Jak vědci pokročili v poznání toho, čím se odlišujeme od zvířat? A co z nás udělalo inteligentní tvory?
Od přečtení lidské dědičné informace uběhlo sedm roků. Na jednu stranu to byla léta „tučná“, neboť jsme se během této doby dozvěděli o lidském genomu věci donedávna netušené. Pokud si ale položíme otázku, nakolik jsme se přiblížili poznání, čím se odlišujeme od zvířat a co z nás udělalo tvory schopné létat na Měsíc, napsat Shakespearova Hamleta nebo vytesat Michelangelova Davida, pak to byla léta spíše „hubená“.
Jen hromádka nervových buněk…
Lidský mozek, to není v podstatě nic jiného, než „hromádka“ nervových buněk, jaké nosí v hlavách i jiní živočichové. Snad máme tu „hromádku“ s ohledem na velikost našeho těla trochu větší než většina pozemských tvorů. Na váhu to činí půldruhého kilogramu nervových buněk, na celkový počet asi deset miliard.
Nejdůležitější přednost lidského mozku tkví v jeho výkonnosti a neuvěřitelné všestrannosti. Zvířata i stroje se nám mohou přiblížit nebo nás dokonce trumfnout jen v jednotlivých „dílčích disciplínách“. Šimpanzi vyrábějí nástroje a nejsou při jejich užívání vždy vedeni jen pouhou účelností. Jednotlivé šimpanzí tlupy mají svůj vlastní styl rozbíjení ořechů a předávají si jej jako kulturní znak. Dá se říci, že v tom nám tito lidoopi tak trochu šlapou na paty.
Americké sojky modré si zapamatují nejen polohu tisíců skrýší s potravou, ale i jejich obsah a dobu, po kterou je potrava v dané skrýši uskladněná. Přiznejme si otevřeně, že v tom jim konkurovat nedokážeme.
Také technika kapacitou své paměti dávno lidskou mysl překonala. Mistr světa v šachu už odešel poražen z partie s počítačem. Přesto zůstává lidský mozek jedinečným dílem přírody. Otázka, jak vznikl, patří k těm nejzákladnějším.
Co z nás dělá člověka?
Za poslední čtyři roky se sdělovacími prostředky prohnalo nejméně deset zpráv o genech, které byly klíčové pro proměnu našich předků ze zvířete v člověka. Přesto vědci stále jen tápou. Mnozí odborníci se však v souvislosti s pátráním po genetickém základu lidské jedinečnosti netají optimismem.
„Během roku či dvou budeme mít vyčerpávající seznam genů, které se u člověka mohly podílet na zásadních změnách funkce mozku, a budeme moct zahájit pátrání po těch, které to skutečně byly,“ říká harvardský neurolog Christopher Walsh.
Walsh klade důraz na slovo „zahájit“. Dosavadní zprávy o „genech pro lidský mozek“ považuje spíš jen za zajímavé či provokativní stopy, než za informace o tom, co nás vydělilo ze společenství primátů a přetvořilo nás v chodící a mluvící tvůrčí tvory. Genetici jsou s to odhalit geny, které se v lidském genomu poměrně nedávno zásadním způsobem proměnily. Mnohé z těchto genů sehrávají klíčovou roli ve funkcích mozku. Jejich přesnou úlohu ale zatím neznáme a bez toho jsou naše odhady často jen pouhou „střelbou do tmy“.
Srovnání s šimpanzy
S kompletně přečtenou lidskou a šimpanzí dědičnou informací v ruce, přesněji řečeno v rozsáhlých počítačových databázích, se nabízí k pátrání po typických „lidských“ genech srovnání naší DNA s DNA našich nejbližších příbuzných.
Vědci přednostně pátrají v lidské DNA po takových genech, které během samostatné existence člověka prodělaly dramatičtější proměny, než jiné části lidské dědičné informace. Dá se předpokládat, že dramaticky se měnící geny přinášely svým nositelům významnou výhodu, a proto se rychle šířily lidstvem.
Jedním z prvních úlovků se stal před šesti roky gen FOXP2. Vědce na jeho stopu přivedla rodina postižená těžkou dědičnou vadou řeči. Tým genetiků vedený Svantem Pääbem z Ústavu Maxe Plancka pro evoluční antropologii v německém Lipsku zjistil, že se protein vyráběný podle lidského genu FOXP2 liší od stejného proteinu šimpanzů ve dvou ze 715 aminokyselin (tj. základních stavebních kamenů každé bílkoviny). To jsou změny skutečně dramatické a Pääbo je přesvědčen, že pomohly člověku k lepší kontrole nad ústy a jazykem a umožnily mu dokonale artikulovanou řeč.
Jak se hledá „člověčí“ gen?
Zatímco se Pääbo honil za jediným genem, jeho americký kolega Bruce Lahn z University of Chicago rozhodil sítě opravdu doširoka. Prověřil celkem 214 genů, které se buď podílejí na vzniku onemocnění mozku nebo se o nich ví, že jsou aktivní právě v tomto sídle lidského intelektu.
Lahn srovnával geny člověka a makaka a zároveň prováděl obdobné srovnání i mezi myší a potkanem. Na jedné straně jej zajímaly bezvýznamné záměny písmen genetického kódu, které nevyvolávají změny v bílkovině vyráběné podle instrukce daného genu. Na druhé straně zkoumal významné změny v genech, které se na stavbě bílkoviny projeví. Čím vyšší je podíl „významných“ změn DNA oproti změnám „bezvýznamným“, tím rychleji se musel gen měnit a vyvíjet a tím důležitější by měl být pro evoluční úspěch daného tvora.
Lahn zjistil, že geny primátů se vyvíjejí o 37% rychlejších tempem než geny hlodavců. Skutečnými sprintery se ukázaly být geny, které pracují v mozku člověka. Mezi nimi vynikají dva, gen ASPM a gen mikrocefalin. O jejich roli ve vývoji lidského mozku svědčí fakt, že poškození těchto genů vyvolává defekt, při kterém lidský mozek nedorůstá plné velkosti (mikrocefalii).
Všechno není jen v genech!
Tradiční představa, že máme vše napsáno v genech, podle kterých se v buňkách tvoří bílkoviny, už dávno neplatí. Znovu se to potvrdilo i při pátrání po genetickém tajemství lidského mozku. Bezkonkurenčně nejrychleji se v naší DNA mění část nesoucí označení HAR1F, skládající se ze 118 písmen genetického kódu.
Za šest milionů let, jež uběhly od doby, kdy se naši předci evolučně rozešli s předky dnešních šimpanzů, se na tomto kousku DNA u člověka změnilo 18 písmen. Každé šesté či sedmé písmeno tedy máme v HAR1F jiné než šimpanzi. Přitom se podle HAR1F netvoří v lidských ani šimpanzích buňkách žádná bílkovina. V mozku lidského plodu se podle HAR1F tvoří molekuly ribonukleové kyseliny, která následně působí jako regulátor činnosti široké škály dalších genů, podle nichž se už bílkoviny tvoří.
Změna v lidské HAR1F tedy v konečném důsledku nepřinesla změnu ve stavbě byť jen jediné bílkoviny, ale významně se promítla do objemu produkce mnoha bílkovin. Americká genetička Katherine Pollardová z University of California v Santa Cruz se domnívá, že nadprodukce vybraných bílkovin, spuštěná změnami v HAR1F, nastartovala růst mozkové kůry člověka a zajistila mu vyšší inteligenci.
Zcela jiný koktejl
Vědci jsou stále pevněji přesvědčeni, že za lidským intelektem nestojí nové nebo silně pozměněné geny. Gen FOXP2 považují v tomto směru za výjimku potvrzující pravidlo. Mnohem spíše je lidská inteligence vyvolána změnou aktivity genů, které se ve srovnání s geny zvířat moc nezměnily. Lidský mozek je „uvařen“ ze stejných „surovin“ jako mozek lidoopů. Tyto „suroviny“ jsou v něm však ve zcela jiných poměrech.
O potvrzení této teorie se postaral opět Svante Pääbo. Provedl kontrolu „pracovního nasazení“ u 12 000 genů v různých tkáních člověka a šimpanze a zjistil, že právě mozek se výkonností jednotlivých genů liší nejvíce. Přitom geny v šimpanzím mozku pracují velmi podobně jako geny v mozku lidí.
Evoluční biolog Xun Gu působící na Iowa State University v americkém Amesu se podíval na rozdílné výkonu genů v mozku lidí a šimpanzů podrobněji a došel k závěru, že u člověka většina genů „šlápla na plyn“. Vyrábí se podle nich mnohem více molekul ribonukleové kyseliny než v mozku šimpanzů.
Klonované geny
Vysoký výkon jednotlivých lidských genů však nemusí být nutně výsledkem toho, že se daný gen v mozku více tuží. Velmi často za to geny vděčí pomocníkům, které bychom mohli s klidným svědomím označit za dvojníky či přímo klony. Lidská dědičná informace je totiž pozoruhodná velkým počtem „klonovaných“ úseků, které jsou zdvojeny, ztrojeny a často dokonce pomnoženy na „početný dav“.
Šimpanzi mají namnožen ještě větší počet genů, než člověk. V drtivé většině se ale spokojili s malým počtem kopií. Lidský genom „klonoval“ geny o poznání méně, avšak s o to větší vervou. Příkladem může být gen MGC8902. Makaci jej mají ve své DNA čtyřikrát. Šimpanzi si jej pořídili v 10 kopiích. A člověk? Ten vlastní 49 kopií genu MGC8902.
Vypůjčeno od šimpanzů
Samozřejmě by bylo velice zajímavé vědět, co má tento gen v lidském těle na starosti. Bohužel, to zatím nikdo netuší. Jedno je však jisté. Bílkovina vyráběná podle genu MGC8902 obsahuje zvláštní „kličku“, pro níž vědci užívají kódové označení DUF1220. A ta patří mezi lidskými bílkovinami ke skutečným evergreenům. Je nedílnou součástí bílkovinných molekul vyráběných podle více než 20 různých genů. Snad ani není třeba dodávat, že většina těchto genů hýří aktivitou právě v lidském mozku.
Možná vděčíme za svůj úspěch i genovým hybridům. Jeden takový „křížený“ gen objevil Ajit Varki z University of California v americkém San Diegu. Studoval gen SIGLEC-11 u člověka a šimpanze a zjistil, že jedna polovina genu je u obou tvorů naprosto totožná, zatímco druhá se zásadně liší. Dalším bádáním Varki zjistil, že odlišná polovička lidského genu pochází z genu označovaného jako SIGLEC-16. Lidský gen SIGLEC-11 si tuto sekvenci DNA kdysi půjčil a už ji nevrátil. Díky tomu se nám v mozku tvoří podle genu SIGLEC-11 úplně jiná bílkovina než šimpanzům. Víme, že se nám stará v hlavách o buňky zvané mikroglie, jež zajišťují růst jiných typů nervových buněk.
Jen rychlost nestačí!
V dědičné informaci člověka se nachází celá řada úseků, které se dramaticky liší od obdobných úseků DNA našich nejbližších zvířecích příbuzných – stavbou, počtem kopií nebo mírou pracovního nasazení. Jsme v pokušení spojovat tyto genetické změny s tím nejdůležitějším evolučním výdobytkem, k jakému se Homo sapiens dopracoval, s lidským mozkem.
Ale je to opravdu tak? Ajit Varki vyzývá k obezřetnosti! „Lišíme se od zvířat celou řadou dědičných znaků a vlastností – rozmnožováním, svalstvem a kostrou, imunitním systémem nebo třeba kůží,“ říká biolog indického původu Ajit Varki, který dnes patří k největším světovým odborníkům na cukry a jejich úlohu v životě buněk.
„To, že se nějaký gen během evoluce člověka velmi rychle měnil, ale ještě neznamená, že sehrál významnou roli při evoluci lidského mozku,“ dodává Xun Gu.
Opiát vlastní výroby
„Rychlých“ genů, u který máme tušení, co v mozku dělají, je skutečně jen pár. Patří k nim například gen ASPM, jehož porucha vyvolává chorobné zmenšení mozku. Pokud je v lidském mozku méně bílkoviny tvořené podle genu ASPM, je narušeno dělení buněk a silně klesá tvorba nových neuronů. Není tedy divu, že pak mozek nedorůstá obvyklé velikosti a výsledkem je mikrocefalie.
Další z genů, který mohl přispět k vývoji lidského mozku, se skrývá za označením PDYN. Vzniká podle něj bílkovina prodynorfin, z níž si nervové buňky mozku vyrábějí molekuly dynorfinu, nejsilnějšího tělesného opiátu.
Tato látka je tvořena krátkým řetězcem aminokyselin a patří do široké rodiny takzvaných endogenních opioidních peptidů. Za tímto učeným názvem se skrývají molekuly, které si naše tělo samo vytváří a které přitom mají podobný účinek jako opiáty získávané z rostlin. Dynorfin se váže v mozku na stejná místa jako morfin izolovaný z máku. Sehrává v mozku řadu významných rolí. Podílí se na příjmu informací získaných prostřednictvím smyslů, tlumí bolest, řídí rozmnožování, reguluje učení a paměť.
Proč se geny vypínají?
Gen PDYN člověka, šimpanze či makaka se prakticky neliší. Všichni tito tvorové používají k zapínání a vypínání genu PDYN úsek DNA tvořený 68 písmeny genetického kódu. Opice a lidoopi mají tento „vypínač“ jen jeden. Člověk je však vybaven hned čtyřmi kopiemi „vypínače“. Lidský mozek je díky tomu zaplaven dynorfinem.
Pokud vědci vybavili lidské neurony jednoduchým šimpanzím „vypínačem“, klesla produkce hladina dynorfinu na zlomek původního objemu. Co však přináší do lidského mozku „opiátová tsunami“ dynorfinu? To vědci stále ještě netuší. I když patří „kauza dynorfin“ k těm nejprozkoumanějším, do „uzavření případu“ zbývá ještě hodně práce.
„Vlastně se ve všech případech o vliv genetických změn na vývoj mozku stále jen dohadujeme,“ přiznává Bruce Lahn. „A v dohledné době se asi situace výrazněji nezmění, protože jsou to velmi složité otázky a my nemůžeme v laboratoři zopakovat evoluční procesy, kterými lidský mozek za posledních několik milionů let prošel.“
Nemocný chudák nebo zdatný trpaslík?
Nález kostí asi metr vysokých lidí, kteří obývali indonéský ostrov Flores ještě před 20 000 roky, vyvolal mezi vědci bouřlivé spory. S největší intenzitou vzplály vášně při diskusích o mozku těchto podivuhodných bytostí. Ten dosahoval velikosti grapefruitu a byl tak srovnatelný s mozkem šimpanzů.
Podle jedněch vědců byl člověk floréský (Homo floresiensis) samostatným druhem malého pravěkého člověka. Navzdory malému mozku byl velmi inteligentní, což dokazoval například výrobou velmi důmyslných kamenných nástrojů. Podle jiných expertů však netvořili „hobiti“ samostatný druh. Měli to být příslušníci druhu Homo sapiens, postižení těžkou dědičnou vadou zvanou mikrocefalie. Vlastně jen jacísi pravěcí chudáci.
Podobný spor zavládl před půldruhým stoletím po nálezu kostí neandrtálského člověka nedaleko německého Düselfdorfu. Na jedné straně stáli zastánci neandrtálce jako samostatného druhu pravěkého člověka. Na druhé pak vyznavači teorie, podle které patřily nalezené kosti jedinci zdeformovanému těžkými chorobami.
Spor o hobita by mohla rozhodnout analýza DNA. Kromě jiného by pomohly analýzy genů, jejichž poškození vyvolává mikrocefalii. Nesl hobit ve své dědičné informaci poškozené geny a nebo měl tyto úseky DNA v pořádku? Bohužel, to se v dohledné době asi nedozvíme. Kosti floréského člověka totiž ležely ve velmi vlhkém prostředí a DNA se v nich nedochovala.
Vyvíjíme se, a nebo ne?
O tom, že se člověk vyvinul z australopiteků už dneska nikdo nepochybuje. Otevřenou otázkou zůstává, zda se naše evoluce zastavila, nebo zda pokračuje dál. Genetici totiž v poslední době získali řadu přesvědčivých důkazů o tom, že naše dědičná informace reaguje na změny v životních podmínkách. Názorným příkladem je gen pro enzym, kterým kojenci rozkládají mléčný cukr laktózu z mateřského mléka a který dospělým lidem přestával fungovat.
Před 9000 roky lidé domestikovali skot. Zpočátku přinášel chov dobytka do jídelníčku našich předků hlavně hovězí maso. Jenže pak se ukázalo, že vydatným zdrojem živin, např. tuku, bílkovin či vápníku, je i mléko. A najednou bylo výhodné, aby lidé uměli trávit mléčný cukr i v dospělosti, protože na nestrávené laktóze se zběsile množily střevní bakterie a vyvolávaly u prvních pijáků kravského mléka silný břichabol.
V Evropě se rozšířilo pití mléka díky mutaci, kterou si přinesli s sebou chovatelé skotu, pocházející z oblasti Uralu. V Africe se schopnost trávit i v dospělosti mléčný cukr vyvinula u pasteveckých kmenů hned třikrát nezávisle na sobě. Některé kmeny mají trávení laktózy „pojištěno“ tím, že zdědily všechny tři změny dědičné informace, i když pijákům mléka úplně stačí i jedna.
Další změny lidské DNA se prosadily pod tlakem vážných infekčních chorob. Mezi lidmi se rozšířily například mutace zvyšující odolnost proti malárii. V poslední době se zřejmě podobným způsobem uplatní mutace DNA, které zvyšují odolnost k původci AIDS viru HIV.
Jak pracuje gen?
Gen si můžeme představit jako originální plán pro výrobu bílkoviny. Geny jsou uloženy v DNA. Celkem tvoří lidskou DNA více než tři miliardy písmen genetického kódu. Geny v ní zabírají jen malou část, necelá dvě procenta. Odhaduje se, že člověka má asi 23 500 genů.
V jádru buňky se podle instrukce genu vytvoří molekula ribonukleové kyseliny. Ta opustí jádro a v cytoplasmě buňky se podle ní vyrobí bílkovinná molekula. Ta slouží buď jako materiál na výstavbu buňky, nebo jako „nástroj“ na výrobu jiných látek. Bílkovina může fungovat i jako signální molekula přenášející povely v těle. To je role některých bílkovinných hormonů.
Některé molekuly ribonukleové kyseliny však nejsou určeny jako „výrobní výkres“ k tvorbě bílkoviny. Tyto molekuly ribonukleové kyseliny mohou řídit práci genů. Buď gen tlumí nebo jej naopak nabudí. DNA, podle které se vyrábějí tyto regulační molekuly ribonukleové kyseliny, je mnohem rozsáhlejší než úseky DNA určené pro kódování bílkovin.
Lidský mozek plave!
Lidský mozek má v průměru objem 1600 kubických centimetrů. U dospělých lidí spotřebovává 20 až 25% energie, kterou tělo spálí. U dětí je to až 60% veškeré energie. Mozek mužů má asi o 4% více buněk, což představuje asi 100 gramů nervové tkáně.
Mozek je chráněn tzv. mozkomíšním mokem, kterého lidské tělo vyprodukuje denně kolem 0,5 litru. Celkem se nachází v lidském těle asi 150 kubických centimetrů mozkomíšního moku a z něj je jen 15% v nitru mozku v tzv. mozkových komorách. Zbytek mozkomíšního moku slouží mozku jako „vodní lázeň“. To má celkem zajímavý důsledek. Mozek se totiž chová jako „těleso ponořené do kapaliny“ a jako takové se řídí Archimédovým zákonem, kdy je nadlehčován silou, která se rovná tíze mozkomíšního moku vytlačeného mozkem. Ta síla rozhodně není zanedbatelná. I když na suchu váží lidský mozek kolem 1,5 kilogramu, v naší lebce v lázni z mozkomíšního moku váží pouhých 50 gramů.
