Život na ostří nože

Před dvěma roky vyšla kniha význačného soudobého evolucionisty Stuarta A. Kauffmana, kde autor rozvíjí svou modelovou představu o původu uspořádanosti v živých organizmech ve vztahu k selekci. Protože kniha vyvolala řadu rozporných reakcí, uspořádala londýnská Linnéova společnost veřejnou diskusi, které se zúčastnil i někdejší Kauffmanův učitel, význačný současný darwinista John Maynard-Smith. O debatě referoval John Maddox v časopisu Nature (373, 555, 1995), jehož je šéfredaktorem. V čem je jádro sporu?

Kauffmanova teorie dává odpověd na nesnadnou otázku buněčné a tkáňové diferenciace: jak je možné, že mnohobuněčný organizmus vyšších živočichů je složen z několika desítek až stovek různých typů diferencovaných, sobě navzájem nepodobných buněk (např. jaterních, svalových, kostních, nervových atd.), které všechny obsahují tutéž genetickou informaci? K této otázce lze přistupovat dvojím způsobem. Postup "zdola nahoru" zjišťuje regulační vztahy, které propojují skupiny genů zodpovědných za ten či onen buněčný typ. Konstrukce celé složité regulační sítě z jednotlivých pokusně zjištěných regulačních vztahů vyžaduje mnoho času a trpělivosti a může proto na leckoho působit dojmem beznadějného počínání. Je tedy pochopitelné, že mnozí pracovníci, zejména mladší, dávají přednost přístupu "shora dolů", vycházejícímu z počítačového modelování, jehož původcem je právě Stuart A. Kauffman.

Kauffmanův přístup je založen na teorii deterministického chaosu. Většina soudobých evolucionistů se přiklání k názoru, že živé systémy balancují na kritickém rozhraní mezi rigorózním determinizmem a chaosem. Jedině tak je možné spojit konzervativní složku, tj. zachování genetické informace, nalezené během stamilionů let darwinistické selekce, s potřebnou flexibilitou, nutnou pro evoluci. U dynamických systémů, jakými jsou živé organizmy, je deterministický chaos nástrojem regulace, jež umožňuje nasměrovat chování mnohasložkových systémů do několika různých drah, aniž by bylo třeba samotné tyto složky měnit.

Na první pohled se zdá paradoxní, že chaotické složky lze využít k regulaci. Tady nám pomůže představa jízdy na kole. Při jízdě na kole dochází neustále k drobným poruchám metastabilní rovnováhy, které směřují k pádu. Každý z nás se však snadno naučí tyto výkyvy vyrovnávat nepatrnými pohyby řídítek, takže se za jízdy cítíme zcela bezpečně. Aby kompenzace byla účinná, musíme připustit určitou "vůli" ve volbě dráhy, tedy chaotickou složku. Jestliže chaotickou složku anulujeme, např. tím, že vjedeme předním kolem do žlábku tramvajových kolejí, vede to okamžitě k pádu.

Princip pružné autoregulace pomocí chaotické složky se uplatňuje na všech úrovních biosféry. Život se udržuje jen díky balancování na rozhraní mezi chaosem a pořádkem. Důsledná optimalizace dosažená eliminací chaotických "poruch" by vedla k okamžité katastrofě při sebemenší náhodné změně podmínek.

Základní stavební jednotkou Kauffmanova modelu je elementární regulační okruh (viz obrázek), obsahující jeden strukturní gen (S), který kóduje určitý protein, jeden cis-regulační faktor (C), který zapíná či vypíná gen sousedící zprava, a jeden trans-aktivátor (T), který prostřednictvím bílkovinného regulátoru volně difundujícího v buňce ovládá všechny geny, pokud nesou odpovídající rozpoznávací sekvenci.

Elementární okruhy lze propojit v síť pomocí výpočetní techniky tak, že regulační geny jsou nahodile zmnoženy, a pak mnohonásobně permutovány (pozn. red.: blíže viz následující příspěvek, Vesmír 74, 326, 1995/6). Tyto sítě jsou vyváženy co do rozsahu chaotických oblastí a tzv. "zmrzlých jader", jež tvoří ostrovy chovající se nezávisle na ostatních oblastech sítě. Zmrzlá jádra však nejsou tak rozsáhlá, aby spolu splývala a tím omezovala průchodnost sítě. Jestliže K < 2, zmrzlá jádra převažují, splývají spolu a síť se rozpadá na izolované, vzájemně nekomunikující úseky.

V průchodných oblastech jsou geny volně spojeny v atraktory, kde je jejich exprese koordinovaná v určitém časovém pořadí. Geny příslušející témuž atraktoru jsou vysoce kooperativní a jejich exprese je značně odolná vůči fluktuacím. Atraktor může být buď celý zapnut, nebo vypnut. Ale týž gen může příslušet několika různým atraktorům, takže se exprimuje v několika fázích individuálního vývoje zárodku, vždy v kontextu s různými jinými geny.

Kauffman pak zavádí smělý předpoklad: Zmrzlá jádra, jejichž všechny geny jsou exprimovány ve všech typech buněk po celou dobu jejich života, obsahují geny nezbytné pro život každé buňky. Atraktory pak zahrnují geny, které jsou aktivní jen v určitém typu specializovaných buněk, takže odpovídají za buněčnou diferenciaci. Je tedy tolik atraktorů, kolik různých buněčných typů daný organizmus obsahuje.

Geny, které nezaujímají v síti pevné místo, nepříslušejí žádnému atraktoru a představují chaotickou složku. Tyto geny jsou rezervou evolučního potenciálu, která se při evoluci postupně vyčerpává. Evoluční potenciál každého organizmu je tedy omezen - po jeho vyčerpání linie buď vymře, anebo přežívá jako "živá zkamenělina" neschopná další evoluce. Podmínkou darwinistické selekce je tedy průchodnost sítě, umožňující vždy obejít zmrzlá jádra.

Kauffmanův model umožňuje pochopení mnohých dosud záhadných jevů evoluční biologie, jako je současný vznik více než 20 kmenů (tj. nejvyšších taxonomických jednotek), které zahrnují nejen všechny vysoce organizované dnes žijící živočichy, ale i několikanásobně větší počet kmenů, které později vyhynuly. Toto vše se událo v geologicky kratičké době před 520 - 540 miliony let. Je velmi pravděpodobné, že tato v dějinách evoluce ojedinělá událost, zvaná "kambrijská exploze" (viz A. Markoš, Vesmír 70, 305, 1990/6), byla iniciována vznikem regulační sítě.

Kauffmanova představa může být uplatněna i v širších souvislostech. Tak např. vývoj lidské inteligence asi před 50 000 lety, daleko překračující míru potřebnou pro přežití našich předků, může být pochopen jako autonomní vývoj logické sítě směrem k dosažení maximální koherence (propojenosti). Jiným příkladem může být soustava syntaktických a gramatických vztahů, jež je vrozena každému člověku a "čeká" na naplnění slovním výrazivem kteréhokoli jazyka.

V londýnské debatě však tyto daleké průhledy vůbec nepřišly na pořad. Diskuse se soustředila hlavně na otázku, jak uvést v soulad autoorganizaci s darwinistickou selekcí, jež pracuje s nahodile vzniklými mutacemi. Pro řešení tohoto komplexního problému užívá Kauffman modelových představ "sekvenčního prostoru" a "topografie darwinistické zdatnosti", kterou si můžeme představit jako různě členěnou krajinu. Selekční hodnoty jednotlivých kombinací znázorňuje jako vrchy v krajinném reliéfu, kde krajina má n rozměrů, (n je celkový počet nukleotidů v genomu). Je-li sekvence sestavena ze 4 druhů nukleotidů (A, G, C, T), je množství kombinací zobrazené v krajinném reliéfu 4ⁿ, což je ovšem obrovské množství a Kauffman spatřuje těžkost v tom, že při "nahodilé procházce" (ekvivalent nahodilé mutageneze) vyvíjející se linie "zabloudí"; uvízne na nejbližším lokálním vrcholu a nikdy nenajde globální optimum adaptace, tj. nejvyšší "vrchol" v krajině. Kauffman z toho uzavírá, že selekce může být účinná jen v krajině mírně zvlněné.

Zdá se mi však, že tato nesnáz a omezení z ní vyplývající jsou jen zdánlivé - jsou projevem toho, že si dovedeme představit jen trojrozměrný průřez mnohorozměrným prostorem, nikoliv tento prostor jako celek. Debaty se bohužel nezúčastnil průkopník statistické geometrie a expert na evoluční krajiny Manfred Eigen, který již dříve uvedl tento příklad obrovské konektivity mnohorozměrného krajinného modelu: V prostoru o 360 dimenzích můžeme zobrazit 10¹⁰⁸ krychlí o hraně 0,1 nm. Tyto krychle by zaplnily trojrozměrnou kouli o poloměru 10¹⁰ světelných let. Ale ve 360rozměrné hyperkrychli jsou nejodlehlejší body vzdáleny od sebe pouhých 36 nm. Konektivita mnohorozměrných prostorů je tedy obrovská, zvláště tehdy, vezmeme-li v úvahu i k-násobné mutace (tj. mutace, k jejichž vzniku je zapotřebí většího počtu k "elementárních omylů"). Je-li k = 10 a n = 360, lze z kteréhokoli bodu hyperkrychle dosáhnout v jednom kroku celkem asi 10¹⁹ sousedících bodů (přesně n nad k). Nemusíme si tedy dělat starosti, jde-li o krajinný reliéf šumavského či alpského typu.

Jak již bylo řečeno výše, je snaha o soulad mezi autoorganizací a darwinistickou selekcí hlavním tématem Kauffmanovy 700stránkové knihy. Je opravdu nezbytně nutné tento soulad hledat a nalézt? Kauffmanova teorie je v podstatě strukturalistická a obírá se makroevolučními ději, které nejsou primárně adaptivní povahy, kdežto darwinistická selekce je funkcionalistická a vede k adaptaci. Poměr mezi oběma složkami evoluce lze vyjádřit aforizmem, že selekce vytváří adaptivní drobnokresbu na strukturalistickém základu.

Závažná slabina Kauffmanova modelu ve skutečnosti spočívá v přílišném zjednodušení. Paleta regulačních vztahů ve složitých mnohobuněčných organizmech není omezena na prostou cis- a trans- regulaci transkripce. Účinnost těchto faktorů sama podléhá jemné modulaci postsyntetickými úpravami, jako je např. fosforylace. Ta je řízena protein-kinázami, které samy podléhají aktivaci a útlumu dalšími regulátory. Realistický model těchto vztahů by byl mnohem složitější než Kauffmanova síť a je dnes téměř nepředstavitelné, jak by se s ním mohlo pracovat. Obrazně řečeno, Kauffmanův přístup nás vede z jiné strany do téže džungle, ze které jsme se pokoušeli vyprostit.

Za této situace nemá asi velkou cenu rozvíjet Kauffmanův model do přílišných detailů. Za hlavní přínos modelu bych považoval uspokojivé vysvětlení buněčné a tkáňové diferenciace koordinovanou selektivní expresí specifických atraktorů, z nichž každý odpovídá jednomu typu diferencovaných buněk.