Evolúcia prírodným výberom spočíva v obrovskom počte pokusov a omylov, ktoré prebiehajú na úrovni populácií. Dokladá to aj očividná nedokonalosť organizmov.
Evolúciu neraz verejnosť pokladá za proces s určitým konkrétnym cieľom. Evolúcia je však v zásade slepá: spontánne reaguje na zmeny podmienok prostredia s tým, čo je naporúdzi. Cez prírodný výber preosieva ponuku znakov v populáciách predmetného biologického druhu, vytváranú zväčša náhodnými mutáciami DNA. Prežijú a rozmnožia sa iba jedince s tými výhodnými.
Mnohé tvory majú isté znaky sťaby ideálne pre konkrétny účel. No iné ich znaky, ba väčšina, sú ďaleko od dokonalosti či aspoň optimálneho konštrukčného riešenia. Claire Ainsworthová a Michael Le Page uviedli v časopise New Scientist sedem krikľavých príkladov.
Zlé dýchanie
Potenciálnu výkonnosť ľudských pľúc ilustrovalo prvé zdolanie Mount Everestu bez použitia kyslíkových masiek v roku 1978. No cicavce v tejto disciplíne zatienil tri roky predtým sup bielohlavý, ktorého nasalo do leteckého motora vo výške 11 264 metrov. Vtáky môžu lietať tak vysoko vďaka stavbe pľúc so vzdušnými vakmi a trubičkami. Vzduch cez ne prúdi jednocestne - okysličený sa nezmiešava s vydychovaným. Je to nevyhnutné kvôli rýchlemu vtáčiemu metabolizmu, lebo lietanie je energeticky náročné.
Pľúcami cicavcov prúdi vzduch dvojcestne, okysličený sa zmiešava s vydychovaným. Prechod kyslíka do krvi cez pľúcne mechúriky cicavcov je preto menej efektívny ako cez trubičky vtákov, najmä pre menšiu plochu na výmenu plynov. A tenkostennosť mechúrikov, vynútená funkciou, ľahko vedie k defektom a chorobám. Vtáčie pľúca sú v rade zreteľov výkonnejšie a výhodnejšie ako cicavčie.
Sup bielohlavý je držiteľom výškového rekordu doletu vtákov. Foto: Calo Bescós.
Krátka trvácnosť
Tak ako spotrebiče, ani naše telá nie sú naplánované, aby vydržali dlho. Telesne začíname upadať už po dvadsiatke. Nedávne objavy bunkových signálov kontrolujúcich starnutie, hoci iba pri hlístach a iných jednoduchých živočíchoch, oživili starú myšlienku, že starnutie je spôsob, ako sa zbaviť skoršej generácie živočíchov, aby uvoľnili priestor ďalšej.
Podľa väčšiny biológov je však starnutie jednoducho nám nemilý vedľajší dôsledok prírodného výberu. Gény prospešné neskôr v živote nepreferuje, veď staroby sa dožíva menej jedincov. Naopak môže preferovať gény v starobe škodlivé, no v mladosti prospešné. Organizmy viac investujú do rastu a reprodukcie ako do opráv chýb, ktoré tvoria základ starnutia. Zdá sa, že spomenutý systém bunkových signálov pracuje na základe princípu niečo za niečo: oprava alebo reprodukcia?
Hlísta druhu Caenorhabditis elegans patrí vo výskume príčin starnutia ku základným laboratórnym živočíchom. Foto: American Phytopathological Society.
Niektoré živočíchy sa reprodukujú skoro, rýchlo starnú a zomierajú mladé, najmä keď ich výrazne ohrozujú predátory (príkladom sú malé hlodavce ako myši). Iné zasa starnú mimoriadne pomaly (mnohé plazy a ryby), ba viac potomstva produkujú vo vyššom veku, keď aj každý ďalší rok zomiera menšia časť ich populácie - označuje sa to ako záporné starnutie. Starnutie je zvlášť intenzívne v prípade cicavcoch.
Stratégia rýchlo sa množiť a zomierať mladí zrejme vznikla v ére dinosaurov, ktoré veľmi dlho dominovali nad cicavcami (obe skupiny vznikli v rovnakom čase) - cicavce kvôli nej prišli o niektoré schopnosti, ktoré pomáhajú odložiť telesný úpadok. Napríklad chrup sa nám neobnovuje donekonečna ako plazom, ani poškodený sluch ako vtákom.
Evolúcia človeka - cicavca - naopak tlačila na predĺženie veku. Jestvovanie starých rodičov totiž pomáhalo vychovať viac detí, ako keby sa o ne starali iba rodičia. Staršia žena navyše účinnejšie prenesie svoje gény do ďalších generácií, keď pomôže s deťmi dcére alebo neveste, ako keby mala ďalšie vlastné, lebo s vekom rodičky stúpa riziko genetických defektov plodu a telesnej i duševnej slabosti narodených detí. Seniori boli dôležití takisto kvôli účinnejšiemu prenosu ústnej tradície. Napokon sa však generácie musia vystriedať. Miera, v ktorej sa ľuďom zatiaľ podarilo prekonať dedičstvo skorých cicavcov, nás stále neuspokojuje.
Výroba mutácií
„Recept" na človeka je v jeho DNA. A tak by enzýmy, ktoré ju pri delení našich buniek kopírujú, DNA-polymerázy, mali pracovať superpresne. Lenže zo 14 našich DNA-polymeráz to platí iba pre 4 - zmýlia sa raz na jeden milión „písmen" DNA. Ostatných desať robí až jednu chybu na 100 skopírovaných „písmen" DNA.
Načo sú nám také nepresné enzýmy? Presné enzýmy nedokážu rozpoznať poškodené „písmená", nepresné áno, ale za cenu vyššej chybovosti aj pri nepoškodenej DNA. Vyšším počtom mutácií platíme za nižšiu frekvenciu odumierania buniek pri delení.
Aj imunitný systém takto vytvára nové protilátky. Niektoré baktérie pri strese prechádzajú na chybujúce polymerázy, aby vznikli mutácie, ktoré pomôžu prežiť aspoň časti ich populácie. No obrovská väčšina mutácií je neutrálna alebo škodlivá. Vedci skúšajú deaktivovať chybujúce DNA-polymerázy v našich bunkách ako prevenciu rakoviny. Sú nevýhodné pre jedinca a jeho potomkov, no skvelé pre populáciu - aspoň jej časť máva výhodné mutácie.
Veľké premiešavanie DNA
Pri kopírovaní našej DNA hrozia straty jej úsekov, ich zdvojenie, alebo to, že sa v kópii skombinujú opačne. Takto vznikajú genetické defekty a vyššia citlivosť na choroby. Zväčša sa to stane, keď sa počas produkcie vajíčok a spermií spárujú k sebe patriace už zdvojené chromozómy (materské a otcovské) a vymieňajú si zodpovedajúce úseky DNA. Pomáha to odstraňovať škodlivé mutácie - aspoň časť potomstva ich má menej, takže prežije a rozmnoží sa.
Lenže pri rekombinácii takto môžu niektoré chromozómy získať DNA navyše, iné zasa menej DNA - priveľa či primálo konkrétnych génov, čo zvyčajne vedie k vyššie spomenutým nepríjemnostiam. Nie vždy je to však zlé. Nadbytočné gény sa totiž stávajú surovinou evolúcie - jedna kópia plní pôvodnú funkciu, druhá či ďalšie môžu zmutovať a nadobudnúť nové. Zvlášť vysoký počet zduplikovaných génov majú z cicavcov primáty, šimpanzy a človek najviac. Viacnásobné gény sa navyše rýchlo vyvíjajú. Práve v nich môže byť jadro „ľudskosti". Pre jedinca a jeho potomkov je duplikovanie génov chyba, pre populáciu vďaka tvorbe genetickej rozmanitosti, predpokladu evolúcie, však znamená obrovskú výhodu.
Slepá škvrna
Proti evolúcii sa často argumentuje okom. Veď čosi také zložité a dokonalé predsa nemohlo vzniknúť postupnými krokmi! Oko je zložité, no odhaľuje neplánovanosť evolúcie. Najviac oko stavovcov. Je akosi naopak, svetlocitlivé bunky sietnice sa nachádzajú vzadu, nervy a cievy, ktoré ich vyživujú vpredu. Svetlo sa cez ne k sietnici musí prebíjať a navyše samé na mieste, kde prechádzajú za sietnicu, vytvárajú slepú škvrnu.
Hlavonožce majú oko vybudované "správne". Lenže sietnica stavovcov vznikla zo záhybu mozgu tak, že potenciálne svetlocitlivé bunky ležali na vnútornej strane. Také čosi sa potom ťažko mení. No evolúcia odviedla najlepšiu zo zlých prác. Stavovce prekonali prvotný hendikep viacerými adaptáciami. Primáty majú trebárs foveu, ústrednú jamku sietnice (žltá škvrna), kde sú nervy a cievy odtlačené nabok a miesto nich je plná svetlocitlivých buniek. Zostáva však malá, aby sa dalo zvládnuť jej dobré zásobovanie kyslíkom - máme ostré stredové videnie a hmlisté periférne. A tak je naše oko napokon výkonnejšie ako oko hlavonožcov.
Vtáky však vďaka anatomickému prvku pecten využívajú sietnicu lepšie a preto aj vidia ostrejšie ako my, zvlášť dravce. Stavba nášho oka sa tak či onak javí ako chyba.
Ľudské oko sa javí také dokonalé, ale nie je - aj tu evolúcia "príštipkárila". Foto: Steve Jurvets.
Spaľovanie matríc
V každej bunke máme desiatky drobných útvarov označovaných ako mitochondrie. Pomocou kyslíka „spaľujú" cukry na energiu pre bunkové procesy. Vznikajú pri tom však aj vysoko škodlivé molekuly, voľné radikály. Napriek tomu sa v mitochondriách nachádza citlivá DNA, 13 génov kódujúcich kľúčovo dôležité bielkoviny.
Na takom rizikovom mieste sa však ľahko hromadia mutácie. Nimi spôsobené postupné oslabovanie funkcie mitochondrií je asi v pozadí jednak starnutia všeobecne, jednak chorôb súvisiacich s vekom ako diabetes či Alzheimerova.
Mitochondrie majú vlastnú DNA, lebo pôvodne to bývali voľne žijúce baktérie, ktoré pred zhruba 2 miliardami rokov vstúpili do vnútornej symbiózy s našimi jadrovými bunkami. Neskôr veľa vlastných génov stratili, alebo sa z nich presťahovali do jadra bunky. Výskum starnutia hľadá spôsob, ako do bezpečia bunkového jadra dostať aj zvyšné - no takto by sa už predmetné bielkoviny neprodukovali v mitochondriách, kde ich treba. Alternatívou je dostať do mitochondrií návod na bielkoviny prepísaný do informačnej RNA, takže samotné gény DNA by sídlili v bunkovom jadre, ale bielkoviny by sa ďalej produkovali v mitochondriách. DNA v rizikovom vnútri mitochondrií prekáža „trvácnosti" organizmu.
Neefektívna fotosyntéza?
Enzým RuBisCo mení oxid uhličitý z ovzdušia na uhlíkové reťazce organických molekúl, základ života. Konkrétne viaže oxid uhličitý k cukru ribulózovému bisfosfátu. Na planéte je to najhojnejšia bielkovina. Azda preto, že sa javí ako funkčne mimoriadne neefektívna.
RuBisCo patrí k najpomalším známym enzýmom, katalyzuje reakciu iba troch molekúl za sekundu, kým bežné enzýmy desaťtisícov. Navyše občas nerozpozná oxid uhličitý od dvojatómovej molekuly kyslíka (zdá sa, že RuBisCo vznikol v časoch, keď bolo v ovzduší kyslíka oveľa menej, takže na príležitostných omyloch ešte toľko nezáležalo), čo vedie k strate uhlíka i energie.
Fotosyntéza je oveľa menej efektívna, ako by mohla byť. Niektorým rastlinám sa však vyvinuli isté spôsoby znižovania kyslíkovej omylnosti RuBisCa. A vedci nedávno zistili, že RuBisCo je vlastne vzhľadom na podobné fyzikálne znaky molekulárneho kyslíka a oxidu uhličitého v ich rozpoznávaní voči iným enzýmom veľmi dobrý, lebo želateľným spôsobom skrúti molekulu bisfosfátu - platí za to však ťažším uvoľňovaním koncového produktu a tým pomalosťou katalýzy. V skutočnosti teda RuBisCo nie je neefektívny, ale taký efektívny, aký mohol byť. Vedci uvažujú nad možnosťami vylepšenia.
Keby RuBisSco fungoval ako enzým efektívnejšie, tento vodný hyacint by sa množil ešte oveľa ľahšie. Foto: James Madison University.
Načo nám je chlpatý zadok?
Ainsworthová a Le Page nezostali iba pri siedmich príkladoch očividnej nedokonalosti evolučného procesu. Aspoň vymenovali šestnásť ďalších.
Ženská panva po našej adaptácii na chôdzu po dvoch nohách nezodpovedá rozmerom ľudského mozgu, ktorý sa z veľkej časti vyvinie už v maternici. Lebka novonarodených detí je tak priveľká a ľudia tak majú ťažšie pôrody, ako ktorýkoľvek iný primát.
Pozdĺžnym chromozómom pri bunkovom delení erodujú končeky (čo súvisí so starnutím), kruhovým by to nehrozilo.
Vonku umiestnené semenníky sú chladené, ale zraniteľné.
Vagína a močová trubica blízko análneho otvoru zvyšujú u žien riziko infekcií.
Mnohí máme primalé čeľuste na zuby múdrosti.
Mutácia nášho génu Glo tak ako pri väčšine primátov spôsobila, že nedokážeme produkovať vitamín C.
Nik nevie, na čo je slepé črevo, ale môže nás zabiť zápalom.
Blízkosťou hrtanu a hltanu stúpa riziko, že sa zadusíme.
Lakťový nerv prebieha nechránený za lakťom, nie pred ním, ľahko nám môže brnieť.
Mozgové bunky nám poškodí či zničí už zopár minút bez kyslíka (istý žralok bezpečne prežije bez kyslíka hodinu).
Náš genóm je posiaty „parazitickou DNA", akýmisi preskakujúcimi génmi, ktoré môžu vyvolať dedičné choroby.
Na poslednom krčnom stavci máme výbežok zvyšujúci riziko zlomeniny a poškodenia mozgového kmeňa.
Pri vzpriamenej chôdzi sa pohybujeme na „zápästiach" dolných končatín, čo má štruktúrne ďaleko k optimálnosti.
Mužský chromozóm Y hromadí mutácie, lebo si nemôže vymieňať gény so ženským chromozómom X.
Máme veľmi citlivé srdcia - už pomerne malé poškodenie spúšťa katastrofickú kaskádu udalostí, ktoré ich poškodia ešte viac.
Nuž, a komu dnes ešte treba chlpaté zadky?
Jedným z kľúčov k starnutiu je ovplyvniť pomery na končekoch chromozómov, telomérach (tu jasné žlté body). Foto: Oak Ridge National Laboratory.
Napriek faktu, že evolúcia takto „príštipkári" a pracuje s najlepšími zo zlých riešení, niektoré zdanlivé nedokonalosti organizmov azda majú skrytý význam. Veď si len skúsme predstaviť, čo by mohla urobiť trebárs oveľa efektívnejšia fotosyntéza s ovzduším a zvyškom biosféry.
No všetko nemusí vyplynúť z nevyhnutnosti - núdzové riešenia bývajú improvizované a majú sklon pretrvávať, aj keď nie sú optimálne. Až do ďalšej zmeny podmienok prostredia, alebo v našom prípade geneticko-inžinierskeho zásahu. Také čosi samozrejme vyžaduje mimoriadnu opatrnosť. No ak by sme podobným zásahom napríklad zmiernili sumu ľudského utrpenia, treba to aspoň skúsiť a preveriť riziká.
Autor: Zdeněk Urban pre sme.sk
