjadernou“). Tato buňka byla samostatná, zajišťovala si sama potravu, pohyb i rozmnožování. V průběhu milionů a milionů let vznikaly nové mutace a nové druhy těchto jednoduchých prokaryotních organismů. Na Zemi existují dodnes – celou tuto skupinu nazýváme bakterie.

Bakteriím se dobře dařilo, díky mutacím vznikaly nové druhy, které osídlily nová prostředí – např. hladinu oceánu a souš (která tou dobou byla jen hromadou kamení). Po čase se z jednoho druhu bakterie postupnými mutacemi vyvinula velmi odlišná vývojová skupina, kterou vědci popsali teprve v 70. letech minulého století (necelých 40 let!) – tzv. archebakterie. Ty byly také jednobuněčné a měly prokaryotní stavbu buňky. Výrazně se ale lišily stavbou své buněčné stěny, a také chemickými reakcemi, které uměly provádět. Dokázaly přežít v extrémních podmínkách – v sopečných vřídlech, kde teplota přesahuje 100°C, ve vodách s vysokou koncentrací síry, soli nebo železa, které jsou pro mnoho bakterií smrtelné, nebo v extrémním suchu a chladu. V extrémních prostředích nalezneme archebakterie i dnes.

Zelená evoluce

Nahromaděním mutací vznikl před 2 miliardami let druh bakterie s dovedností úplně nového biochemického procesu. Vyvinuly novou sloučeninu, zelené barvivo chlorofyl, a s jeho pomocí dokázaly koncentrovat dosud nevyužitelnou formu energie – světelnou energii – a využít ji k rozštěpení molekuly vody na kyslík a vodík. Vodík pak využívaly k velmi efektivní tvorbě energie ATP. Kyslík se jako odpadní látka uvolnil do okolní vody. Tento biochemický proces nazýváme fotosyntéza.

Tato bakterie byla díky efektivní koncentraci energie velice úspěšná a začala se bleskurychle množit. Oceán se začal sytit kyslíkem. A protože kyslík je plyn, po nasycení vody začal unikat do atmosféry, která do té doby kyslík neobsahovala (nebo jen ve velmi malé koncentraci).

To byla velká rána pro většinu ostatních prokaryotních organismů, pro které byl kyslík toxický! Změna složení atmosféry navíc vyvolala klimatické změny a způsobila ochlazení Zeměkoule. Země se doslova pokryla ledem na neskutečných 200 milionů let.

Většina života na Zemi zemřela. Po oteplení zůstalo na Zemi jen asi 10 % původních druhů, mezi nimi i zelená fotosyntetizující bakterie, která to celé způsobila. Ta přežila dodnes a určitě ji dobře znáte – nazývá se sinice. Kromě masivního vymření 90 % všech ostatních druhů na Zemi se zasloužila o to, že v atmosféře Země je přítomen z 20 % kyslík, který dýcháme. A právě ten určil, jakým směrem se bude ubírat další vývoj života na Zemi.

Nové prostředí plné kyslíku způsobilo zánik mnoha prokaryotních druhů. Některé samozřejmě přežily v hlubších vrstvách oceánu, kde zůstalo prostředí bez kyslíku, u hladiny a na souši se ale mohly udržet jen druhy, které uměly kyslík vylučovat nebo ho dokonce využívat ve svém metabolismu, mezi nimi i bakterie, které s využitím kyslíku dokázaly velmi efektivně tvořit velké množství ATP.

My už ale dávno nejsme jednobuněčné organismy, máme k dispozici mnoho orgánů a každý orgán se skládá z milionů buněk. Navíc, naše buňky už nejsou tak jednoduché, jsou mnohem větší a taky složitější, mají několik částí a jsou členité. Je vám asi jasné, že se v evoluci muselo odehrát něco zásadního.

Snědena zaživa, ale přežila!

U zrodu vícebuněčného života stály obě tehdy žijící jednobuněčné formy – bakterie a archebakterie. Obě se živily anorganickými sloučeninami z prostředí, odpadními látkami jiných prokaryot, nebo také přímo polykaly jedna druhou, aby získaly potřebné cukry, tuky a aminokyseliny.

Jednou se ale stalo, že jedna archebakterie pohltila bakterii využívající kyslík (říkejme jí mitochondrie). Mitochondrie z nějakého důvodu neposloužila archebakterii jako potrava ale místo toho přežila a v jejím nitru se naučila žít. Pro archebakterii to také bylo výhodné. Sice se musela s mitochondrií dělit o přijímané živiny, ta ale uměla ze živin získávat energii využitím kyslíku o tolik efektivněji, že mohla naoplátku svému hostiteli poskytnout přebytky získané energie ve formě ATP. Této oboustranně výhodné spolupráci říkáme v biologii symbióza. Mitochondrie se natrvalo usadila a pomnožila a stala se součástí všech dalších potomků této první buňky.

To byl jeden krok na cestě ke složité buňce, která je součástí těl všech rostlin a živočichů. Rostlinné buňky navíc ještě obsahují podobným způsobem získanou část – tzv. chloroplast – původně onu sinici, která pro rostlinnou buňku koncentruje energii ze slunečního záření.

Jako v pokojíčku

Druhou a neméně důležitou událostí byla tvorba vnitřního rozčlenění buňky pomocí membrány.

Povrch buňky kryje membrána. Je velmi užitečná, protože skrz ní většina látek neprojde a buňka si tak může velmi přesně rozhodovat, které látky do svého nitra přijme a které raději nechá venku. Jakmile se látka dostane dovnitř, dostává se do kontaktu se všemi proteiny, enzymy, i DNA buňky. To může být docela nevýhodné, např. proto, že některé látky způsobují poškození DNA.

Eukaryotické buňky proto využily membránu k vytvoření vnitřního členění buňky, něco jako když velký byt rozdělíte pomocí příček na jednotlivé pokoje. Eukaryotická buňka obsahuje spoustu váčků tvořených membránou, říkáme jim membránové organely, ve kterých jsou od sebe oddělené různé metabolické děje a chemické reakce. Membránou se obalila také DNA, která se tak stala chráněnou před škodlivými látkami a vznikla tak nová buněčná organela – jádro.

Tyto dva děje – vznik jádra a vnitřní symbióza s bakteriemi využívajícími kyslík – vedly ke vzniku složité buňky, která tvoří těla všech mnohobuněčných organismů – tzv. eukaryotické.