Co je to Evo Devo?

DEFINICE EVO DEVO

NOVA: Kolem evo devo se strhla mela. V čem spočívá klíčová myšlenka a proč je tak vzrušující?

Cliff Tabin: Evoluční vývojová biologie neboli „evo devo“ je široký pojem, který zahrnuje mnoho věcí. A různí lidé tento termín používají trochu jinak a také to, co je pro ně zajímavé, se liší vědec od vědce.

Pro mě začnu tím, že se podívám na vývojovou stránku. Revoluce ve vývojové biologii a revoluce v biologických vědách jako celku nás dostala do bodu, kdy vlastně můžeme začít chápat, jak geny způsobí, že se embryo zformuje tak, jak se zformuje, proč se vůbec končetina vytvoří, a pak proč je ruka jiná než noha, proč se srdce, které začíná jako trubice uprostřed, složí tak, aby bylo vlevo, a ne vpravo. Začínáme chápat tyto druhy opravdu zásadních otázek, a to je samo o sobě úžasné.

Dostáváme se také do bodu, kdy dokážeme pochopit nejen to, jak vzniká končetina, ale i to, jak lze tento proces změnit vlastně jemnými způsoby tak, že končetina má podobu netopýřího křídla versus lidské ruky versus ploutve. A to je pro mě nesmírně vzrušující.

Takže pro mě je základním aspektem evo devo pochopení toho, jak se vývoj v průběhu evoluce upravuje.

Jedním z klíčových objevů v oblasti evo devo je, jak moc jsou naše geny podobné genům všech ostatních živočichů, že ano? Jedním z nejúžasnějších překvapení za dobu, co se věnuji vědě, bylo zjištění, že geny, které se podílejí na vzniku tak odlišných živočichů, jako je ovocná muška a člověk, jsou v podstatě stejné geny. Když jsme o takových věcech přemýšleli řekněme před 20 lety, museli jsme předpokládat, že geny pro vytvoření ovocné mušky budou obsahovat instrukce pro křídla, tedy geny, které nepotřebujeme. A naopak, že bychom měli geny určené k výrobě lidské končetiny nebo lidského srdce, které by moucha nikdy neměla. Ohromujícím zjištěním bylo, že v prvním přiblížení jsou u obou přítomny stejné geny, které se u obou používají.

Je to ten nejkrásnější proces, když vidíme, jak se objevuje organizace.

Nyní, s odstupem času, si samozřejmě uvědomujeme, že mouchy i lidé jsou živočichové. Měli jsme společného předka. Možná to byla nepopsatelná malá červovitá věc, ale ta malá červovitá věc už měla soubor genů, které odlišovaly její hlavu od ocasu a střeva od srdce. Aby se ten červ vyvinul v mouchu nebo aby se nakonec vyvinul v člověka, byly tyto geny použity různými způsoby, v různých kombinacích, s různým načasováním.

Základní genetická výbava, jak ji nazýváme, byla již u společného předka. A tento soubor genů předků byl dostatečně výkonný a všestranný, aby poskytl materiál pro vznik rozmanitých forem živočišného života, které nyní na Zemi vidíme. To bylo něco, co nikdo nečekal, a díky tomu se studium různých organismů stalo velmi hlubokým. Znamená to, že to, co se dozvíte při studiu vývoje mouchy, má skutečně přímé důsledky pro pochopení způsobu, jakým jsme my sami stvořeni, protože jakkoli se moucha liší od člověka a jakkoli jsme se od sebe dávno oddělili, používáme v podstatě stejné geny ke stejné věci – k tomu, aby se v embryu objevila organizace.

A vy a další biologové jste to nikdy nečekali.

Vsadil bych se o cokoli, že tomu tak nebude. Myslel bych si, že geny, které se podílejí na vzniku mouchy, se budou lišit od těch, které vytvářejí člověka. Také bych si myslel, že k vytvoření člověka bude potřeba mnohem více základních genů v rámci tohoto souboru nástrojů. Myslel bych si, že geny, které použijete ke spuštění tvorby srdce, budou úplně jiné než ty, které použijete k vytvoření kosti, která bude úplně jiná než ty, které použijete k tomu, aby se přední strana embrya lišila od zadní strany embrya, a tak dále.

Ukázalo se, že stejný gen nebo geny se používají stále znovu a znovu, jen různými způsoby a v různých kombinacích s jinými geny v buňce. A používáme něco, co bych na základě své předchozí intuice považoval za směšně malý počet genů.

VŠE O EMBRYU

To, že všichni sdílíme společný soubor genů, je snadno patrné už v embryonálním stadiu, že? Velmi brzy ve svém vývoji vypadají všichni živočichové do značné míry podobně.

Ano. Jednou z věcí, o které se diskutuje už od 19. století, je, že když se podíváte na embrya různých obratlovců – ať už je to ryba, salamandr, žába, kuře, myš nebo člověk – v raných stadiích vypadají velmi podobně. Ve skutečnosti procházejí stadii, kdy jsou téměř k nerozeznání. Seriózní odborník, který se na ně podívá zblízka pod mikroskopem, samozřejmě dokáže rozeznat rozdíly téměř od začátku. Ale podobnost v raných stádiích je opravdu pozoruhodná.

Jeden z důvodů, proč si myslím, že tomu tak je, je, že rané aspekty umístění nohou na správné místo, odlišení hlavy od těla, tyto velmi rané a velmi zásadní věci se musí odehrát v určitém měřítku diktovaném rozsahem, v němž jsou klíčové molekuly schopny působit. Takže když jsme všichni přibližně stejně velcí, ať už jste sviňucha, člověk nebo opice, probíhají stejné procesy. Poté se propracujete k rozdílům. Takže v raných stádiích si nejen laik myslí, že vypadají podobně; v zásadních věcech si skutečně podobní jsou.

Jeden z velkých okamžiků v historii evoluce je, když se z ploutve poprvé vyvinula končetina.

Je úžasné sledovat časosběrný snímek vyvíjejícího se embrya, jakéhokoli živočicha. Musíte mít zábavnou práci.

Jednou ze skvělých věcí na mém oboru je právě možnost sledovat vývoj embryí. Je to ten nejkrásnější proces, když vidíte, jak vzniká organizace, ať už ji vidíte na časosběrné fotografii, nebo se na ni díváte pod mikroskopem v průběhu času. Je ohromně krásné sledovat, jak se to děje, a celý proces je sám o sobě tak zásadně krásný, že estetika v kombinaci s logikou je prostě ohromující.

Tvoření zobáku

Proč jste se rozhodl studovat tvorbu zobáku u Darwinových pěnkav?

No, s tím, jak se vyvíjela technologie a jak se rozšiřovaly naše znalosti o vývoji, dostalo se to do bodu, kdy začalo být reálné uvažovat o tom, že se pokusíme pochopit, jak byly vývojové instrukce upraveny, aby v přírodě poskytovaly rozmanitost. Nechtěli jsme se dívat na nesmírně odlišné živočichy, protože by mezi nimi bylo mnoho rozdílů a bylo by příliš těžké roztřídit, co se vlastně děje. Chtěli jsme se podívat na živočichy, kteří jsou si velmi blízce příbuzní a kteří mají v ideálním případě jen jednu strukturu, která se u jednotlivých druhů velmi významně liší.

Darwinovy pěnkavy na Galapágách jsou toho skvělým příkladem. Jsou to ptáci, kteří jsou v podstatě stejným organismem, ale mají zobáky velmi odlišných tvarů. Tato rozmanitost tvaru zobáku jim umožnila velmi odlišný životní styl. Zobák je zásadně důležitá struktura – má velký ekologický význam – a tyto různé druhy pěnkav byly před milionem let jen jedním ptačím druhem. Takže to je jeden z důvodů, proč nás Darwinovy pěnkavy velmi zaujaly.

A co jste zjistili?

Před naším výzkumem bylo možné, že se na tvorbě zobáků různých tvarů podílejí úplně jiné geny. Na základě toho, co jsme věděli o tom, jak geny řídí vývoj, jsme to nepovažovali za pravděpodobné, ale možné to bylo. To, co jsme zjistili, posílilo obecný vznikající obraz: že stejné geny se podílejí na tvorbě ostrého, špičatého zobáku nebo velkého, širokého, ořechy louskajícího zobáku. Rozdíl je v tom, jak moc gen zapnete, kdy ho zapnete a kdy vypnete – v jemných rozdílech v regulaci. Konkrétní geny jsou nezbytné pro vytvoření jakéhokoli zobáku, ale je to vyladění – množství genu, načasování genu, doba trvání genu – co vlastně dělá ten trik.

Ruka a noha

Probíhá stejný druh ladění i při tvorbě končetin?“

Ano, a v tuto chvíli velmi zásadním způsobem rozumíme velké části molekulární regulace, genům, které říkají končetině, jak se má formovat. Chápeme, jak raná masa buněk získává informace, které říkají jedné skupině, aby se stala jednou strukturou, a druhé skupině, aby se stala jinou. Chápeme, jak se z tkáně začne tvořit kost na rozdíl například od šlachy. Zcela zásadním způsobem nyní známe geny, které jsou zodpovědné za to, že vaše končetina je taková, jaká je.

Tak se například vytváří ruka na rozdíl od nohy?

Správně. Jak jsem již řekl, základní struktura končetiny, kterou vidíme například u naší ruky, se s určitými obměnami rekapituluje u různých živočichů, aby sloužila jako křídlo nebo ploutev. Ale také uvidíte variace ve struktuře, kterou končetina zaujímá ve vašem vlastním těle. Ruka a noha jsou v zásadě podobné struktury – například když postupujete od ramene nebo kyčle směrem k prstům na rukou nebo nohou, máte v horní končetině jednu kost, následují dvě kosti v dolní končetině a pak mnoho kostí tvořících pět číslic. Přední a zadní končetina jsou postaveny na stejném základním plánu.

Myslím, že nemusíte sledovat pořady o přírodě, abyste byli ohromeni rozmanitostí života na Zemi.

Nyní víme, že existují specifické geny, které se zapínají v zadní končetině, v noze, a které se nezapínají v přední končetině, v paži. Když se zapnou, získá ten raný zárodek končetiny spíše charakter nohy. Existují další geny, které jsou přítomny pouze v přední končetině nebo v paži v raných fázích končetinového pupenu. V zásadě lze tedy rozdíl mezi rukou a nohou vysledovat v rozdílech v genech v raném pupenu končetiny. Tyto geny specifické pro přední nebo zadní končetinu ovlivňují obecnou sadu instrukcí pro končetiny, které jsou stanoveny jinými geny, takže výsledkem je ruka nebo noha.

Naše končetiny považujeme za samozřejmost, ale vývoj končetiny z rybí ploutve v dávných dobách byl obrovským skokem vpřed, že ano?

Jeden z velkých okamžiků v historii evoluce je, když se ploutev poprvé vyvinula v končetinu. Stalo se tak u ryby, která žila v mělké vodě a učila se na mělčině manipulovat sama se sebou. Vyvinula se u ní struktura, která se mohla otáčet a která měla segmenty, jež se mohly nezávisle pohybovat vůči sobě a které byly zakončeny číslicemi, což bylo něco, co této rybě poskytlo skvělou schopnost pohybovat se v bahně. Ukázalo se, že to byl základní rys, který měl obrovský potenciál, obrovskou flexibilitu.

Protože vidíme, že základní plán této končetiny – jedna kost v horní končetině, dvě kosti v dolní končetině, zápěstí, které se kroutí, řada pěti nebo méně číslic – byl rozpracován tak, aby vzniklo vše od křídla netopýra pro vznášení, přes ploutev sviňuchy pro plavání a navigaci v oceánech, ruku pro uchopení nebo hru na klavír až po končetinu krtka pro hrabání. Obrovské rozdíly v používání končetin umožnily pozdějším živočichům – obojživelníkům, plazům, ptákům, savcům – vyvinout mimořádnou škálu životních stylů.

REVOLUCE EVOLUCE

Obor evo devo opravdu exploduje, že?

Je to prostě úžasné. To rychlé tempo bych asi víc než cokoli jiného nečekal. Myslím, že bych předpověděl, že se nakonec dostaneme tam, kde jsme, pokud jde o porozumění; jen jsem si nikdy nemyslel, že se to stane tak rychle, jak se to stalo. Došlo k technologickým revolucím – sekvenační revoluci, která nám umožnila sekvenovat celé genomy, technologii, která umožňuje zpracovávat obrovské množství informací najednou a třídit věci. Je neuvěřitelné, co všechno se dá dělat a o kolik je to teď jednodušší a rychlejší než v době, kdy jsem začínal. Nikdy by mě nenapadlo, že to půjde tak rychle.

Jak se vám daří držet krok?

Je velmi těžké držet krok, když se znalosti pohybují tak rychle. Myslím, že to děláte tak, že držíte krok s věcmi, které vás nejvíce zajímají. Když jsem začínal s biologií, přečetl jsem všechno z celého oboru molekulární biologie, protože ve srovnání s dneškem se toho dělalo relativně málo. Mohli jste číst dva nebo tři časopisy a v podstatě jste byli schopni držet krok s buněčnou biologií a fyziologií a imunologií a vývojovou biologií a biologií rakoviny. Ale nyní nemůžete držet krok ani s vývojovou biologií nebo evoluční biologií. Vyberete si obor, vyberete si téma, vyberete si otázky a v podstatě se věnujete tomu, co vás nejvíce vzrušuje.

A rozmanitost života, jak ji odhaluje evo devo, je to, co vás opravdu vzrušuje.

Nemyslím si, že se musíte dívat na pořady o přírodě, abyste byli ohromeni rozmanitostí života na Zemi. Stačí se doma projít. Uvidíte ptáky, veverky, psy. Přijdete domů a obejmete své dítě. To jsou věci, které berete jako samozřejmost. Ale když uděláte krok zpět a podíváte se, jak úžasný je pták v letu, jak dokonale přizpůsobená veverka běhá po stromě a tak dále, je to prostě tak úžasný svět. A co je na této historické době z vědeckého hlediska neuvěřitelné, je to, že budeme schopni porozumět této rozmanitosti, a to jen zvyšuje vzrušení. Nedemytizuje to. Dělá ji to ještě kouzelnější.