Problém vývoje stavebních plánů těl zvířat
(Z www.evolutionnews.org přeložil Pavel Kábrt – 05/2015. Článek vyšel na stránkách Evoluční novinky)
(Článek v originále nese název „Heads or Tails: The Problem of Evolving Animal Body Plans“. Název je dvojsmyslný, protože „head“ a „tail“ znamená v angličtině nejen hlavu a ocas, ale také dvě strany jedné mince, panna/orel či rub/líc, takže by se to dalo přeložit i jako „Rub a líc: problém vyvíjejících se tělních plánů zvířat“ – pozn. PK)
Téměř všechna zvířata, která známe, mají v určité etapě svých životů dvojstrannou (bilaterální) symetrii, čili mají pravou a levou půlku, které jsou navzájem zrcadlovými obrazy. Tito tvorové mají také hlavu a ocas, tedy svůj vršek a spodek. Odborně se osové rozložení popisuje jako anteriorní/posteriorní (A/P) a dorzální/ventrální (D/V). (neboli A=přední/hrudní; P=zadní; D=vrchní/hřbetní; V=spodní/břišní – pozn. PK) Výjimku tvoří tvorové, jako jsou houby, medúzy, mořské sasanky a malí tvorové jako je Volvox (řasa), o které jsem psala minulý týden (anglicky zde).
Dokonce i jednoduší malí červi, jako je C. elegans, mají svoje osy A/P a D/V, jenže to, jak se tyto osy konkrétně utvářejí během stavby červa, to má od jednoduchosti hodně daleko. Tento proces zahrnuje zhruba následné biochemické dráhy:
Tento diagram jsem zevšeobecnila pro popis všech signalizačních drah. Konkrétní detaily se liší organizmus od organizmu, situace od situace. V červu C. elegans, jak je ukázáno na videu Discovery Institutu s názvem „Jak sestrojit červa“ (viz níže), je tím podnětem vniknutí spermie na jednom konci do vajíčka. To spustí signál – v případě C. elegans jde o tvorbu asymetrické uspořádanosti mikrotubulů – strukturních prvků v buněčném dělení. Asymetrické uspořádání mikrotubulů vypůsobí vlnu kortikálních (vnějších) stahů, které přeskupí protein v cytoplazmě do kortexu. (Kortex je oblast cytoplazmy hned pod buněčnou membránou, bohatá na strukturní proteiny působící pohyb a při vývoji molekul senzorů.)
Tento protein pak způsobí změny v dalších proteinech sídlících v kortexu. Asymetrické přerozdělení těchto proteinů představuje v diagramu přijímač. Poté asymetrické dělení buňky, způsobené asymetrickými mikrotubulemi, odděluje proteiny do různých buněk. Toto dělení je v diagramu naznačeno dvěma krátkými horizontálními čarami pod obdélníkem „přijímač“.
V červu se nyní vytvořila osa A/P. Oddělené proteiny pokračují dál, aby různými způsoby ovlivnily níže umístěné cíle (terče). To, jak jsou cílové molekuly ovlivněny, určuje osudy všech budoucích buněk, které pochází z oněch dvou počátečních buněk, včetně toho, které z nich budou buňkami dorzálními a které ventrálními. Přejete-li si znát více detailů, přečtěte si učebnici Scotta Gilberta Vývojová biologie (V angličtině ke koupi zde: Developmental Biology).
Vývoj všech dvoustranně symetrických živočichů vyžaduje signalizační sítě. Na základě určitého podnětu je vyslán signál, je přijat a dojde k určité změně, a tak se to děje znovu a znovu. Můžeme pozorovat vývojovou kaskádu, která vyvrcholí do popisu „Jak sestrojit červa.“
Jak ukazuje video, signalizační kaskáda vede k produkci mnoha typů buněk, které jsou uspořádány do charakteristického vzoru, kterým je C. elegans. Detaily se liší organizmus od organizmu – když se buňky dělí, když jsou posílány signály – ale všichni dvoustranně symetričtí tvorové používají do určité míry stejný proces k vytvoření svých tělních plánů a k tomu, jaké typy buněk se mají vytvořit.
I když signální dráhu zredukujeme na tu nejjednodušší rovinu, bude pořád zahrnovat podnět k vypůsobení signálu, který má být odeslán a přijat. Podnět nebude mít žádný užitek, pokud nespustí signál, který může být přijat a který může vypůsobit na své cestě další účinky. A tohle je třeba mít k dispozici hned na začátku, vytvořit buňky s různými budoucími osudy, což vyžaduje současnou existenci minimálně tří molekul, aby to fungovalo. Uspořádat takovou biochemickou dráhu by vyžadovalo spoustu času, ale měl by výsledek nějakou selekční výhodu? V žádném případě, dokud tu nebude více biochemických drah, působících pohyb ve směru nějakého zdroje, nebo pokud jim není přiřazena speciální funkce pro určité buňky, které by prospívaly celku.
Tyhle signalizační dráhy časově předcházejí živočichům, které je dnes používají. Na základě analýz genomů víme, že tyto signální molekuly tu byly dávno předtím, než kdy existovali nějací dvoustranně symetričtí živočichové. Jsou vyjádřeny v organizmech, které zcela postrádají toto uspořádání těla podél osy. Co je ještě více překvapivé, mnohé molekuly, které jsou používány k vytvoření složitých struktur, jako jsou svaly, oči a mozky, rovněž časově předcházejí svému použití pro tyto účely.
Nač byly tyto signální molekuly používány předtím, než tu bylo cosi pravé a levé, horní a dolní, hlava a ocas? Jak se tu vůbec mohly vyskytnout a proč vydržely až do té doby, kdy už pak mohly být kooptovány pro vytvoření tělních os? Jedním z návrhů je, že byly používány k tvorbě tělních úseků v nejranějším mnohobuněčném tvorovi – jenže tohle jen posunuje otázku o jeden krok zpět. Odkud ono použití přišlo? Jak vznikly tyto signální dráhy?
Těmito otázkami zakončuji řadu, ve které jsem ukázala na bílá místa evolucionistického myšlení – jak vysvětlit evoluci C. elegans. Nejprve máme problém, odkud se vzala buňka, pak odkud se vzala eukaryotická buňka, pak kde se tu vzal mnohobuněčný tvor, a nyní problém, kde se tu vzala buňka rozlišující hlavu, ocas a řadu buněčných typů. Pokud někdo řekne, že C. elegans všechny tyto problémy nemusel řešit najednou, tak se jen snaží tvrdit, že tyto problémy jsou snazší, když se berou jeden po druhém. Ne, nejsou.