Autor: Jan Toman
Využití kyslíku k dýchání patří mezi základní vlastnosti mnohobuněčných živočichů. Někteří zástupci výtrusenek však podle nového výzkumu tuto vlastnost ztratili, což z nich dělá první taková známá zvířata.
Učebnicovou pravdou je, že všichni mnohobuněční živočichové ke svému životu potřebují kyslík. Řadě druhů stačí méně než obligátních 21 % obsažených v zemské atmosféře. Výjimečně dokáží někteří zástupci dokonce přežívat bez kyslíku po většinu svého životního cyklu. Nikdo se bez něj ale neobejde úplně. Učebnice však, zdá se, bude třeba přepsat. Nový výzkum zaměřený na zvláštní skupinu parazitických žahavců zvanou výtrusenky (myxozoa) totiž ukázal, že přinejmenším jeden jejich druh přešel ke zcela bezkyslíkatému způsobu života. Dokládá to jak úplná absence genomu v jejich mitochondriích, tak fakt, že ani v jádře nanesou takřka žádné geny zodpovědné za kyslíkaté dýchání. Evolucí extrémně pozměněné výtrusenky tak možná dosáhly stavu, kdy mohou relativně lehce vyvíjet i výrazné evoluční novinky.
Mezi jednobuněčnými eukaryotickými organismy – zjednodušeně řečeno prvoky – nalezneme celou řadu skupin, které druhotně přešly k bezkyslíkatému způsobu života. Vždy je k tomu donutily podmínky prostředí. Někteří se dostali do nikdy nepromíchávaných vodních vrstev moří a jezer, další do hlubokých usazenin, nebo vnitřních částí našich těl. Tyto organismy se svému novému prostředí přizpůsobily, změnily svůj metabolismus a přežití jim očividně nedělá větší problémy. V úplně jiné situaci se ale ocitáme u mnohobuněčných živočichů.
Už první experimenty se zvířaty ukázaly, že tyto organismy ke svému životu potřebují kyslík. Savci, ptáci i další živočichové během několika minut bez přísunu životodárného plynu ztráceli vědomí a umírali. Lidský rekord, jak dlouho lze vydržet bez nádechu, činí něco přes 24 minut. Celá řada kytovců vydrží pod vodou při plné aktivitě i více než hodinu. Další organismy přežívají v oblastech s neobyčejně nízkou koncentrací kyslíku. Až dodnes jsme ale nebyli schopni nalézt žádné zvíře, které by během svého života kyslík vůbec nevyužívalo.
Dlouhou dobu měli přírodovědci za to, že zcela bez kyslíku mohou přežívat někteří střevní parazité. Náš trávicí trakt opravdu žádný kyslík neobsahuje. Dokonce jej obývají mikroorganismy, které by i malá koncentrace tohoto plynu zabila. Přesto zde různé tasemnice, roupi či škrkavky nalezly svůj ráj. Důkladné studium buněk těchto organismů a později také jejich genetické výbavy však ukázalo, že stejně jako organismy kyslíkatých prostředí obsahují provozuschopné mitochondrie – „buněčné elektrárny“ zodpovědné za dýchání. Kyslík totiž potřebují ke zdárnému dokončení svého životního cyklu mimo hostitele.
Před několika lety biologové také objevili tři druhy korzetek (loricifera) obývajících výrazně slané bezkyslíkaté usazeniny na dně Středozemního moře. Kromě toho, že tyto drobné organismy ke svému životu nepotřebovaly světlo a odolávaly chemickým extrémům, také neobsahovaly normální mitochondrie. Jejich „buněčné elektrárny“ byly redukované a připomínaly podobné organely u prvoků, kteří druhotně přešli k bezkyslíkatému stylu života.
Po předchozích zkušenostech jsou však biologové v uznání těchto korzetek jako prvních živočichů nepotřebujících k životu žádný kyslík opatrní – přeci jen nelze vyloučit, že v některé fázi životního cyklu alespoň malá množství kyslíku nevyužívají. Definitivní odpověď bychom mohli získat po přečtení genomů těchto tří druhů. Pokud by neobsahoval důležité geny potřebné pro buněčné dýchání, takřka jistě by šlo opravdu o bezkyslíkaté živočichy. Genom těchto druhů korzetek však zatím nikdo nepřečetl.
Tento nedostatek badatelé vynahradili u dalšího organismu, který podezírali z bezkyslíkatého stylu života – výtrusenky druhu Henneguya salminicola. Výtrusenky jsou podivnou skupinou už samy o sobě. Kvůli jejich malé velikosti a zdánlivé jednobuněčnosti je biologové dlouhou dobu považovali za prvoky. Až molekulárně-biologické analýzy příbuzenských vztahů ukázaly, že korzetky ve skutečnosti spadají mezi žahavce – skupinu zahrnující třeba korály nebo medúzy. Co se životního stylu týče, výtrusenky jsou parazity ryb a mohou způsobovat velké škody na rybích chovech. Paradoxně proto byly zkoumány hlavně z hospodářských důvodů.
Jak však ukazují nejnovější výsledky, výtrusenky jsou zajímavé i z čistě biologického hlediska. Nejprve biologové přečetli genom druhu Henneguya salminicola a příbuzného Myxobolus squamalis. Zatímco jaderné genomy obou druhů nevykazovaly zásadní rozdíly, mitochondrie Henneguya salminicola a Myxobolus squamalis se lišily jako den a noc. Pamatujme přitom, že mitochondrie byly dříve samostatnými bakteriálními organismy a dodnes proto obsahují zbytek vlastního genomu. Právě takový stav výzkumníci zdokumentovali u Myxobolus squamalis. Henneguya salminicola však žádný mitochondriální genom neobsahovala. Biologové jej navíc neobjevili ani s pomocí barviv zvýrazňujících DNA.
Mikroskopický průzkum nakonec ukázal, že výtrusenky druhu Henneguya salminicola ve svých buňkách útvary podobné mitochondriím obsahují. Není v nich však žádná DNA. Podobný stav u prvoků značí, že se mitochondrie specializovaly na jiné metabolické role než dýchání a mohly proto přesunout všechny své geny do jádra. Přesně k tomu podle všeho došlo také u tohoto druhu. V jaderném genomu navíc takřka úplně chybí geny pro kopírování či přepisování mitochondriálního genomu, stejně jako geny spojené s dýcháním kyslíku.
Pouze nevýrazné tvarové změny pozměněných mitochondrií u Henneguya salminicola na druhou stranu značí, že druh přešel k plně bezkyslíkatému životu teprve nedávno. Na stejný fakt ukazují i některé části genomu, ve kterých stále můžeme rozeznat pomalu degradující geny potřebné pro dýchání.
Jak k tomu mohlo dojít? Henneguya salminicola vytváří cysty v rybí bílé svalovině, která není prokysličená. Pokud je tedy mezihostitelem tohoto druhu kroužkovec, který alespoň některé části životního cyklu prožívá v prostředí bez kyslíku, mohlo pro výtrusenku být nejvýhodnější se bezkyslíkatému prostředí plně přizpůsobit. Nevyužívané geny buď pomalu hromadí chyby, nebo je organismus mohl z důvodu energetických úspor zcela odbourat.
Poslední, ale neméně důležitou otázkou je – proč zrovna výtrusenka? Jak je možné, že k bezkyslíkatému způsobu života nedospěl zástupce nějaké jiné, třeba i daleko rozrůzněnější, skupiny? Odpověď se patrně skrývá v evoluční minulosti skupiny myxozoa. Výtrusenky totiž podle všech analýz ve své minulosti prošly výraznou redukcí tělní komplexity. Ta patrně pro nové účely uvolnila celou řadu jejich genových modulů, což na jedné straně umožnilo vznik nových parazitických přizpůsobení a na straně druhé také – možná – výraznějších změn metabolismu včetně ztráty závislosti na kyslíku. Tato hypotéza však zatím čeká na otestování.
Zdroj: D Yahalomi, SD Atkinson, M Neuhof, … & D Huchon (2020): A cnidarian parasite of salmon (Myxozoa: Henneguya) lacks a mitochondrial genome. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117.