Jak vzniká řád biologických struktur

Jak vzniká mnohobuněčný organizmus z jediné buňky? V zygotě či spoře se evidentně struktury celého organizmu nenacházejí ani ve zmenšeném, ani v kryptickém tvaru. Jedinou uchopitelnou strukturou je buňka vajíčka (zygoty, spóry), a tak nejjednodušším vysvětlením (modelem?) pro vývoj je předpoklad, že buňka postupně čte (jí dostupnou) genetickou informaci. Výsledkem čtení genetické informace jsou molekuly RNA nebo proteinů. Z nich nebo pomocí nich se vystaví či modifikují struktury a ty pak rozhodují o tom, která část informace bude čtena dál. Atakdále, přes embryo k dospělci.

Alternativou k tomuto pojetí je zdánlivě jen dědičnost pomnožením struktur existujících. Takové struktury samozřejmě existují, rostou přikládáním prvočinitelů a nakonec se rozdělí. (Je známo, že de novo, tj. výstavbou jen podle zápisu v DNA, nemohou být vytvořeny snad žádné buněčné organely. Biologické membrány jako takové patrně také nevznikají de novo, ale jen proliferací membrán existujících.) Všechny takto předávané struktury však jsou pochopitelně přítomné v pohlavních buňkách a v zygotě, nikdy nepřestanou existovat, jejich přenos na dceřiné buňky není proto ničím překvapujícím.

Proteiny a struktury nadbuněčné a nad-organizmální (např. ekosystémy) mohou v některých fázích ontogeneze (či života biosféry) chybět. Zatímco informace pro syntézu proteinu je uložena v sekvenci genu (držme se zde tohoto předpokladu, jakkoli je nepřesný), zápis pro struktury vyšších řádů objeven nebyl. Většina biologů proto má za to, že informace pro vytvoření takových struktur je rovněž uložena v genech.

Jednou z disidentských teorií (modelů), které tento vžitý názor zpochybňují, je biologický strukturalizmus. Finální kauzou, ideou, ke které celý vývoj spěje, je pro strukturalisty jeden z možných tvarů. Zdůrazňuji možných, tj. dovolených, ne jakýkoli tvar. Podobně jako např. plamen svíčky nemůže mít tvar krychle, nemůže vzniknout třeba okřídlená žirafa, i kdyby třeba takové zvíře bylo technicky možné a selekčně výhodné. Genetická paměť může v tomto pojetí představovat jen systém návěstí otevírajících cestu k určitým možnostem a blokujících dráhu k jiným. Struktury těl (a struktury společenstev) přestávají být pouhým vedlejším produktem aktivity genů, produktem vzniklým naprosto náhodnou souhrou okolností a usměrněným přírodním výběrem. Ze zygoty se obvykle pokaždé znovu vyvine jedinec podobný ostatním příslušníkům druhu ne proto, že přítomné geny nic jiného nedovolí, ale proto, že výsledný tvar je atraktorem, ke kterému je organizmus jakoby tažen. Strukturalizmus je tedy svým způsobem návratem ke klasické morfologii z rozhraní 18. a 19. století.

Jedním z pozoruhodných důsledků strukturalistického uvažování je, že se stírá rozdíl mezi ontogenezí a fylogenezí - jde o stejný evoluční proces probíhající na různých časových úrovních. Konkrétní jedinec na jedné straně a  celá populace druhu na straně druhé jsou pak výsledkem vyhmatávání oné ideje, jedním ze způsobů jejího vnesení do reálného světa.

Strukturalisté zatím sami nevypracovali metodiku zkoumání pro svoji teorii a tak jsou, často právem, kritizováni, že nedodržují pravidla vědeckého zkoumání a argumentace. Jedním z těch, kdo mají ke strukturalizmu blízko a přitom metodickou oblast nezanedbávají, je S. A. Kauffman. Kauffman modeluje chování složitých systémů, které se skládají z velkého počtu prvků, prvků navzájem propojených do sítě (tedy ne hierarchicky). Používá k tomu aparátu booleovské logiky. Odkazuji na podrobný článek D. Storcha (Vesmír 71, 328, 1992/6) - a proto zde jen stručně:

Mějme N prvků systému (genů), které pro jednoduchost mají jen dva stavy - 1 nebo 0. Stav 1 = aktivní (gen produkuje protein, vždy jen jednu formu a vždy stejnou rychlostí). Ve stavu 0 prvek nejeví aktivitu. Předpokládejme, že prvky se navzájem ovlivňují, a to tak, že reagují na stav jiných prvků v počtu K (obrázek). Pokud je aktivita daného prvku (genu) ovlivněna dvěma jinými (K = 2), má na vstupu 4 možné kombinace: 0,0; 0,1; 1,0; 1,1. Podle jejich nastavení reaguje prvek nějak na každou z těchto kombinací a jeho výstup bude buď aktivní (1), nebo neaktivní (0). Tento stav je ovšem vstupem pro regulaci dvou dalších prvků atd. Situace s K = 0 nebo K = 1 nejsou příliš zajímavé - síť nevznikne. Situace, kdy K=N (všechno souvisí se vším) je nezvládnutelná už při nízkém N: počet funkcí neúměrně stoupá, systém se chová chaoticky a předpovědět jeho stav v čase je v podstatě nemožné. Naštěstí, jak ukazuje Kauffman, nejzajímavější je síť, kde K=2.

Taková síť se může v čase chovat třemi způsoby:

Sítě složené z N prvků s K interakcemi jsou vhodným nástrojem k modelování evoluce života na všech časových škálách - tedy fylogeneze, evoluce druhů, evoluce společenstev i individuálního vývoje - ontogeneze. Lze sledovat vývoj sítě v čase tak, jak je definována, a také měnit nastavení některých parametrů - což je analogie buď regulačního zásahu (v ontogenezi), nebo mutací (ve fylogenezi). Chování sítí třetího typu je zvláště pozoruhodné: může být na jedné straně značně odolné vůči změnám (mutacím či regulačním vstupům) některých členů obvodu, na straně druhé však může být změnou některého parametru překlopeno do jiné polohy - k jinému atraktoru nebo do oblasti chaosu. Je důležité, že počet možných atraktorů - tj. stavů do kterých systém spěje - je poměrně malý a úměrný počtu elementů v souboru. Až na této úrovni přistupuje selekce a eliminuje konfigurace, které nejsou životaschopné. A zde jsme u nejdůležitějšího, a pochopitelně nejvíc diskutovaného Kauffmanova závěru, který se jako červená nit vine celou knihou: Řád v živých organizmech v ontogenezi i fylogenezi vzniká spontánně, není výsledkem selekce, a dokonce je natolik robustní, že může selekci vzdorovat. Takové tvrzení pochopitelně podráždilo zastánce představy o "vedoucí úloze" genů. Nedávno k tomu proběhla mezi Kauffmanem a jeho učitelem - evolučním biologem J. Maynardem Smithem - na půdě Linnéovy společnosti diskuse. O tom referuje na jiném místě (Vesmír 74, 324, 1995/6) J. Doskočil, když informace čerpá mj. ze zprávy v Nature (viz moto tohoto příspěvku).

Nebudeme se zde zabývat kauffmanovskými modely evoluce a ilustrujeme si jen, jak jsou aplikovány na ontogenezi. Pomocí aparátu booleovské logiky modeluje Kauffman genom jako síť (N=102 - 105, K = 2) paralelních procesorů, skládajících se ze tří elementů (obrázek a):

1. regulačního genu a jeho produktu - proteinu schopného řídit aktivitu jiných genů tím, že se váže na jejich regulační sekvence (tzv. trans-regulátor T); může tak řídit expresi jiných regulačních proteinů nebo proteinů výkonných,

2. regulační sekvence (cis-elementy C), na kterou může regulátor T nasedat a řídit tak aktivitu s nimi souvisejících genů,

3. z genu pro výkonný protein S, který zajišťuje nějakou funkci v buňce. S je slepou větví, nemá vazbu na jiné elementy sítě.

Tyto tříprvkové elementy mohou pracovat odděleně (autoregulace, obrázek a), mohou být propojeny do cyklu (obrázek b) nebo mohou být součástí sítě, kterou lze modelově vytvořit mnohonásobným náhodným zmnožováním a přesuny prvků v systému (obrázek c). Důležité je, že síť je - vedle zmrzlých a chaotických oblastí - "kanalizována" k relativně malému počtu atraktorů (v obrázku c např. T4, T9, T10). K vnějším zásahům je síť značně odolná a jen na některé reaguje "překlopením" do jiné množiny atraktorů.

Kauffman za takové atraktory v organizmech považuje počet buněčných typů a vyvozuje, že tento počet zhruba odpovídá druhé odmocnině z počtu genů (blíže o tom zmíněný Storchův článek). Dosažení příslušného atraktoru - buněčného typu - lze pak realizovat přepínáním několika málo regulačních elementů a daný diferencovaný typ buněk (např. svalová buňka) vyvstane u všech organizmů epigeneticky, jako důsledek ustavení atraktoru. Tedy nikoli proto, že by někde existoval návod na výrobu třeba svalové buňky, nebo že by snad všechny svalové buňky měly společného předka. V diferenciaci jsou buňky jakoby přitahovány k příslušným atraktorům, proto také lze diferenciaci často navodit velkým počtem (mnohdy nespecifických) stimulů. Obdobně lze model aplikovat na tvorbu tkání a orgánů - Kauffman sám propracoval model embryogeneze octomilky a savčí organogeneze.

Ne všechny možné atraktory organizmus uskuteční - některé jsou zakázány a objevují se jen příležitostně. Příkladem takových zakázaných atraktorů mohou být nádorové buňky, ale také např. různé atavizmy, jakými jsou např odontoblasty (buňky tvořící zubní sklovinu), když se objeví u ptáků. I ptačí organizmus může vytvořit zub, tento atraktor je však z logické sítě určující tvar ptáka "odpojen".

V této souvislosti se také vynořuje otázka, zda v evoluci mohou vznikat nové formy náhle jako realizace, explikace jedné z dosud nevyužívaných možností (atraktorů), které se nabízejí, ale dosud nebyly nikdy využívány. S mutací genů nebo genomu taková explikace nemusí mít nic společného.

Trochu mě překvapilo, že J. Doskočil i komentář v Nature vytýkají kauffmanovským modelům "jednoduchost": my přece víme, že geny nejsou jen ve stavu vypni-zapni (0-1), ale hodně závisí i na nastavení intenzity genové exprese. A produktem jediného genu může často být celá paleta proteinů a každý z nich může mít mnoho verzí. Podobně K = 2 je zjednodušením: tzv. konstitutivní geny mohou být zapojeny trvale, jiné geny mohou být hlídány až desítkami trans-regulátorů. To ovšem Kauffman ví - jeho modely jsou mj. limitované kapacitou počítačů. Kromě toho, když se pokusil svůj model zkomplikovat (např. místo hodnot 0 a 1 zavedl pravděpodobnostní funkci v celém intervalu 0-1), nedostal nic zásadně nového, zkomplikovaly se jen detaily, drobnokresba. To však mluví ve prospěch modelu! Vždyť každá teorie (model) je přece abstrakcí - vyhmátnutím obecného z jedinečných událostí či objektů! Ideálním modelem by přece byla jen věrná replika zkoumaného - a o to přece nejde ani Kauffmanovi, ani jeho kritikům. Pokud žádný model není replikou, mohou existovat i navzájem neslučitelné, komplementární modely téhož, poskytující pohledy z různých úhlů. Těšme se z toho, o to je naše poznání bohatší.