Synchrotron SPring-8 z ptačí perspektivy Kredit: Koji101, Wikipedia, CC 3.0

Vysokoenergetické elektrony nucené silnými magnetickými poli obíhat po kruhové dráze rychlostí blízkou rychlosti světla, vyzařují silné elektromagnetické, takzvané synchrotronové záření. Spadá do rozsahu spektra rentgenových paprsků s typickou vlnovou délkou kolem desetiny nanometru. Tento rozměr je srovnatelný se vzdálenostmi mezi atomy v molekulách, což ze synchrotronového záření dělá účinný nástroj na studium vazeb v molekulách a vnitřní struktury materiálů.

Největším synchrotronem třetí generace na světě je japonský SPring-8 (Super Photon Ring – 8 GeV), jehož kruhová dráha má 1,4 kilometru. Rentgenové paprsky, které relativistické cirkulující elektrony vyzařují, pomáhají vědcům ve vysokém rozlišení rozeznat podrobnosti nejen krystalových struktur. SPring-8 umožňuje detailně prozkoumat například i zkameněliny vyhynulých živočichů. Je výkonným nástrojem při hledání odpovědí na složité otázky strukturní a evoluční biologie.

3D rekonstrukce fosilie mozkovny malého devonského rybího obratlovce nazvaného Palaeospondylus gunni pomocí synchrotronové rentgenové počítačové tomografie (SRXμCT) Kredit: RIKEN

Důkazem je například Palaeospondylus gunni, tajemný mořský obratlovec s asi 5 cm dlouhým úhořím tělem, který žil před přibližně 390 miliony let, tedy v období středního devonu. Jeho první fosilie byla objevená již v roce 1890 ve Skotsku. Zdánlivě běžný prehistorický živočich však poutá pozornost i dnešních evolučních biologů podivnou kombinací morfologických znaků, které komplikují určení jeho místa na vývojovém stromě života. Nejnovější číslo časopisu Nature poskytlo prostor studii výzkumníků Laboratoře evoluční morfologie největší japonské komplexní výzkumné instituce RIKEN. Článek nabízí doposud nejpodrobnější analýzu vývojových znaků P.gunni. Vědci využili synchrotronové záření ze SPring-8 ke skenování pečlivě vybraných fosilií metodou rentgenové počítačové tomografie s vysokým rozlišením. Výsledky naznačují, že záhadný pradávný mořský obratlovec se řadí na počátek evoluční větve vedoucí ke čtyřnohým živočichům, tedy i savcům a nám lidem.

Badatelům, jenž se zaměřili na podrobnosti ve stavbě hlavy, se například podařilo identifikovat tři půlkruhové kanálky, které naznačují morfologii vnitřního ucha typického pro obratlovce s čelistí. Přitom ale Palaeospondylus zuby neměl. I dalšími neobvyklými znaky, jako byly chybějící dermální kosti, chrupavčitá kostra bez párových přívěsků (paired appendages), které by dokládaly přítomnost párových ploutví, připomíná spíše larvální stadium některého z prvních tetrapodů, za co byl kdysi i mylně považován.

Vývojový kladogram devonských tetrapodomorfů a s vyznačením místa druhu Palaeospondylus gunni (vlevo). Nákres hlavy Palaeospondyla na základě analýz (vpravo). Opercular = skřele. Kredit: RIKEN

Jeho mozkovna (neurokranium) se však podobala mozkovnám vyhynulých tetrapodomorfních obratlovců rodů Eusthenopteronu a Panderichthys (viz obrázky) a fylogenetické analýzy také Palaeospondyla vývojově mezi ně řadí. Příslušníci obou zmíněných rodů jak zuby, tak osifikovanou kostru a párové ploutve měli. "Zda (u Palaeospondyla) tyto rysy evolučně vymizely, nebo zda normální vývoj zamrzl někde na půl cestě, se nemusíme nikdy dovědět," vysvětluje hlavní autor studie, Tatsuya Hirasawa. "Nicméně tato heterochronní (viz poznámka) evoluce mohla usnadnit vývoj nových rysů, jako jsou končetiny."

Rekonstrukce záhadné malé devonské ryby Palaeospondylus gunni, jejíž tělo je doslova puzzlem nesourodých znaků z jakoby různých vývojových období. Kredit: Smokeybjb, Wikipedia, CC 3.0

Stádia embryonálního a larválního vývoje odrážejí do jisté míry i evoluční minulost. Japonští výzkumníci z RIKENu se při studiu rané evoluce obratlovců nezaměřují jen na fosilní záznamy, ale využívají i metody molekulární biologie a genetiky. "Podivná morfologie Palaeospondyla, která je srovnatelná s larválními stadii tetrapodů, je velmi zajímavá z evolučně – genetického hlediska," říká Hirasawa. který s kolegy plánuje u klíčových současných, ale vývojově nejstarších čtyřnožců identifikovat genetické mutace, jež vedly k jednotlivým morfologickým změnám doprovázejícím přechod obratlovců z vody na pevninu.

Poznámka: V evoluční vývojové biologii je heterochronie jakýkoli geneticky řízený rozdíl v načasování, rychlosti nebo trvání vývojového procesu v organismu ve srovnání s jeho předky nebo jinými organismy. To vede ke změnám velikosti, tvaru, vlastností, a dokonce i přítomnosti určitých orgánů a znaků.

Dva rody devonských tetrapodomorfních rybích obratlovců, mezi které byl Palaeospondylus gunni evolučně včleněn:

Rekonstrukce devonské laločnaté ryby rodu Eusthenopteron (Eusthenopteron foordi) S nejstaršími známými čtyřnožci (tetrapody) sdílela několik jedinečných rysů, jako jsou podobnost vzoru kostí vrchní části lebky, vnitřní nosní dírky a některé znaky zubů. Kredit: Nobu Tamura, Wikipedia, CC 3.0

Digitální rekonstrukce zástupce rodu Panderichthys, devonských nozdratých ryb, které jsou považovány za přechodnou formu mezi lalokoploutvými rybami (k nimž patří i dnešní živé fosilie – Latimérie) a obojživelníky. Kredit: Tyler Rhodes, Wikipedia, CC 3.0

Literatura: Nature (2022), RIKEN