Autor: Jan Toman
Zrod evolučních novinek představoval velkou záhadu už pro Charlese Darwina a jeho současníky. Výzkum zaměřený na zárodečný vývoj brouků čerstvě podpořil myšlenku, že v historii života nic opravdu nového nevzniká – evoluce pouze přehazuje a pozměňuje stavební kameny a regulační dráhy, které již má k dispozici.
Podle převládajícího, neodarwinistického, směru současného evolučního bádání vnikají evoluční novinky jako drobné změny, které následně prochází sítem přirozeného výběru. Ty z nich, které zlepšují biologickou zdatnost organismů, převládnou, zatímco ty, které ji snižují, zmizí. Z výzkumů na hranici vývojové a evoluční biologie však vyplývá, že většina evolučních novinek mnohobuněčných organismů vzniká jinak – zkopírováním již existující struktury nebo regulační dráhy a jejím použitím na jiném místě nebo v jiném čase. S tím souhlasí i nejnovější objev trojice amerických biologů, kteří dokázali, že rohy brouků vyrůstající z prvního hrudního článku vznikly ze stejných vývojových základů jako křídla. Tomuto závěru odpovídají jak geny, které se u studovaných lejnožroutů vývoje obou struktur účastní, tak experimenty přímo modifikující vývoj brouků. Když výzkumníci přepnuli první hrudní článek, aby vytvářel křídla, tyto orgány se rozvíjely na úkor rohů ze stejných základů. Křídla se ale očividně nerovnají rohům. Zdá se, že mezi sebou tyto dva elementy sdílejí pouze hluboké a starobylé vývojové mechanismy, které předcházely vzniku obou orgánů a později na sebe u křídel, rohů a možná i dalších vnějších orgánů nabalily další modifikace.
Teorie přirozeného výběru postulovaná Charlesem Darwinem a Alfredem Russelem Wallacem dokáže elegantně vysvětlit postupné zlepšování organismálních znaků, které pomáhají svým nositelům přežít a rozmnožit se v přirozeném (ale vlastně i umělém) prostředí. Představuje také jedinou všeobecně přijímanou teorii, prostřednictvím které může samovolně docházet k vytváření účelných přizpůsobení. Dokáže ale stejně lehce vysvětlit také vznik evolučních novinek?
Odpověď na tuto otázku je komplikovanější. Aby se měl přirozený výběr založený na přežívání lépe přizpůsobených jedinců čeho „chytit“, potřebuje alespoň minimální rozdíly mezi příslušníky populace. Tyto rozdíly vyplývají například z mutací, nebo odlišného nakombinování rodičovských genů v různých potomcích. Podle skalních zastánců neodarwinistické teorie takové změny bez problémů stačí ke vzniku evolučních novinek. Všechna velká přizpůsobení podle nich začala jako drobné změny již existujících struktur a procesů.
Stále se kupící důkazy ovšem ukazují, že mnoho evolučních novinek – možná dokonce skoro všechny – vznikly původně jiným způsobem. Po vzoru lidských konstruktérů či programátorů má totiž evoluce často tendenci brát stavební prvky, který jistě fungují, a aplikovat je jinde. To se může týkat částí těla, jako jsou třeba oči, tělní články a přívěsky, ale také celých vývojových nebo regulačních drah. Evoluční novinky, respektive inovace (novinky, které v souboji s ostatními organismy i neživým prostředím obstály) by proto mohly vznikat spíše neustálou „recyklací“ – kopírováním funkčních či strukturních elementů a jejich následným uzpůsobením pod vlivem přirozeného výběru.
Otestovat vznik novinek se nově pokusili vědci z americké Indianské univerzity. Centrem jejich zájmu se staly rohy brouků. Ty u svých nositelů hrají roli v pohlavním výběru a představují jedny z nejfantastičtějších útvarů v živé přírodě. Nejvýraznější orgány tohoto typu vytvářejí roháči nebo nosorožíci, američtí biologové se ale ve svém výzkumu z praktických důvodů zaměřili na tři různé druhy lejnožroutů – brouků ze skupiny vrubounovitých. Všechny rohy tohoto typu nicméně brouci vytvářejí na prvním hrudním článku a jsou tak bez problémů srovnatelné.
Některé dřívější poznatky naznačily, že by formování rohů nemuselo představovat úplnou evoluční novinku, ale mohlo souviset s vývojem křídel. V extrémním případě by se mohlo jednat o „křídla“ vytvářená na jiném místě pozměněná miliony let přirozeného výběru. Pravděpodobnější však je, že by podobné struktury jako rohy brouků mohly vznikat ze stejných vývojových základů a s přispěním stejných vývojových drah jako křídla. Zárodečný i evoluční vznik samotných křídel na druhou stranu představují poměrně komplikované procesy, které biologové rozklíčovali až docela nedávno, a tak celá otázka zůstávala otevřená.
V prvním kroku badatelé ověřili, zda se vývoje rohů na prvním hrudním článku účastné stejné vývojové geny, jako vytváření opravdových křídel na druhém a třetím hrudním článku. Vyřazení těchto genů z funkce podle očekávání zmařilo vývoj křídel. Až na jednu jedinou výjimku ale také zablokovalo vznik rohů.
Ze stejných vývojových základů jako křídla může na prvním hrudním článku vznikat u různých skupin hmyzu celá řada různých útvarů. Modré kosočtverce značí, že příslušné evoluční cestě napovídají paleontologická data, zelené čtverce že molekulárně-biologická data, oranžové kruhy že funkční data a rudé trojúhelníky že experimentální změny vývoje.
Vzhledem k tomu, že omezení funkce stejných genů vedlo ke vzniku malých a nedokonalých rohů, je jasné, že si vývojové dráhy obou orgánů vesměs odpovídají. Všechny pozorované změny navíc nebyly způsobené pouze vedlejší činností zkoumaných genů, které by v takovém případě mohly být specifické pro křídla. Zkoumané geny se totiž prokazatelně přepisovaly i v základech rohů a dalších struktur, o kterých se předpokládá, že na prvním hrudním článku vznikají z „křídelních“ základů.
Není ale možné, že si vývoj rohů příslušné geny pouze „vypůjčil“´? Podobným jevům se v evolučně-biologické hantýrce říká koopce a představují vlastně jednoduché vypůjčení elementů jedné funkce či struktury na jiném místě či v jiném čase. I v případě, že by tato hypotéza měla pravdu, samozřejmě platí, že by rohy zčásti odpovídaly křídlům. Sdílely by s nimi ale jen malou část svého vývojového aparátu.
S cílem ověřit tento nápad vědci zasáhli do vývoje lejnožroutí hrudi, a to tak, aby se první hrudní článek vyvíjel stejně jako druhý. V takovém případě na něm začala vznikat typická křídla. Pokud by rohy vznikaly z jiných základů než křídla, jejich základy by ke vzniku těchto „mutantních“ křídel vůbec nepřispívaly a dost možná by se vyvíjely paralelně s nimi. To se však nepotvrdilo. Rozvoj křídel vedl k odpovídající redukci rohů. Základy těchto dvou struktur jsou tedy úplně nebo z větší části totožné.
Stejný závěr podpořilo i to, že zablokování genů specifických pro vytváření rohů ale nijak neovlivňujících „slušná“ křídla na druhém a třetím hrudním článku zablokovalo vývoj „mutantních“ křídel na prvním hrudním článku. Analýza zaměřená na přepisování širokého spektra vývojových genů navíc ukázala, že nejzákladnější geny charakteristické pro vytváření křídel užívají brouci i při vývoji rohů a dalších struktur, které pocházejí ze stejných základů. Celá řada doprovodných vývojových genů, které stojí za růstem rohů, ovšem genům ovlivňujícím vývoj křídel neodpovídá. Obě struktury tedy očividně sdílí podobné strukturní a vývojové základy, stovky milionů let se ale vyvíjejí jiným směrem.
Závěrem můžeme připomenout vousaté, ale stále platné pozorování, že vše zajímavé v evoluci hmyzu vzniká hrou s opakujícími se původně totožnými přívěsky. Ve světle broučích rohů také nemá valnou cenu držet klasický rozdíl mezi evolučními novinkami a „seriálními homologiemi“, tj. orgány, které mají základ v opakování stejného elementu. Valná část toho, co se nám jeví jako nové, totiž očividně nevznikla „na zelené louce“, ale postupným vrstvením již existujících struktur a procesů.
Zdroj: Hu Y, Linz DM & Moczek AP (2019): Beetle horns evolved from wing serial homologs. Science, 366.