V individuálním vývoji jedince existuje fáze, v níž je embryo např. člověka a ryby prakticky k nerozeznání, zatímco před a zejména po této fázi si je nesplete ani malé dítě. S objasněním tohoto jevu na úrovni genů a molekul přišel nedávno vědecký tým z Institutu Maxe Plancka v Drážďanech, jehož vedoucím je český vědec Pavel Tomančák.

Propojení genetiky, srovnávací embryologie a evoluční teorie vykolíkovalo hřiště, na němž se odehrává hra, které současní biologové přezdívají »evo-devo syntéza«. V Institutu Maxe Plancka pro molekulární buněčnou biologii a genetiku v Drážďanech nedávno udělali pro lepší poznání těchto procesů velký krok kupředu.

Podařilo se jim přesvědčivě ukázat, jak se v průběhu rané evoluce živočichů doplňovaly dva její základní motory: projevy genů a darwinovský přírodní výběr. Evoluční teorii se díky jejich práci dostalo tak významné podpory, že se zpráva o jejich úspěchu dostala dokonce na přebal nejprestižnějšího vědeckého časopisu Nature.

Přesýpací hodiny v embryologii

Díky práci dvou velkých německých embryologů, Karla von Baera (1782–1876) a zejména Ernsta Haeckela (1834–1919), vědci dostali do rukou řadu důkazů o tom, že tělní plány živočichů, kteří patří do jednoho živočišného kmene (např. členovci, strunatci atd.), jsou v jistých fázích embryonálního vývoje vzájemně k nerozeznání a rozrůzňují se teprve později.

O více než 150 let později byl tento pohled rozšířen o poznatek, že nejranější stadia vývoje embrya různých druhů v rámci kmene se velmi různí, a teprve poté nastává takzvané »fylotypové stadium« (z fyllum = řecky »kmen«) výrazné anatomické podobnosti, jak je popsali Haeckel a von Baer.

Cest k fylotypovému stadiu může být celá řada, stejně jako cest od něj dále. Pouze v tomto stadiu však bude zárodek kopinatce, mihule, kuřete a člověka k nerozeznání. Vývoj jedinců ze stejného kmene tedy připomíná jakési »přesýpací hodiny«.

Nový kabátek pro starou myšlenku

A jakou souvislost má studium zárodků s evolucí, jejíž průběh můžeme sledovat díky fosiliím?

Paleontologové již dlouho poukazují na to, že během poměrně krátkého období na počátku prvohor (v kambriu) došlo z hlediska geologického času k velmi rychlému rozrůznění tělních plánů živočichů, tedy k »náhlému« objevu řady živočišných kmenů.

Ačkoliv se zástupci jednotlivých kmenů v průběhu času velmi rozrůznili (představme si např. různé obratlovce jako např. rybu, myš nebo slona), jejich fylotypové stadium zůstalo víceméně zachováno.

Mnozí vědci však varovně zdvihají prst! Myšlenka fylotypového stadia je přece založena na »pouhém pozorování« zárodků různých druhů živočichů. Do takového pozorování se však může až příliš snadno vloudit subjektivní názor, který nemá ve skutečné vědě co dělat.

Skupina drážďanských biologů pod vedením Pavla Tomančáka si proto předsevzala, že se pokusí ušít této myšlence slušivý kabátek pomocí moderních metod tzv. kvantitativní genomiky, která kombinuje molekulárně-biologická data s přesnou matematickou analýzou.

Tisíce a tisíce měření

Polská bioložka Karolina Varga, která ve skupině Pavla Tomančáka pracuje, se rozhodla použít pro výzkumy organismy, jež jsou ve světě genetiků jako doma – mušky octomilky. Namísto práce s jedním obvyklým druhem, kterým je Drosophila melanogaster, si však kvůli srovnání vybrala příbuzných druhů rovnou šest.

Podle dřívějších zjištění se evoluční cesty těchto druhů rozešly již před 40 miliony let. Práce, kterou tým při studiu mušek vykonal, byla obrovská. „Celkově jsme měřili míru genové exprese u 3019 genů v nejméně osmi různých stadiích embryogeneze u šesti druhů, a to vše třikrát kvůli statistice, celkem tedy více než 75 000 měření.

Naším cílem bylo srovnat expresi genů mezi druhy před, v průběhu a po fylotypovém stadiu,“ vysvětluje Pavel Tomančák.

21. STOLETÍ vysvětluje:

Co je to genová exprese?

Na otázku, co je to vlastně gen, kupodivu neexistuje jednoznačná odpověď. Molekulární genetici, kteří geny studují, si proto často vypomáhají jednoduchou definicí. Gen je pro ně smysluplná část DNA, která kóduje alespoň část budoucího proteinu (bílkoviny).

Genová exprese je tedy doslova »vyjádření« genu, tedy velmi složitý proces od informace uložené v DNA po funkční biologickou strukturu.

Znovuobjevená křižovatka

Komplikovaná cesta matematické analýzy obrovského množství dat nakonec ukázala, že vývoj všech šesti druhů skutečně prošel cestou, kterou lze bez rozpaků k »přesýpacím hodinám« přirovnat.

Genová exprese byla u všech druhů nejpodobnější ve fázi »rozšířené břišní zárodečné pásky« (extended germband), která je již tradičně považována za fylotypové stadium hmyzu.

„Model přesýpacích hodin a fylotypové stadium tedy nejsou produktem bujné představivosti embryologů, ale skutečným biologickým fenoménem, který definuje kmeny živočichů a omezuje jejich rozrůznění v průběhu evolučního procesu,“ shrnuje výsledky mravenčí práce svého týmu Pavel Tomančák.

Pomocná ruka od Charlese Darwina

Vědecká zvídavost však nenechala biology usnout na vavřínech a pudila je hledat pro tento zřetelně nenáhodný jev fylotypového omezení vlastní vysvětlení. A kde jinde by jej měli hledat než v oblasti, která je nejvlastnější doménou biologů, tedy v mechanismech darwinistické evoluce?

Podivuhodná neměnnost fylotypového stadia byla podle jejich modelů výsledkem jistého typu přírodního výběru, který evoluční biologové nazývají »stabilizující selekce«. Tento typ přírodního výběru působí tak, že z populace odstraňuje veškeré odchylky od optimálních hodnot, v tomto případě úrovně genové exprese (?).

S octomilkami do dávné minulosti

„Stabilizační selekce je nejsilnější ve fylotypovém stadiu, což má za následek podobnou genovou expresi a z toho vyplývající neměnnou stavbu těla. Tento tlak pravděpodobně působil v hlubokém davnověku na společného předka všech členovců, mezi které octomilky patří, a působí na ně dodnes,“ dodává celému výzkumu pointu Tomančák.

S trochou nadsázky se tak díky složitým pozorováním a výpočtům podařilo vědcům dostat do rukou jakýsi »stroj času«, díky němuž mohli podniknout cestu do doby před celými 600 miliony let.

Opakování – matka biologické moudrosti?

Zárodky organismů, které si v dospělosti nejsou příliš podobné, si často dokáže splést i trénovaný odborník. Slavný německý biolog Ernst Haeckel (1834–1919) si navíc všiml, že embrya jakoby opakují evoluci celé své skupiny – proto i my, lidé, v jisté fázi vývoje připomínáme např. ryby.

Haeckel zobecnil svá pozorování do bonmotu, že „ontogeneze rekapituluje fylogenezi“, tedy že vývoj jedince je vlastně jakousi „evolucí v malém“. Tato zákonitost, která vešla ve známost jako »Haeckelův rekapitulační zákon« či »biogenetické pravidlo«, zažila během zhruba 150 let od svého vzniku období periodického vyzdvihování a zatracování.

Dnes jsou k ní vědci velmi skeptičtí, a to mimo jiné proto, že se ukázalo, že Haeckel si řadu podobností prostě vymyslel. I přesto však platí, že »na každém šprochu pravdy trochu« a Haeckelovo schéma na smetiště dějin přece jen tak úplně nepatří.

Vztahy mezi ontogenezí a evolucí jsou však podle všeho o poznání složitější, než si Ernst Haeckel představoval.

Kambrická exploze a pestrost života

Když se řekne »kambrická exploze«, rozdělí se evoluční biologové poměrně rychle do dvou táborů. První budou tvrdit, že za »náhlým« objevem většiny živočišných kmenů během prvního období prvohor nestojí nic jiného než naše neschopnost nalézt pro tyto živočichy předky v horninách starších.

Předkambričtí živočichové (tedy zástupci tzv. ediakarské fauny) měli zkrátka těla příliš měkká na to, aby se jim podařilo náležitě »zkamenět«. Vývoj tedy neprošel žádným skokem, nýbrž procházel úplně stejnou cestou jako později – postupným hromaděním drobných změn.

Řada biologů a paleontologů však s tímto názorem nesouhlasí. Podle nich odráží náhlý skok ve fosilním záznamu hlubší povahu evoluce, tedy to, že náhlé a rozsáhlé změny k ní jaksi patří. Jediným pomocníkem k vysvětlení »skoků přírody« však mohou být jen »stroje času« podobné tomu, s nímž pracovali drážďanští vědci.