Řád z Chaosu

Co jsou protisti

Svět jednobuněčných organismů zůstával pro své nepatrné rozměry dlouho skryt. Až Anton van Leeuwenhoek pozoroval v 17. století ve svém mikroskopu různé formy „zvířátek“ („animalcules“). Zakladatel systematické biologie Carl von Linné si s takovými tvory nevěděl rady a většinu z nich shrnul do jediného rodu Chaos. Mnohem později, ve 20. století, se tato „zvířátka“ podařilo podle stavby jejich buněk rozdělit do dvou skupin: Prokaryota a Eukaryota. Jednobuněčným eukaryotům se dnes obecně říká protisti a věda, která se jimi zabývá, je protistologie. S jejich klasifikací a vztahem ke třem hlavním mnohobuněčným skupinám (živočichům, rostlinám a houbám) byla vždy potíž a není divu, že co badatel, to jiný názor. Zjednodušeně lze říci, že protisti se dříve rozdělovali podle způsobu výživy na heterotrofní prvoky (Protozoa) a fotosyntetické řasy (Algae). Později, po odčlenění od rostlin, k nim přibyly i jednobuněčné houby (Fungi). Ve většině systémů byli prvoci řazeni mezi živočichy, kdežto řasy byly považovány za rostliny. Protože se však řada forem, např. krásnoočka a obrněnky, živí tak i tak, nebylo možné rozhodnout, zda jde o živočichy nebo rostliny (nebo houby), a tyto organismy se tak ocitly ve dvou, nebo v extrémních případech ve třech říších zároveň. Někteří badatelé (počínaje Ernstem Haeckelem) proto raději protistům vyčlenili samostatnou říši.

Ve světelném mikroskopu vypadají prvoci obvykle jako různě se pohybující kuličky. Proto nebylo dlouho k dispozici mnoho morfologických znaků použitelných pro jejich přirozenou klasifikaci a byli rozdělováni jen podle pohybu. Pozůstatek tohoto systému máme zakořeněný ze střední školy. Kdo by si nevzpomněl na bičíkovce (Flagellata), kořenonožce (Rhizopoda), výtrusovce (Sporozoa) a nálevníky (Ciliophora)? Řasy měly proti prvokům výhodu v různé barevnosti způsobené především fotosyntetickými pigmenty. Byly tradičně děleny na ruduchy (Rhodophyta), zelené řasy (Chlorophyta), hnědé řasy (Chromophyta) ad. Zatímco dělení podle pohybu se ukázalo být zcela umělé a dnes z něj zbyly jen mlhavé vzpomínky, některé tradiční skupiny řas zůstaly platné dodnes.

Přelom v klasifikaci prvoků – protist nastal v šedesátých letech 20. století, kdy se v jejich výzkumu začala uplatňovat elektronová mikroskopie. I ty nejmenší buňky se najednou zdály být obrovské a dala se zkoumat jejich struktura. Byla objevena řada organel a cytoskeletálních útvarů, jejichž funkce byla zpočátku neznámá. Většina protistních skupin se však svou buněčnou strukturou nepodobala ani živočichům, ani rostlinám, ani houbám, ani sobě navzájem. Tradiční pojetí prvoků jako primitivních živočichů či rostlin vzalo za své. Bylo zjevné, že protisti tvoří více poměrně homogenních skupin s nejasnými příbuzenskými vztahy mezi sebou. Elektronový mikroskop kraloval protistologii do devadesátých let minulého století, kdy jej vystřídal jiný mocný nástroj.

Nástup molekulární fylogenetiky

Molekulární fylogenetika vyvinula postupy pro rekonstrukci fylogeneze podle podobnosti genů či proteinů. Klasikou fylogenetických studií se stal gen pro RNA malé podjednotky ribozomu (SSU rRNA). Je totiž všudypřítomný a jeho sekvence lze srovnávat i mezi nejvzdálenějšími organismy. Během éry SSU rRNA (devadesátá léta minulého století) se ustálila představa eukaryotického evolučního stromu jako dlouhého kmene, z něhož sepostupně odvětvuje několik málo výhonků „primitivních“ skupin (mikrosporidií, diplomonád, trichomonád a trypanozom) a na jehož vrcholu bují koruna všech ostatních jednobuněčných (např. obrněnek, výtrusovců) i mnohobuněčných eukaryot. Protože první výhonky tohoto stromu představovali eukaryoti, o nichž se myslelo, že nemají mitochondrie, podporoval tento strom v té době populární hypotézu Archezoa. Podle ní první eukaryoti mitochondrie neměli, neboť ty se do jejich buněk dostaly až později endosymbiózou s α-proteobakterií. Tato hypotéza byla však posléze zavržena, protože nepřítomnost mitochondrií byla jen zdánlivá. Všechny skupiny eukaryot mají ve svých buňkách mitochondrie aspoň ve formě drobných a dlouho přehlížených mitozomů či známějších hydrogenozomů, jejichž příbuznost s mitochondriemi byla řadu let sporná. Nakonec byl zpochybněn i samotný evoluční strom SSU rRNA. Máme totiž závažné důvody domnívat se, že neodráží skutečný vývoj eukaryot, ale spíše nedokonalost statistických metod.¹⁾

Po vystřízlivění z éry SSU rRNA se fylogenetické studie začaly provádět na více genech a proteinech. S rozvojem metod pro sekvenování genomů a transkriptomů²⁾ narostlo jejich množství v databázích tak rychle, že můžeme pro fylogenetické studie použít stovky proteinů. Hovoříme o multigenových nebo fylogenomických studiích. Z obavy před statistickými artefakty si vědci začali všímat také znaků vzniklých při tzv. vzácných genomových změnách.³⁾ Protože znaky tohoto typu vznikají zřídka a opakovaný vznik je nepravděpodobný, svědčí jejich výskyt obvykle o příbuznosti. Představte si, že u několika eukaryot naleznete gen, který se u jiných vůbec nevyskytuje a je navíc příbuzný genu určité skupiny bakterií. Nejlepším vysvětlením vašeho pozorování bude, že tito eukaryoti jsou potomci jedince, jenž tento gen získal od bakterií, a patří tedy všichni na jednu větev fylogenetického stromu. Avšak i takové znaky musíme interpretovat obezřetně, protože i ony mohou skrývat záludnosti.

Nové schéma fylogeneze eukaryot

Multigenové analýzy v kombinaci se vzácnými genomovými změnami a morfologickými znaky přerozdělily eukaryoty na počátku 21. století do pěti „říší“ (superskupin, obr. 1, viz rámeček). Tento nový koncept nemá s dřívějšími klasifikacemi téměř nic společného.⁴⁾ Protisty nalezneme ve všech nových říších. Morfologicky nápadné znaky (bičík nebo amébovitý pohyb) nehrají v tomto systému žádnou roli. Každá říše má své bičíkovce, měňavky obývají především říše Amoebozoa a Chromista, nalezneme je však i jinde. Nálevníci nestojí někde stranou ostatních protist, ale jsou to blízcí příbuzní výtrusovců a typických bičíkovců obrněnek. Samozřejmě nejsme schopni zařadit všechny eukaryoty do některé z říší, a to nejčastěji proto, že nemáme k dispozici dostatek dat.⁵⁾ Ani nová klasifikace není definitivní, neustále se vyvíjí a obsahuje hned několik sporných míst.

Naprostá většina protist nemá s klasickými mnohobuněčnými skupinami nic společného (viz rámeček). Ačkoli jsou houby, rostliny i živočichové na počet známých druhů mnohem bohatší než protisti, představují na fylogenetickém stromu eukaryot pouze tři větve. Pestrost říší eukaryot představují protisti. Pokud bychom např. živočichům přiznali status říše, museli bychom podobné říše vytvořit pro mnoho skupin protistů. Navíc se mnohobuněčnost vyvinula také v několika dalších liniích (např. u chaluh, hlenek a zelených řas). Původní eukaryotický organismus byl zcela jistě jednobuněčný a mnohobuněčné linie můžeme s nadsázkou označit za protisty, kteří „vynalezli“ mnohobuněčnost.

Sporná Excavata

Tato říše je problematická hned ze dvou hledisek. Existují dobré důvody domnívat se, že uvnitř této říše leží kořen eukaryotického stromu. Kdyby se to potvrdilo, byla by Excavata jako přirozená (monofyletická) skupina zavržena. Nešlo by o řádnou větev, protože by se nemohla pyšnit společným předkem, jenž by nebyl předkem jiných eukaryot. Místo toho by se z ní stal nejstarší vývojový stupeň eukaryot, z nějž všichni ostatní eukaryoti vznikli. V očích vědců zabývajících se vznikem eukaryot by se Excavata stala ještě atraktivnější, avšak jako říše by byla zrušena. I když si takovou polohu kořene eukaryot odmyslíme, organismy řazené mezi Excavata se v analýzách jen zřídka sejdou na jedné větvi evolučního stromu. Vzhledem k tomu, že Excavata nelze dobře definovat ani morfologicky, nezbývá než tuto říši považovat za velmi dobrou taxonomickou hypotézu, pro niž zatím chybí solidní podpora.

Zašmodrchaná evoluce eukaryot s plastidem

Jednou z nejzapeklitějších otázek evoluce eukaryot je původ a příbuzenské vztahy organismů s chloroplastem (obecněji plastidem) – rostlin a řas. Dnes se všeobecně chápe původ fotosyntetizujících organel eukaryot (pravých plastidů) jako dílo jediné dávné endosymbiózy eukaryotické hostitelské buňky a sinice.⁶⁾ Dále je zřejmé, že přímými produkty této „primární endosymbiózy“ jsou tři dobře vymezené skupiny, a to málo známé glaukofyty (Glaucophyta), ruduchy (Rhodophyta) a zelená linie (Chloroplastida neboli Viridiplantae), zahrnující zelené řasy a z nich vzniklé „pravé“ rostliny. U těchto organismů je plastid obalen dvěma membránami a označuje se jako primární plastid. Všichni ostatní eukaryoti s plastidem⁷⁾ představují chimérické organismy vyššího řádu, neboť jsou produktem sekundárních (popřípadě terciárních) endosymbióz. Endosymbiontem zde nebyla prokaryotická sinice, ale eukaryotická fotosyntetizující řasa. Tyto organismy mají plastidy s dodatečnými obalovými membránami, které obvykle pocházejí z plazmatické membrány endosymbionta a endoplazmatického retikula hostitelské buňky.

Předmětem neutuchajících sporů však zůstává, kdy během vývoje eukaryot vznikl primární plastid. Není jasné, zda eukaryot, který získal primární plastid, byl předkem pouze glaukofytů, ruduch a zelené linie (a tyto tři skupiny tedy tvoří monofyletickou říši Archaeplastida), či zda mezi potomky tohoto organismu jsou také nějaké eukaryotické linie, které primární plastid už nemají.⁸⁾

Druhým kontroverzním aspektem evoluce plastidů je počet sekundárních endosymbióz. Přinejmenším třikrát došlo ke vzniku sekundárního plastidu pohlcením zelené řasy, a to u krásnooček (Euglenida), chlorarachnidů (Chlorarachniophyta) a obrněnek rodu Lepidodinium. Navíc existuje několik skupin se sekundárním plastidem vzniklým pohlcením ruduchy.⁹⁾

Kde leží kořen eukaryotického stromu?

Pod poetickým názvem „kořen“ se v evoluční biologii myslí nejhlubší místo větvení fylogenetického stromu určité skupiny organismů. Hledání pozice kořene stromu není samoúčelné, neboť umožňuje určit směr evoluce jednotlivých znaků a rekonstruovat pravděpodobnou podobu předka. U eukaryot by tato znalost pomohla odpovědět na otázky: Byla ta která organela (např. plastid nebo bičík) už u posledního společného předka dnešních eukaryot, nebo jde o „vynález“ jen určité podskupiny eukaryot? Jak velký genom a kolik genů asi předek měl? Jaké je stáří eukaryot? Zatím však jednoznačné výsledky chybí. Základním přístupem je srovnávací analýza znaků (morfologických, molekulárních či jiných) eukaryot a skupin, o nichž předpokládáme, že vývojově k eukaryotním organismům nepatří (prokaryot, tedy eubakterií a archebakterií). Buňky i genové sekvence prokaryot a eukaryot jsou příliš odlišné a to srovnávací analýzy velmi komplikuje. Určitou naději skýtá hledání již zmíněných vzácných genomových změn, které by mohly alespoň vyloučit některá teoretická umístění kořene eukaryot.

Ve hře jsou tři hypotézy o postavení kořene, které zasluhují bližší představení. Thomas Cavalier-Smith před lety položil kořen mezi dvě základní uvažované skupiny eukaryot – Unikonta (Opisthokonta a Amoebozoa) a Bikonta (ostatní eukaryota).¹⁰⁾Poukázal na fakt, že se bičíky obou skupin vyvíjejí v životním cyklu odlišným způsobem (detaily si pro tentokrát odpustíme). Primárním důvodem postulovat Unikonta a Bikonta jako dvě monofyletické skupiny byl však objev dvou vzácných genomových změn – fúzí původně samostatných genů. Zprvu se mělo za to, že jedna fúze je společná pro Unikonta, druhá pro Bikonta. Komplikace přišla ve chvíli, kdy se ukázalo, že jistá málo známá, ale evolučně důležitá skupina nenápadných bičíkovců (Apusomonadida), kteří jsou typickými „bikonty“, náleží fylogeneticky dovnitř „unikont“ a že údajná unikontní fúze se vyskytuje i u některých bikont. Je čím dál jasnější, že k fúzím genů (či k jejich zpětnému rozdělení) dochází častěji, než jsme se domnívali. Tím tyto znaky ztrácejí na výpovědní hodnotě, protože podléhají evoluční konvergenci podobně jako znaky morfologické. Jinými slovy: nepříbuzné skupiny mohou k podobnému stavu dospět nezávisle na sobě. Navíc vyšlo najevo, že domnělý rozdíl ve vývoji bičíků se opírá o práci, jejíž závěry sami autoři o několik let později uvedli na pravou míru jako omyl, čehož si profesor Cavalier-Smith při formulaci hypotézy nevšiml…

T. Cavalier-Smith přišel nedávno se zcela novou myšlenkou – kořen eukaryot leží mezi skupinou Euglenozoa (krásnoočka, trypanozomy a jim příbuzní bičíkovci) a všemi ostatními eukaryoty. Euglenozoa mají mnoho podivných vlastností, zejména pokud jde o genom a mitochondrie. Obvykle se však má za to, že jde o druhotné změny původní stavby eukaryotické buňky. Cavalier-Smith nyní tvrdí, že některé z těchto zvláštností¹¹⁾ mohou být původní a svědčí pro rané odštěpení skupiny Euglenozoa od ostatních eukaryot.

Jiní autoři se snaží hledat kořen eukaryot systematičtěji. Zajímavá současná práce Eugena Koonina a jeho týmu přinesla výsledky celogenomových analýz inzercí a delecí (tzv. indelů) a vzácných substitucí v proteinech eukaryot. Technické aspekty analýzy ponecháme stranou a jen prozradíme, že autoři kladou kořen eukaryot mezi Archaeplastida a ostatní eukaryoty. Přesvědčivost tohoto závěru bohužel oslabuje chabé zastoupení kriticky důležitých skupin eukaryot – autoři pro ně neměli k dispozici příslušná data, protože sekvenování genomů těchto organismů pokulhává. Přesto se tato metoda jeví jako slibná, až budou dostupné rozsáhlejší a vyváženější soubory sekvenčních dat.