Čtyři ženy – tři knihy

Všichni známe ikonografii učebnic a monografií, které slouží k tomu, aby adept té které vědy nasál do sebe penzum vědomostí nutné ke své orientaci. Bohrův planetární model atomu může být stokrát falešný a zavádějící, při konkrétním řešení chemického problému mi vždy znovu vyvstane v mysli, protože pomocí něho mi kdysi dávno na základní škole vštěpovali znalost o existenci elektronových orbitalů a jejich roli při vytváření chemické vazby. Pochopitelně vím, že s tím nelze vystačit, absolvoval jsem o tom pár kurzů na univerzitě, a přece... A dokonce ta představa není ani na škodu: když počítám stechiometrii nějaké chemické reakce, nepotřebuji k tomu řešit Schrödingerovu rovnici.

V biologii je takových ikonografických schémat hodně – jako příklad uvedu tři: ultrastrukturu buňky, citrátový cyklus a kaskádu zesílení signálu v buňce (viz obrázky). Na perfektně homogenním prostředí se rýsuje váček naplněný soustavou menších váčků, schéma metabolické dráhy majestátně pluje na homogenním pozadí papíru, podobně kaskáda zesílení signálu bez kontextu se situací v buňce produkuje kvanta molekul druhého posla... o jejím komplikovaném časoprostorovém chování a interakci s drahami jinými se ze schématu vyčíst nedá nic a z popisek k obrázkům sotva o něco víc. Podobné abstrakce nejsou určeny jen pro školní dítka: když rozbijeme buňku a zkoumáme vlastnosti jejích fragmentů, předpokládáme, že tyto vlastnosti odpovídají vlastnostem skutečných organel. Když studujeme metabolické či signální dráhy, operujeme s pojmy jako koncentrace, difuze, toky. Neodarwinistovi postačí ke studiu a vysvětlení veškeré evoluce mutačně-selekční model... Nic samozřejmě proti tomu – věda není o jedinečných věcech a bez abstrahování od jedinečností se neobejde. Chybou však je, když jedinou formou takového abstrahování je redukce, a i ta je dotažena ad absurdum.

Recenzované knihy spojuje jedno – nutí čtenáře vystoupit ze zaběhané ikonografie, nutí ho překlopit pohled, aby totéž stokrát zahlédnuté zahlédl z jiného úhlu. Základním pohledem všech tří děl je předpoklad, že v živých bytostech neexistuje homogenní prostor – ani na molekulární úrovni. Když si odmyslíme rezervoáry (obsah vakuol či močového měchýře), vše je strukturováno ve všech třech rozměrech a pochopitelně proměnlivé v čase. Struktura, která sebe sama přetváří. Snad v ní ani neexistuje vodní roztok tak, jak jej známe ve zkumavce, a pokud přece jen, tak v miniaturních objemech obsahujících jen malé množství molekul. Smíme svoji zkušenost klasické (bio)chemie ze zkumavek přenášet do světa těchto mezofází? Pro ilustraci: i kdyby vnitřek bakterií byl perfektně homogenní (o čemž nemůže být řeč), při pH 7 by se v tomto objemu vyskytovalo asi 100 protonů. Smíme mluvit o pH? O koncentracích jakýchkoli látek, zejména proteinů, které se mohou vyskytovat jen v počtu několika molekul na buňku? Smíme předpokládat, že chemické proměny zde budou probíhat podle známých rovnic, i když víme, že rovnice popisují stochastické děje a předpokládají obrovský počet interagujících složek? Jak to, že se v buňce nehromadí kvanta meziproduktů metabolických drah, i když z termodynamiky jednotlivých reakcí musíme jejich vysoké koncentrace předpokládat? Jak mohou probíhat koordinované procesy, jakými jsou svalový stah či cesta zrakového vjemu od dopadu fotonů na sítnici až ke zrakovému analyzátoru, pokud difuze je jediným prostředkem předávání informace a je přitom příliš pomalá? A konečně: z generace na generaci se nepřenášejí jen geny, ale také struktury ze zárodečných buněk, od celkové anatomie až po ultrastrukturu chromatinu. Právě tyto struktury jsou určující pro způsob čtení a interpretace genetického textu. Lze při uvažování dědičnosti a evoluce od této skutečnosti odhlédnout, nebo má naopak zásadní význam pro formování morfologií?

Judit Ovádi nám ve své knize představuje biochemii takto strukturovaného světa. Od mezního případu homogenního roztoku proteinů a metabolitů, roztoků však tak hustých, že průměrná vzdálenost mezi proteiny je menší než jejich poloměr, přechází k realističtejším modelům multiproteinových komplexů fungujících na principu metabolické kanalizace (channelling) a přímého přenosu. V prvním případě jde o mikroprostředí izolované od ostatních fází prostoru. Vnitřek tohoto mikroprostředí je vlastně zmenšeninou onoho homogenního prostoru s tou výjimkou, že meziprodukty reakcí jsou přítomné v dostatečných koncentracích a nejsou přitom naředěny v celém objemu buňky. Přímý přenos znamená, že si enzymy v komplexu předávají molekuly meziproduktů „z ručky do ručky“, molekulu po molekule, o koncentraci tedy nelze mluvit vůbec. Také ovšem přestávají mít smysl např. kinetické parametry enzymů naměřené in vitro. Knížka přístupnou formou rozebírá způsoby biochemických studií na takových modelech, a v poslední kapitole přináší i úctyhodný výčet případů, kdy byla „biochemie struktur“ popsána. Knížka by měla být doplňkovým studiem každého doktoranda v oblasti biochemie a buněčné biologie.

O něco dál jde ve své knize Mae-wan Ho, když se snaží dokázat, že živé organizmy jsou koherentní systémy, dokonale propojené přes mnoho řádů prostorových (10^–10 – 10¹ m) i časových (10^–14 – 10⁷ s). Koherentní systém se chová jako jediná „informovaná“ entita – nepotřebuje tok informace mezi součástmi a ani nelze zdroj této informace v rámci systému lokalizovat. Opakem koherentního stavu je přenos energie či informace difuzí, od molekuly k molekule – pomocí srážek molekul. Příkladem jsou klasické tepelné stroje. Trpělivým dokazováním – od ultrastruktury, přes termodynamiku až po experimentální výsledky – vede autorka čtenáře k přesvědčení, že v případě živých bytostí má před sebou opravdu koherentní systémy. Za nejlepší partii knihy považuji část věnovanou termodynamice, kde autorka na vysoké účinnosti buněčných strojů dokazuje, že nemůže jít o stroje tepelné (účinnost kupř. svalového stahu je blízká 100 %). Používá pojem uložené energie (zavedl McClare v r. 1972) jako protipól energie termalizované. Na rozdíl od tradiční volné energie, která je bezčasová, je uložená energie definována také časovým intervalem, během něhož dojde k disipaci energie a energetickému vyrovnání s okolím. Co je důležité, do té doby mohou probíhat proměny mezi různými druhy ušlechtilé energie se stoprocentní účinností. To vše navíc, na rozdíl od klasické termodynamiky, rychle a při velkých tocích energie. Délka intervalu příslušného uložené energii pak v různých systémech představuje hodnoty od nepatrných zlomků sekundy (absorpce světla fotosystémem) až po roky. Dále vyvozuje, proč takové chování mohou mít pouze koherentní systémy, které se chovají ne jako termodynamické, ale jako kvantové stroje. Na příkladu svalu pak přináší svoji verzi fungování takového stroje. V závěru na pokusech s emisí světla z buněk naznačuje jednu z cest, jak tuto nesmírně zajímavou oblast uchopit také metodicky.

Pokud čtenář strávil tohle, zvu ho ještě na jiný výlet labyrintem struktur. Víte, co je to „fenotyp genu“? To je struktura, která obklopuje, formátuje, zpřístupňuje, popř. chemicky modifikuje (např. metylací) genetický zápis. Tato složitá trojrozměrná a dynamická struktura – chromatin – je kontextem určujícím, které geny, kdy a jak budou čteny. A protože není důvodu, proč by měl být tento kontext ohraničen na jádro, můžeme pokračovat dál přes složité sítě struktur i sítě interakcí a skončíme – kde vlastně? U buňky, mnohobuněčného organizmu, ekosystému, biosféry? Vraťme se k zemi: Eva Jablonka a Marion Lamb odvedly obrovskou práci a podávají nám vývoj biologie a s tím spojený vývoj a konfrontace evolučních teorií za posledních 200 let. Pak na velkém množství příkladů ukazují, že epigenetická dědičnost – tj. dědičnost struktur, fenotypem genu počínaje – je dobře doložena, a s ní že se otvírá možnost renezance lamarckizmu. Ve zdejší podrážděné atmosféře dnešních dnů tato kniha asi u málokoho způsobí konverzi světonázoru. Vždyť renomovaní autoři, a dokonce i na stránkách Vesmíru, kladou znaménko totožnosti mezi evoluci života a (neo)darwinistický model této evoluce, a jakákoli kritika neodarwinizmu jim automaticky zavání pavědou. Přesto vyčerpávající faktografie a uspořádání knihy mohou být zdrojem pro přemýšlení biologů všech vyznání. Uvádím názvy některých kapitol: Neodarwinistické vysvětlení dědičnosti získaných vlastností (Baldwinův efekt, Waddingtonova genetická asimilace, somatická selekce Weissmanova etc.) – Indukované mutace u mikroorganizmů i jinde – Epigenetické systémy dědičnosti (dynamika chromatinu) – Genový imprinting – Dědičnost získaných epigenetických vlastností – Interakce genetických a epigenetických systémů. Dost materiálu k přemýšlení pro každého biologa.

Recenzované knihy by měli číst všichni, kdo se zajímají o vztahy mezi biologickým zápisem a tvarem, o morfogenezi a evoluci.