DNA při vývoji obratlovců - Prostředky evoluce a vývoje částí těla na počátku kambria
Paleontologie a evoluční biologie jsou obory, o kterých tento blog pojednává patrně nejvíce ze všech, ale já jakožto autor a část mého okolí jsme obeznámeni s tím, že některé předpoklady vyřknuté právě těmito dvěma obory jsou překonány pomocí metod molekulární biologie a studií DNA různých živočišných druhů. Bohužel v tomto případě se do budoucna mohou závěry všech z nich postupně rozcházet a za předpokladu, že se v analýzách deoxybonukleonové kyseliny nebudeme plést a závěry budou věrohodné, pak bychom je museli vzít jako nerelevantnější zdroj a hledat kompromisy s fosiliemi, které by s nimy byly v rozporu. Paleontologie se ale stále snaží zkoumat život dokazatelný z hornin a jeho interakce mezi sebou, faktem ovšem zůstává, že fosilní záznam a evoluční nálezy nejsou tak ucelené, abychom si byli jistí v případě velkých evolučních skoků a mohli je ztotožnit s určitými taxony. Je do velké míry pravděpodobné, že nikdy nebudeme znát zcela určitě druh živočicha, který dal vzniknout některému z velkých kladů nebo nadčeledí, protože to z evolučního i logického hlediska není příliš pravděpodobné. Navzdory tomu, známe ancestrální taxony pro některé rody, jako je i rod Homo, do kterého spadáme, patrně i známý Tyrannosaurus nebo Cetiosaurus. V tomto případě se ale bude jednat o poměrně zvláštní případ - nová studie mezinárodního vědeckého týmu totiž přišla s názorem, že čelistnatí obratlovci (Gnathostomata) se nevyvinuli z bezčelistnatců (Agnatha) přímou cestou, ale hybridizací dvou taxonů. Tento názor odvodili právě na základě analýzy DNA.
Rekonstrukce drobného zástupce třídy Thelodonti, rodu Furcacauda, v hejnu plujícím ve spodnosilurském moři současné Kanady. Ačkoliv velikostně šlo pouze o malého živočicha, patrně byl poměrně hojným zástupcem po dobu celého devonského i silurského období, pravděpodobně krátce po tom, co proběhl poměrně důležitý krok ve vývoji čelistí u obratlovců v podobně křížení dvou bezčelistnatých druhů. Pokud se závěry studie potvrdí, mohly by radikálním způsobem změnit naše předpoklady o evoluci všech čelistnatých obratlovců. Kredit: Nobu Tamura, převzato z jeho blogu
Přírodní vědy pokročily za dlouhou dobu jejich zkoumání o ohromný kus vpřed, zprvu oddělené obory chemie, fyziky, biologie a později paleontologie, geologie se začaly pomalu a jistě v některých aspektech spojovat a dnes je naprosto běžné zkoumat jeden z nich formou toho druhého. V úvodu bylo vysvětleno, že je poměrně pravděpodobné, že se v budoucnu při správné manipulaci budou moci mezery mezi fylogenezemi nebo evolučními fosilními nálezy vyplnit právě pomocí analýz DNA. Podařilo se tak například prozkoumat evoluční vztahy mezi želvami (Testudines) a ostatními (Sauropsida) a vytvořit tak podpůrnou hypotézu pro jejich zařazení ne do samostatného řádu anapsidů, ale jako zástupce diapsidních plazů (Diapsida). Do budoucna bude patrně případů podobného typu přibývat.
Překvapivé přesto ovšem bylo, když byla publikována studie kolektivu několika paleontologů a vědců z celého světa, kteří zkoumali genom ryb a ostatních obratlovců (Vertebrata) k rekonstrukci našeho vzdáleného evolučního předka,, který se vyvinul poprvé s čelistmi. Do tohoto spojení byli dříve dáváni především akantodi (Acanthodii) a částečně také pancéřnatci (Placodermi), kteří mají pravděpodobně původ již ve svrchním ordoviku, tvořící nejstarší prokazatelné ozubené obratlovce.
Je ovšem velmi těžké určit přesný vývojový kladogram s přibližnou dobou oddělení jednotlivých skupin od sebe, podobně jako u velké většiny jiných evolučně důležitých skupin ve starším paleozoiku, ale některé studie předpokládaly v minulosti, že k tomu došlo před přibližně 500 miliony let ve svrchním kambriu. Shodovaly se ovšem na faktu, že evoluce čelistnatých a bezčelistnatých obratlovců probíhala souběžně a obě skupiny měly pouze jednoho společného vývojového předka, ze kterého se oddělily ve zmíněnou dobu nebo později. Nová studie ovšem přichází s myšlenkou, která je názoru zcela odlišného a mohla by poměrně revoluční způsobem změnit naše chápání vývoje čelistnatých obratlovců.
Víme také, že při vývoji čelistnatců se od vývojové linie k těmto obratlovcům oddělovaly další velké skupiny, klady a třídy, které dle stavby ústního otvoru lze k bezčelistnatým obratlovcům zařadit (kupříkladu skupiny Pituraspida, Thelodonti nebo Osteostraci), ale stále platil oprávněný předpoklad, že se právě tyto skupiny od evoluční linie čelistnatců oddělily.
Vedoucí autor studie, prof. Daniel Rokhsar z OIST (Okinawa Institute of Science and Technology), se spolu s dalšími vědci zaměřili na prozkoumání genomu veškerých současných obratlovců ve snaze najít společné znaky jejich DNA, konkrétně chromozomových párů, které naše DNA obsahuje. Posuzovány byly u širokého spektra moderních druhů žvočichů - ptáků (Aves), savců (Mammalia), ryb (cff. Euteleostomi), žab (Anura), mihulí (Hyperoartia) a měkkýšů (Mollusca). Referenčním taxonem zde byl kopinatec plžovitý (Brachiostoma lanceolatum), který představuje formu blízkou raným strunatcům známým ze spodního paleozoika.
Výzkum chromozomů byl podmíněn z důvodu, že tyto struktury nejen nesou genetickou informaci od každého z rodičů, ale také kvůli jejich stabilitě i v rámci stovek milionů let (z hlediska udržení dědičných informací i z obrovského množství předchozích generací) a dosud si chromozomy u moderních živočichů jsou nápadně podobné. Podobnost u nich nacházíme i přes velké množství mutací, kterými si recentní druhy prošly při dlouhé evoluční cestě.
Prof. Rokhsar intepretuje vyvození příbuzenských vazeb na základě analýzy chromozomů, jako posouzení genomů u dvou odlišných druhů živočichů (ve studii šlo o modelový příklad plže (Gastropoda) a mořské hvězdice (Asteroidea) jakožto dvou vývojově vzdálených kmenů) a následné nalezení shodných skupin genů. Pokud se podobná shodná skupina najde, oba živočichové či organismy měly od jejich posledního společného předka.
Spoluautoři studie, prof. Oleg Simakov z Vídeňské univerzity a Ferdinand Marlétaz z University College, provedli právě tuto analýzu pro kopinatce a potvrdili závěr, že má velmi blízko k předkům všech strunatců (Chordata) po objevení 17 párů chromozomů odpovídající velmi archaickému původu. Na základě nich tedy vědci začaly rekonstruovat podobné jednotky u současných obratlovců.
Právě oných 17 párů dokázalo vědcům potvrdit, že zde došlo ke dvě případům zdvojení genomů u primitivních obratlovců - první sdílejí naprosto všichni (bezčelistnatci i čelistnatí), ale druhou pouze čelistnatci, kde došlo ke zvláštnímu jevu nerovnovměrné ztráty genů po jejich druhém zdvojení napříč dvěma sadami chromozomálních kopií (které vznikly právě zdvojením genomů).
Autoři studie uvádějí, že k prvnímu zdvojení u všech obratlovců došlo ve svrchním kambriu před zhruba 500 miliony let. Paleontologické nálezy ovšem tuto dobu, kdy se objevují první obratlovci, posouvají až do doby před 535 až 525 miliony let, což by samo osobě mohlo poukazovat na fakt, že tito obratlovci byli ještě primitivnější než bezčelistnatci a sdíleli s nimi společného předka už na počátku kambria.
Zdvojení genomu a nerovnoměrná ztráta genů po něm je ale velmi důležitým aspektem výzkumu a celkově studie, jde totiž o aspekt, který je v genetice důkazem genomové duplikace po hybridizace dvou druhů. Znamenalo by to tedy, že čelistnatci vznikli ne zcela přirozeným pohlavním výběrem, kdy se spářily dva druhy bezčelistnatých obratlovců a po nich měl jejich potomek specificky utvářený genom, který dále podnítil vývoj čelistí.
Ačkoliv se to zdá na první pohled neuvěřitelné, může jít o přelomový objev pro vývoj čelistí a čelistnatých obratlovců vůbec, protože dokazuje, že bez drobné změny v genomu procesem hybridizace by patrně čelist nikdy nevznikla. Šlo o proces, kdy vznikl zcela nový typ morfologie u pozemského organismu, který se stal progresivním a unikátním. Organismus-hybrid s čelistmi, který se poprvé objevil patrně v průběhu pozdějšího ordoviku, se stal předkem veškerých pozdějších obratlovců.
Může to znít neuvěřitelně, ale hybridizace probíhá i u některých dnešních druhů ryb, žab, šelem (Carnivora) nebo rostlin, kde pomocí ní prosperuje především sadařství a genetika vedoucí k lepším výsledkům sklizně, delšímu vegetačnímu období nebo menší náročnosti sazenic, a někdy se stává zcela přirozeným procesem v přírodě (tzv. siven tygří, v angličtině tiger trout). Ve většině případů sice hybridní potomci nepřežívají dlouho, ale existují občasné výjimky, které přežijí a přizpůsobí se mohou být nadále úspěšné a rozmnožovat se i s pozměněnými genomy.
Evoluce čelistnatců tedy je patrně daleko složitější, než jsme si dosud představovali a dle hypotéz mohli předpokládat, a navíc začala tedy náhodným spářením dvou patrně blízce nepříbuzných druhů bezčelistnatců.
Kupodivu, jev duplikace genomů u obratlovců a strunatců oproti jejich bezobratlým předkům byl popsán již v 70. letech 20. století japonským genetikem Susumuem Ohnoem. Nebylo ovšem jasné, co podobné změny u obratlovců mohlo započít. Duplikované genomy mohou být navíc zakryty další duplicitou, zdvojené genomy jsou navíc pouze kopie předchozích genomů a je možné je "vypnout" mutacemi nebo je v přirozeném výběru zařadit mezi další genomové sady a tedy je asimilovat. Při současných technologiích ovšem dokážeme množství z těchto jevů pozorovat a analyzovat, právě toto dalo možnost poznání tajů evoluce čelistnatých obratlovců.