Graham Lawton
Z www.newscientist.com přeložil M. T. – 02/2009. Vyšlo 21. ledna 2009, New Scientist.
V ČERVENCI 1837 měl Charles Darwin záblesk inspirace. Ve své pracovně v domě v Londýně nalistoval novou stránku ve svém červeném koženém zápisníku a napsal „Myslím si“. Pak nakreslil protáhlý obrys stromu.
Strom života
Pokud víme, bylo to poprvé, kdy si Darwin pohrával s myšlenkou „stromu života“, který by vysvětlil evoluční vztahy mezi různými druhy. Ukázalo se, že jde o myšlenku plodnou: když o 22 let později zveřejnil své dílo O původu druhů, vyrostl Darwinův protáhlý strom do mohutného dubu. Kniha obsahuje četné odvolávky na onen strom a její jedinou ilustrací je rozvětvená struktura, která ukazuje, jak se z jednoho druhu může vyvinout druhů mnoho.
Příbuznosti všech tvorů téže třídy jsou někdy znázorňovány jako velký strom. Věřím, že toto podobenství odpovídá do značné míry pravdě…
Koncept stromu života byl ústřední Darwinovou myšlenkou a měl stejnou důležitost jako přírodní výběr, podle biologa W. Forda Doolittla z univerzity Dalhousie v Halifaxu, Nova Scotia, Kanada. Bez něho by se teorie evoluce nikdy nezrodila. Onen strom také pomohl evoluci zvítězit. Darwin úspěšně tvrdil, že strom života je přírodním jevem, že ho mohou pozorovat všichni, ačkoli potřebuje komentář. Vysvětlení, s nímž přišel, byla evoluce cestou přírodního výběru.
Od Darwinovy doby představuje tento strom jednotící princip pro porozumění dějinám života na Zemi. Jeho základem je LUCA (the Last Universal Common Ancestor), poslední univerzální společný předek všech živých tvorů, a z LUCA vyrůstá kmen, který se neustále dále větví a tvoří obrovský, vidlicovitě se rozbíhající strom. Každá větvička představuje jediný druh; k rozvětvení pak dochází tam, kde se z jednoho druhu stávají dva. Většina větví nakonec končí slepě, když druh vymře, některé však dorostou až k vrcholu – to jsou druhy žijící. Strom je tak zprávou o tom, jak je kterýkoli druh, který kdy žil, spřízněn se všemi ostatními až zpátky k původu života.
…Zelené a pučící ratolesti mohou představovat existující druhy, a větvičky vytvořené každým předcházejícím rokem mohou představovat dlouhou řadu druhů vymřelých.
Po valnou část z uplynulých 150 let se biologie do značné míry soustřeďovala na doplňování podrobností stromu. „Dlouho bylo svatým grálem budování stromu života“, říká Eric Bapteste, evoluční biolog na univerzitě Pierra a Marie Curieových v Paříži, Francie. Před několika lety to vypadalo, jako by byl grál na dosah. Dnes však jsou z celého projektu cáry, rozervané pod náporem negativních důkazů. Mnoho biologů nyní tvrdí, že koncept stromu je zastaralý a je třeba ho zavrhnout. „Nemáme vůbec žádné důkazy o tom, že strom života je skutečností“, říká Bapteste. Tahle bomba dokonce některé vědce přesvědčila o tom, že musíme změnit samotné základní pojetí biologie.
Takže k čemu došlo?
V kostce, DNA. Objev struktury DNA roku 1953 otevřel evoluční biologii nové horizonty. Zde jsme měli konečně k dispozici podstatnou látku dědičnosti, do níž byla jistě zapsána historie života, jen kdybychom věděli, jak ji rozluštit. Tak se zrodil obor molekulární evoluce, a když začaly být k dispozici techniky ke čtení sekvencí DNA i jiných biomolekul jako třeba RNA a proteinů, začínali průkopníci tohoto pojetí věřit, že poskytnou kladné důkazy o Darwinově stromu života. Základní myšlenka byla prostá: čím blíže příbuzné dva druhy jsou (či čím později se štěpí jejich větve na stromě), tím by měly být podobnější sekvence jejich DNA, RNA a proteinů.
Začalo to dobře. Prvními sekvenovanými molekulami byly RNA přítomné v ribozomech, aparátech buňky k tvorbě bílkovin. V 70. letech 20. století začali molekulární biologové načrtávat obrysy stromu srovnáváním sekvencí RNA z různých rostlin, zvířat a mikroorganizmů. Vedlo to kromě jiných úspěchů k nečekanému objevu dříve neznámé velké větve stromu života, jednobuněčných archeí, o nichž se dříve soudilo, že jde o bakterie.
Archaea = organismy představující zbytky nejstarších vývojových stupňů živých organismů; jsou zvláštní vývojovou větví ve srovnání s ostatními živými organismy. Mají biochemické odchylky, např. mimořádné složení lipidů, a tím i složení buněčných membrán. Jsou to převážně mikroorganismy půdní a vodní. Vyskytují se za přísně anaerobních a jinak extrémních podmínek (vysoká teplota, vysoký osmotický tlak). Zahrnují chemolitotrofy nebo chemoorganotrofy a mixotrofy. Řadíme sem organismy methanogenní, extrémně halofilní, extrémně termofilní. Patří sem i termoplazmy a termokoky (pozn. překl.).
V polovině 80. let 20. století vládl velký optimizmus ohledně toho, že molekulární techniky nakonec odhalí univerzální strom života ve vší své slávě. Ironií osudu se však stal pravý opak.
Problémy začaly počátkem 90. let, kdy začínalo být možné sekvenovat vlastní geny bakterií a archeí, ne jen pouze RNA. Všichni očekávali, že tyhle sekvence DNA potvrdí strom RNA, a někdy tomu tak skutečně bylo, avšak, a v tom je problém, občas tomu tak nebylo. Například mohla RNA napovídat, že druh A je blíže příbuzný s druhem B než druh C, avšak strom vytvořený z DNA napovídal opak.
Co bylo správné? Paradoxně obojí – ale jedině za předpokladu, že hlavní premisa, o niž se opíral Darwinův strom, je chybná. Darwin měl za to, že rodokmen je výlučně „vertikální“, s organizmy předávajícími své znaky potomstvu. Ale co když si druhy také běžně vyměňovaly genetický materiál mezi sebou, čili tvořily hybridy? Pak by onen pěkný rozvětvený vzor rychle zdegeneroval v neprostupnou houštinu vzájemné provázanosti, s druhy blízce příbuznými v některých ohledech, ale ne v jiných.
Nyní víme, že přesně k tomu dochází. Jak bylo sekvenováno více a více genů, stávalo se jasnějším, že vzory příbuznosti mohou být vysvětleny jedině tehdy, pokud si bakterie a archee běžně vyměňují genetický materiál s druhy jinými – často přes obrovské taxonomické vzdálenosti – v procesu zvaném horizontální přenos genů (HGT).
Nejprve se předpokládalo, že HGT je zanedbatelným faktorem, který mění pouze „občasné okrajové“ funkce jako je odolnost vůči antibiotikům. Stále se myslelo, že ústřední biologické funkce jako třeba replikace DNA a syntéza bílkovin, jsou předávány vertikálně. Na chvíli to umožnilo evolučním biologům přijmout HGT, aniž by dávali v sázku milovaný strom života; HGT byl pouze šumem stírajícím jeho vnější obrysy. Nyní víme, že je tohle pojetí nesprávné. „Existuje všeobecná výměna genetické informace mezi různými skupinami“, říká Michael Rose, evoluční biolog na Kalifornské univerzitě v Irvinu.
Od stromu k síti
Když bylo jasné, že HGT je podstatným faktorem, začali biologové uznávat důsledky tohoto faktu pro koncept stromu. Už roku 1993 někteří navrhovali, aby pro bakterie a archee byl strom života změněn na síť. Roku 1999 pronesl Doolittle provokativní tvrzení, že „dějiny života nemohou být správně znázorňovány jako strom“ (Science, roč. 284, str. 2124). „Strom života není něčím, co existuje v přírodě, je to způsob, jak lidé přírodu třídí“, říká.
Tak začala konečná bitva o strom. Mnoho badatelů trvalo rezolutně na svém a vytvářelo stále rafinovanější počítačové programy, aby se prokousali šumem a zachránili ten Jediný Pravý Strom. Další argumentovali stejně naléhavě v tom smyslu, že celé hledání je donkichotské a mělo by se od něj upustit.
Bitva vyvrcholila roku 2006. V ambiciózní studii prozkoumal tým vedený Peerem Borkem z Evropské laboratoře pro molekulární biologii v Heidelbergu, Německo, 191 sekvenovaných genomů ze všech tří říší života – bakterií, archeí a eukaryot (složitých organizmů s genetickým materiálem uloženým v jádře) – a identifikoval 31 genů, které byly společné všem těmto druhům a které nevykazovaly známky toho, že by kdy byly přeneseny horizontálně. Pak sestavili tito vědci strom jako výsledek srovnávání sekvencí těchto „ústředních“ genů ve všem od E. coli po slony. Výsledkem byl obraz, který se nejvíce podobal perfektnímu stromu ze všech dosud navrhovaných, jak tvrdil Bork (Science, roč. 311, str. 1283).
Jiní badatelé si dovolovali odporovat. Mezi nimi byli Tal Dagan a William Martin na univerzitě Heinricha Heineho v Düsseldorfu, Německo, kteří poukazovali na to, že v početním vyjádření je skupina 31 genů téměř zanedbatelná, protože představuje pouhé 1 procento typického genomu bakterie a kolem 0.1 procenta genomu zvířecího. To sotva vydá na mohutný dub či jen pouhý křehký semenáček – spíše jen na tenkou větvičku zcela pohřbenou v obří síti. Dagan nazval Borkův výsledek „stromem 1 procenta“ a měl za to, že ona studie bezděky poskytla jeden z nejlepších dosavadních důkazů pro to, že koncept stromu života je překonaný (Genome Biology, roč. 7, str. 118).
I dnes zůstává debata polarizovaná. Borkova skupina pokračuje v práci na stromu života a Bork stále tento koncept obhajuje. „Náš názor je ano, existují spousty příkladů HGT, ale většina genů obsahuje tenhle signál stromu“, říká Bork. Skutečným problémem je, že naše techniky ještě nejsou dost dobré na to, aby tento signál vypáčily, říká.
Zatím ti, kdo by strom života mohli porazit, získávají nové poznatky. Byl například pevně stanoven skutečný rozsah HGT u bakterií a archeí (společně známých jako prokaryota). Dagan a jeho kolegové loni prozkoumali více než půl milionu genů ze 181 prokaryot a zjistili, že 80 procent z nich vykazuje známky horizontálního přenosu (Zprávy National Academy of Sciences, roč. 105, str. 10039).
Překvapivě se též ukazuje, že HGT je spíše pravidlem než výjimkou ve třetí velké říši života, u eukaryot. Pro začátek je stále více přijímán názor, že eukaryota vznikala splynutím dvou prokaryot, jednoho bakteriálního a druhého archeálního, což činí z této části stromu spíše kruh než větev (Nature, roč. 41, str. 152).
Čistý obraz rozvětveného stromu je dále rozmazáván procesem zvaným endosymbióza. Předpokládá se, že v rané fázi své evoluce pohlcovala eukaryota dvě samostatně žijící prokaryota. Z jednoho pak vznikaly buněčné generátory energie zvané mitochondrie, zatímco druhé bylo předchůdcem chloroplastů, v nichž dochází k fotosyntéze. Tyto „endosymbionty“ později přeměňovaly velké kusy svých genomů v genomy svých eukaryotních hostitelů, čímž se vytvářely genomy hybridní. A jako kdyby to nebylo dosti komplikované, některé rané eukaryotní rody zřejmě polykaly jeden druhý a spojovaly své genomy, čímž vytvářely ještě další vrstvu horizontálního přenosu (Trends in Ecology and Evolution, roč. 23, str. 268).
Tento genetický volný trh pokračuje dodnes. Velkou většinu eukaryotních druhů tvoří jednobuněční – měňavky, řasy i zbytek toho, co bývalo označováno jako „protisté“ (Journal of Systematics and Evolution, roč. 46, str. 263). Tihle mikroskopičtí tvorečkové připomínají svým způsobem života prokaryota a, podle Jana Anderssona z univerzity v Uppsale ve Švédsku, jejich podíly HGT jsou často srovnatelné s podílem HGT u bakterií. Čím více toho víme o mikrobech, tím jasnější je nám fakt, že dějiny života nemůže přiměřeně znázorňovat strom.
Počkej, pomyslíte si možná. Mikrobi si třeba vyměňují geny doleva, vpravo i uprostřed, co na tom? Přece jen, materiál, o který nám jde – zvířata a rostliny – mohou být bez problémů znázorňovány jako strom, tak co?
Tedy, pro začátek, biologie je vědou o životě, a na první pohled je život jednobuněčný. Mikrobi žijí na Zemi nejméně 3.8 miliardy let; mnohobuněčné organizmy se objevily teprve asi před 630 miliony let. I dnes tvoří bakterie, archee a jednobuněčná eukaryota nejméně 90 procent všech známých druhů, a v pouhém početním vyjádření jsou téměř všechny živé organizmy na Zemi mikrobi. Bylo by zvrácené tvrdit, že evoluce života na Zemi připomíná strom jen proto, že se mnohobuněčný život vyvíjel tímto způsobem. „Existuje-li strom života, jde o malou anomální strukturu vyrůstající ze sítě života“, říká John Dupré, filozof biologie na univerzitě v Exeteru, Velká Británie.
A co je ještě důležitější, současný výzkum naznačuje, že ani evoluce zvířat a rostlin nepřipomíná přesně strom. „Existují problémy dokonce i v tomto malém koutku“, říká Dupré. Poté, co vyvrátili strom jednobuněčného života, chystají si biologové nyní sekyry i na zbývající větve.
Hybridizace hraje například zřejmě důležitou úlohu v evoluci rostlin. Podle Lorena Rieseberga, botanika na univerzitě Britské Kolumbie ve Vancouveru, Kanada, je asi 14 procent žijících rostlinných druhů výsledkem spojení dvou samostatných rodů.
Hybridní lidé
Někteří badatelé jsou též přesvědčeni, že hybridizace byla hlavní hnací silou v evoluci zvířat (viz „Natural born chimeras“ – /Přirozeně narozené chiméry/ a „Two into one“ – /Dva do jediného/) a že tenhle proces pokračuje. „Jde skutečně o běžný jev“, říká James Mallet, evoluční biolog v ústavu University College v Londýně. „Deset procent všech zvířat se pravidelně kříží s jinými druhy.“ Platí to zejména pro rychle se vyvíjející rody s mnoha nedávno oddělenými druhy – včetně našeho vlastního. Existují důkazy, že se raní moderní lidé křížili s našimi vymřelými příbuznými jako třeba Homo erectus a neandertálci (Philosophical Transactions of the Royal Society B, roč. 363, str. 2813).
Hybridizace přitom není jedinou silou, která podkopává strom mnohobuněčného života; je čím dále zřejmější, že také HGT hraje u zvířat nečekaně velkou úlohu. S tím, jak vědci sekvenují stále více mnohobuněčných genomů, vynořuje se stále více nesouvislých kousků DNA. Například loni nalezl tým na Texaské univerzitě v Arlingtonu zvláštní delší úsek DNA v genomech osmi zvířat – myši, krysy, komby, netopýra hnědavého, bodlína bezocasého, vačice, ještěrky a africké drápatky – , ale nikoli u 25 dalších, včetně lidí, slonů, drůbeže a ryb. Tohle nepravidelné rozdělení naznačuje, že ona sekvence se musela dostat do každého genomu nezávisle horizontálním přenosem (Zprávy National Academy of Sciences, roč. 105, str. 17023).
Další případy HGT u mnohobuněčných organizmů se jen hrnou. HGT byl zjištěn u hmyzu, ryb i rostlin a před několika lety byl nalezen kousek hadí DNA u krav. Nejpravděpodobnějšími prostředníky tohoto genetického smíchávání jsou viry, které neustále ukrajují a nalepují DNA z jednoho genomu na další, často na velké taxonomické vzdálenosti. Dokonce podle některých výpočtů je 40 až 50 procent lidského genomu tvořeno DNA importovanou horizontálně viry, přičemž některé tyto sekvence jsou odpovědné za životně důležité biologické funkce (New Scientist, 27. srpna 2008, str. 38). Totéž patrně platí pro genomy dalších velkých zvířat. „Četnost horizontálních přenosů u zvířat není tak značná jako u mikrobů, ale může být evolučně významná“, říká Bapteste.
Nikdo netvrdí – zatím – že koncept stromu neprokázal svou použitelnost u zvířat a rostlin. I když už není vertikální rodokmen jediným konceptem ve hře, stále je to ten nejlepší způsob, jak vysvětlit vztahy mezi mnohobuněčnými organizmy – strom 51 procent, možná. V tomto ohledu Darwinova vize triumfovala: nevěděl nic o mikroorganizmech a postavil svou teorii na rostlinách a zvířatech, která viděl kolem sebe.
Přesto je jasné, že darwinovský strom už není přiměřeným popisem toho, jak evoluce obecně funguje. „Nemáte-li strom života, co to znamená pro evoluční biologii?“ ptá se Bapteste. „Nejprve je to velmi děsivé…v uplynulých dvou letech však lidé začali myslet svobodně“. Jak on tak Doolittle výslovně zdůrazňují, že degradace stromu života neznamená, že evoluční teorie je chybná – jde pouze o to, že evoluce není tak úhledná, jak bychom rádi věřili. Některé evoluční vztahy strom připomínají; mnohé další ne. „Měli bychom se s tímto konstatováním na chvíli spokojit“, říká Doolittle. „Rozumíme evoluci docela dobře – jde pouze o to, že je složitější než si Darwin představoval. Strom není jejím jediným obrazem“.
Jiní vědci si však nemyslí, že je čas se s tím spokojit. Místo toho chápou vyvrácení stromu života jako počátek čehosi většího. „Jde o součást revoluční změny v biologii“, říká Dupré. „Náš standardní model evoluce je pod enormním tlakem. Je jasné, že se napříště hodláme dívat na evoluci jako na záležitost splývání a spolupráce spíše než změny v rámci izolovaných rodů“.
Rose zachází ještě dále. „Strom života je elegantně pohřbíván, my všichni to víme“, říká. „To, co je už méně přijímáno, je fakt, že se musí změnit celé naše základní pojetí biologie.“ Biologie je podstatně složitější než jsme si mysleli, říká, a uznat tuhle složitost bude tak děsivé jako zásadní převraty, s nimiž se museli vyrovnat fyzici počátkem 20. století.
Má-li pravdu, pak by se mohla myšlenka stromu stát biologickým ekvivalentem newtonovské mechaniky: revoluční a velmi úspěšná ve své době, ale vposledku příliš zjednodušující na to, aby se vypořádala s chaotickým reálným světem. „Strom života byl užitečný“, říká Bapteste. „Pomohl nám pochopit, že evoluce je reálná. Nyní však víme o evoluci více, je čas vykročit dále.“