Ti, pro které je evoluční teorie tím nejpravděpodobnějším a v současnosti díky nepřebernému počtu do sebe zapadajících poznatků i v podstatě nezpochybnitelným scénářem vývoje pozemského života vědí, že na jeho počátku se na planetě objevily samostatné buňky. Dokázaly metabolizovat ve vodě rozpustné minerální látky za podpory zpočátku pravděpodobně tepelné energie, po vzniku fotosyntézy i viditelného světla. Vzrušující a dosud nezodpovězená otázka, která je vodou na mlýn kreacionistům, se týká vzniku prvních živých buněk z organických a anorganických molekul. Tou další, o něco lépe uchopitelnou a zkoumatelnou otázkou je vznik mnohobuněčného organismu. Začaly spolupracovat individuální buňky, které v rámci nějakého biofilmu vytvořily shluky, v nichž došlo "k dělbě práce", nebo se díky mutaci přestaly po dělení separovat dceřiné buňky od té mateřské? Tato druhá možnost je z hlediska evoluce logičtější. V mnohobuněčném společenství se totiž nemohou reprodukovat všechny buňky, některé musejí v zájmu celku podstoupit cílenou "sebevraždu" - apoptózu, bez toho, aby se jejich genetický materiál rozšiřoval dál. Taková ztráta možnosti seberealizace a individuální svobody je mnohem pravděpodobnější v "příbuzenském" společenství, protože v něm všechny nepohlavně dělící se buňky sdílejí stejný genetický program a tak je z evolučního pohledu téměř jedno, která z nich se bude rozmnožovat. Důležité je, aby potomstvo bylo v konkurenčním boji úspěšné.
Teorie může být doslova krásná, když je vnitřně nekonfliktní, logická, dostatečně jednoduchá a nezraňuje se na ostří Occamovy břitvy. I tak ale vyžaduje experiment, jenž poskytne alespoň indície, nebo dokonce důkazy o její správnosti. V tomto směru je pro otázku, jak z jednobuněčných organismů vznikl mnohobuněčný, zajímavý experiment, který uskutečnili biologové z Biotechnického ústavu Minnesotské univerzity. Kreativní nápad se prý zrodil v diskusi při kávě. Princip pokusu je poměrně jednoduchý, zakládá se tom, že na shluk buněk v živném roztoku působí gravitační, nebo odstředivá síla nepatrně více, než na jednotlivé buňky. Když se tento triviální fyzikální jev využije na cílenou selekci, výsledky mohou být celkem překvapivé. Autorský čtyřlístek o nich referuje v lednovém čísle amerického odborného časopisu PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America). Redakce zajímavost práce ocenila i tím, že ho volně zpřístupnila.
Vědci si pro experiment zvolili mikroorganismus, který všichni dobře známe z pekařského droždí neboli pivní kvasinku Saccharomyces cerevisiae. V biologii patří mezi takzvané modelové organismy, které se podrobně studují a využívají na bezpočet experimentů. Pivní kvasinka se nejenom lehce kultivuje, ale má celou řadu velmi zajímavých vlastností. "Poznat" ji podrobněji, než jen ve formě světlé hnědošedé hmoty charakteristické vůně, může vést k tomu, že člověku bude až líto hezky nakynuté těsto dát upéct a tím intenzivně se množící mikroorganismy zahubit. Filozofické důvody vegetariánství jsou vybudovány na prapodivných hranicích... S. cerevisiae je eukaryot, který při vhodném zdroji potravy (některých sacharidech) dokáže prosperovat jak v anaerobním, tak aerobním prostředí. Jeho buňka má v jádru jenom jednu sadu genů, je tedy haploidní, podobně jako pohlavní buňky člověka. Za běžných podmínek se rozmnožuje, či spíše klonuje nepohlavně takzvaným pučením a oddělením dceřiné buňky od mateřské. V stresové situaci, hlavně když docházejí v okolním prostředí živiny, se vhodné dvojice buněk "spáří", přesněji splynou, čímž vznikne diploidní zygota, analogie oplodněného vajíčka. Vytvoří se jedno jádro, v němž chromozomy obou původních buněk dělají různé šarády, při nichž si navzájem vymění některé kompatibilní úseky i s příslušnými geny. Když pak v redukčním dělení, meióze, vzniknou čtyři opět haploidní (s jednou sadou chromozomů) buňky - gamety, v případě hub, k nimž kvasinky patří, spory - jsou geneticky variabilnější. Jejich genom není pouhou kopií některého z genomů "rodičovských" buněk, nýbrž jejich kombinací. Spory dokážou přečkat horší časy a probudí se na chemické signály zvěstující podmínky vhodné k metabolizmu a rozmnožování. Dorostou do stadia běžné haploidní kvasinkové buňky a začnou se klonovat.
To, co prospívá samotné kvasince a zvyšuje její šanci na přežití - genetickou variabilitu zvětšující pohlavní rozmnožování a sporulace - dělá vrásky na čele biotechnologům, protože jim může výrazně pozměnit vyšlechtěné kmeny s vhodnými vlastnostmi. Kvasinky, které se používají na výrobu piva již dávno nejsou zcela stejným typem, jako ty, které nám nadýchají kysličníkem uhličitým těsto na buchty. I samotní pivovarníci znají více typů kvasinek, i když všechny patří ke stejnému druhu S. cerevisiae. Vědí, že vitalita a vlastnosti použité linie těchto jednobuněčných organismů kvalitu piva výrazně ovlivňují. Znají takzvané "svrchní" kvasinky, které v závěru kvasného procesu vyplavou navrch a pak ty "spodní", jež ve shlucích klesají ke dnu nádob. A to je jenom to základní dělení.
Také v laboratořích dobře vědí, že pivní kvasinka netvoří jenom samostatné buňky, ale někdy i malá seskupení, v nichž se kompletní dceřiné buňky zcela neoddělí od mateřských, ale zůstávají buněčnou stěnou k sobě "přilepeny". Takže myšlenka biologů z Minnesotské univerzity cíleně, po mnoho generací selektovat buňky, jež mají tendenci se shlukovat, a pak sledovat, co se z toho vyvine, pramení z již známých poznatků.
Na počátku jejich experimentu byla malá, geneticky jednotná kultura kvasinek laboratorní linie Y55. Vědci ji rozmíchali ve vydatném živném roztoku s obsahem bílkovinných derivátů (peptonů) a D-glukózy (dextrózy), pak rozdělili do zkumavek o objemu 10 mililitrů. Ty vložili do mechanické laboratorní třepačky. Za neustálého pomalého promíchávání při teplotě 30 °C nechali kvasinky kultivovat jeden den. Když pak třepačku vypnuli, mikroorganismy začaly velmi pozvolna sedimentovat ke dnu zkumavky. Čím větší shluk vytvořily, tím klesaly rychleji. Po 45 minutách pak biologové z té nejspodnější vrstvy kultivačního média, kde očekávali statisticky větší počet těchto seskupení, odebrali desetinu mililitru a přenesli do čerstvého živného roztoku. Tak pokračovali týden, po němž selekci zefektivnili tím, že ze spodní vrstvy odebrali jeden a půl mililitru, toto množství vystavili v centrifuze vyšší gravitaci a až pak odebrali tu desetinu mililitru s nejrychleji usazenými buněčnými klastry. Těm umožnili se dál množit ve zkumavce s čerstvým živným roztokem. Toto každodenní přeočkování proběhlo 60 krát. Asi tušíte, že to, co po dvouměsíční systematické selekci ve zkoumaných vzorcích uviděli v zorném poli mikroskopu, se od původní kultury povětšinou individuálních buněk lišilo. Jak v článku, kapitole o výsledcích uvádějí "... ve všech populacích převládaly přibližně sférické, sněhovým vločkám podobné fenotypy (konkrétní kombinace vnějších znaků jedince) tvořené mnohými navzájem připojenými buňkami". Jinými slovy, selekcí, která výrazně zvýhodnila přežití shluků, dosáhli toho, že ve výsledné kultuře převládaly buňky, které je dokázaly tvořit. Což je evolučně logické. U rychle se množících kvasinek se to podařilo již za 60 dnů. Že šlo o jejich "vrozenou", tedy geneticky podmíněnou vlastnost, dokazuje video, na němž je nasnímán soukromý život několika samostatných buněk enzymaticky oddělených z jednoho ze shluků, "sněhových vloček" (snowflakes), jak je autoři podle podobnosti tvarů nazývají. Každá z těchto vypreparovaných buněk, jak se v průběhu 24 hodin sledování množila, vytvořila vlastní vločku - shluk se svými "potomky". Sněhová vločka je tedy jakési úzké společenství klonů a nejde o seskupení předtím samostatných, navzájem "cizích" buněk. Takové útvary vědci označují pojmem "chomáčky" (flocs) a bývají spíše součástí povrchového biofilmu.
Video: Každá z buněk oddělených ze shluku připomínajícího sněhovou vločku zakrátko vytvoří s dceřinými buňkami podobný shluk. (Originální verze na stránkách časopisu PNAS .)
Jenže žít ve velkém společenství není jenom výhra, zejména v podmínkách, když osamělému jednotlivci nic nehrozí, kolem sebe má dost potravy a může se neomezeně množit podle svých schopností a možností. Ani kvasinkové vločky, v nichž jsou tyto individuální potřeby omezeny, se nerozrůstají donekonečna, jen do rozměrů, které jsou jakýmsi kompromisem mezi výhodami samostatné existence a selekčním tlakem vytvořeném vědci. Taková seskupení nabízí lepší šance na přežití v porovnání s jinými formami. Hmotnost, tedy počet "slepených" buněk sice zaručuje nejrychlejší sedimentaci vlivem gravitace, a tím i vyšší pravděpodobnost přenosu do zkumavky s čerstvým živným roztokem, jenže jednotlivým kvasinkám omezí přístup k potravě a sníží reprodukci.
Co se s větší kvasinkovou vločkou stane? Když nabude velikosti přesahující potřeby "výběrového řízení", rozdělí se. Ne na polovinu, ani ne na jednotlivé buňky, kterých delší přežití by v daných podmínkách bylo ohroženo, ale od většího mateřského shluku se oddělí menší shluk - dceřiná vločka. Ta se také nejdříve snaží dorůst do vhodné velikosti a teprve pak začne také pomýšlet na reprodukci.
Dokumentuje to i následující video (originál zde).
Aby vědci potvrdili domněnku, že míra selekce ovlivňuje velikost vločkového fenotypu, připravili experiment, v němž po 35 dnech výběru vzniklou populaci rozdělili do devíti zkumavek. Kvasinky v prvních třech pak vystavili velmi tvrdému výběru - spodní desetinu mililitru roztoku každý den odebírali již po pěti minutách klidné sedimentace po vypnutí třepačky. Takže větší šanci na přežití měly jen ty největší vločky. V dalších třech zkumavkách ustálení před přenosem do nového živného roztoku trvalo 15 minut a v posledních třech "až" 25 minut.
Přeočkování se dělo každých zhruba 24 hodin po dobu třiceti dnů. Již tak krátký čas působení rozdílných podmínek se na velikosti vloček odrazil. Ty, na než byl vyvíjen nejsilnější selekční tlak - pokud ti je život milý, klesni na dno zkumavky do pěti minut - byly o pětinu větší, než ty, které dostaly šanci sedimentovat 15, respektive 25 minut. A v porovnání s vločkami původní populace (vzniklé po úvodních 35 dnech jednotné selekce), byly ty "pětiminutové" na konci druhé, 30denní fáze pokusu víc než dvojnásobné.
Na následujícím videu je vlevo populace, na níž byl vyvíjen nejsilnější selekční tlak - tvoří viditelně větší vločky, než v kultuře, kde k přežití stačila pomalejší sedimentace, tedy i menší shluky buněk (originální video zde).
S velikostí vločky souvisí i délka jejího dospívání, tedy za jak dlouho po oddělení od té mateřské se sama začne dělit. "Protože jako reakce na výběr se změnil mnohobuněčný fenotyp, soudíme že selekce působila na reprodukci a přežití jednotlivých shluků spíše než na jejich jednotlivé buňky, jež je tvoří", komentují odbornou mluvou výsledky pokusů autoři. Faktem je ale, že gravitační selekce samotné buňky neobešla a upřednostnila ty, které po ukončení mitotického dělení zůstávají se svojí dceřinou buňkou v trvalém kontaktu.
I když shluk kvasinek Saccharomyces cerevisiae, který vědci nazvali "snowflake", není mnohobuněčným oganizmem sensu stricto, nýbrž jen mnohobuněčným útvarem, přesto nejde o pouhý konglomerát k sobě přisedlých buněk. Aby reprodukce vloček probíhala tak plánovitě, jak dokumentují předchozí videa, musí její buňky nějak spolupracovat. Minnesotští biologové prokázali, že k oddělení juvenilní dceřiné vločky dochází v místě mezi buňkami, které páchají sebevraždu - apoptózu. Zjistili, že procento těchto obětujících se jedinců koreluje s velikostí vločky a experimentálně potvrdili předpoklad, že apoptóza není důsledkem, nýbrž příčinou oddělení se menších dceřiných klastrů (propagulí) od většího mateřského. Tato jakási prvotní dělba rolí ve vzájemném svazku a vzdání se vlastní reprodukce je evolučně "logická" právě proto, že sebevražedná buňka umožní svým sestrám, jež jsou - pokud nedošlo k náhodné mutaci - jejími kopiemi, se úspěšně množit a tedy do dalších generací přenášet jejich stejný genom.
Video: Kratičká sekvence snímků z kamery připojené na mikroskop dokazuje, že apoptóza sousedních buněk (označených barevně) vytvoří oslabenou zónu, kde se malá vločka oddělí od původní větší. Toto dělení tedy není symetrické (originální video zde).
Co ze studie vyplývá? S dávkou zlomyslnosti lze říci, že téměř nic nového - změna podmínek vede k změně fenotypu, tedy souboru geneticky a prostředím podmíněných vnějších znaků "jedince". Téměř jistě neodhalila konkrétní cestu, kterou prošel jednobuněčný život k mnohobuněčnému. Na máloco se mohly organismy v konkrétním prostředí tak spolehnout, jak na stabilitu gravitační síly. Přesto je to zajímavý výzkum potvrzující, že změněné podmínky mohou přinutit buňky vytvářet v zájmu svého přežití spolky, v nichž musí začít nějak komunikovat, spolupracovat a rozdělovat si úkoly. Kdyby vědci kvasinky pěstovali v optimálním neměnícím se prostředí, absolutní převahu by měly jednotlivé, zcela nezávislé buňky, co nejvíce využívající bohaté zdroje a množící se, co síly stačí. Snad by se dalo s nadsázkou říci, že v kvasinkovém ráji mírně teplého, pravidelně obnovovanéhom živného roztoku je evolučně logická maximální sobeckost individuí.
Vědci ji zásahem, který samostatným buňkám drasticky omezil přežití, změnili na formu příbuzenské soudržnosti a "rodinné" sobeckosti. Je to další z dlouhé řady důkazů, že se Richard Dawkins nemýlí, když mluví a píše o sobeckosti genu a evoluci jako slepém hodináři. I titěrné kvasinky, jimž by stěží někdo přisoudil inteligenci, se dokáží chovat "racionálně", když jde o přežití. Naštěstí nevědí, že z toho těsta, v němž si tak libují, bude zakrátko chléb náš vezdejší.
Diskuze:
