Moby Dick a jeho příbuzní

Vesmír: V roce 1993 jste s kolegy publikoval v Nature výsledky zkoumání molekulární struktury mitochondriální DNA kytovců. Váš článek vyvolal značný ohlas. Mohl byste o tom něco povědět našim čtenářům?

Milinkovitch: Kytovci, tedy řád Cetacea, se dělí na dvě skupiny, které se liší mnoha, většinou morfologickými, znaky. Pro první skupinu, podřád Odontoceti (ozubení), je charakteristický velký počet druhotně homodontních zubů v ústní dutině (odtud název) a patří do ní např. delfíni, delfínovci, kosatka, vorvani a vorvaňovci. Druhý podřád byl nazván kosticovci, Mysticeti, podle toho, že v tlamě mají místo zubů rohovité pláty, kostice, které slouží k filtrování drobných mořských organizmů (nejen planktonu, jak se často uvádí). Sem patří plejtváci a pravé velryby. Toto taxonomické členění najdete v každé učebnici zoologie i v populárněvědeckých pojednáních.

Spolu s Guillermem Ortím a Axelem Meyerem z Newyorské státní univerzity jsme zkoumali sekvence nukleotidů dvou mitochondriálních genů u 16 druhů kytovců a několika druhů jiných savčích řádů, sloužících jako tzv. „outgroups“ ¹⁾ . Ty pomáhají určit kořen fylogenetického stromu, a tedy polaritu evolučních změn. Výsledky potvrdily, že nejbližšími příbuznými kytovců jsou sudokopytníci. Naproti tomu se k našemu velkému překvapení ukázalo, že vorvaň a jeho příbuzná kogia, někdy též nazývaná vorvaň malý, jsou příbuznější s kosticovci než s ostatními ozubenými kytovci, jinými slovy podřád Odontoceti je nepřirozeným seskupením fylogeneticky nepříbuzných skupin. To je evidentně v rozporu s tradičním scénářem, předpokládajícím nezávislou, 45 milionů let trvající evoluční historii ozubených a kosticovců.

V: Proti tomu by jistě bylo možno vznést několik námitek, koneckonců vaše závěry byly založeny jen na analýze malé části celkového množství mitochondriální DNA, která má navíc proti jaderné DNA jisté zvláštní vlastnosti. Moje poznámka však směřuje jiným směrem. Téměř zároveň s vaším článkem vyšla v Nature další molekulárněgenetická práce nabízející ještě překvapivější fylogenetické schéma, kde sesterskou skupinou kosticovců nejsou vorvani, ale delfíni. Podotýkám, že tyto závěry byly vysloveny rovněž na základě sekvenčních analýz části mitochondriálního genomu.

M: Narážíte na článek Ú. Árnassona a A. Gullberga z r. 1994. Tady bych vás poněkud poopravil. Rok předtím, tedy v době, kdy vyšla naše první práce, prezentoval jejich tým sekvenci malého úseku mitochondriální DNA, představujícího necelých 660 nukleotidů u tří druhů kytovců. Ačkoli se jejich výsledky shodovaly s našimi, autoři došli k závěru, že musí jít o artefakt, tedy jev vzniklý nějakým vnějším vlivem. Svůj závěr zopakovali o rok později ve zmíněné práci, která již zahrnovala téměř dvojnásobný úsek mitochondriální DNA a 14 druhů kytovců. Jejím výsledkem byla ona hypotéza o příbuznosti delfínů a velryb.

V.: To však poněkud zpochybňuje nejen vaše závěry, ale obecně i další výsledky dosažené na základě studia sekvencí nukleotidů či aminokyselin, nevyhnutelně se omezujících jen na relativně malé části genomu.

M.: Naopak. Jsem přesvědčen, že molekulární fylogenetická data, pokud jsou zpracována odpovídajícím způsobem, mají velký význam při odhalování evolučních vztahů. Práce Árnassonova a Gullbergova pouze ukazuje, že stejně jako studium morfologických, embryologických či jiných znaků má i analýza molekulárních dat svá pravidla. Musíme si uvědomit, že ani data tohoto typu nelze zpracovávat bez testování jednoznačně formulovaných hypotéz týkajících se jich samotných, bez zvažování evolučních procesů, o nichž se domníváme, že tato data formovaly.

V.: Mohl byste to upřesnit?

M.: Ukazuje se například, že zdánlivě jednoduchý problém výběru „outgroups“ může být poměrně komplikovanou záležitostí a rozhodně není dobrá strategie použít pouze jediný druh. Existuje však řada dalších problémů, z nichž některé jsou obecnější, jiné specifické pro jednotlivé typy DNA. Například k jednomu typu substitucí nukleotidů, tzv. tranzicím (záměnám bází stejného chemického typu), dochází mnohem častěji než k tzv. transverzím (záměnám pyrimidinu za purin a naopak). Takže u genů, které podléhají rychlým evolučním změnám, nebo u dvou fylogeneticky vzdálenějších organizmů se setkáváme s tzv. saturací substitucí, tedy jakýmsi navršováním jedné mutace na druhou. Tím se snižuje hodnota tranzicí jakožto nositelů fylogenetického signálu, což je mimochodem aktuální právě u kytovců. To je ovšem jen malá část problémů, se kterými musí molekulární systematikové počítat.

My jsme postupovali v zásadě dvěma směry. Zaprvé jsme znovu analyzovali Árnassonova a Gullbergova data tak, že jsme buď brali v úvahu jen transverze, nebo jsme transverzím dávali při statistické analýze větší váhu než tranzicím. Zároveň jsme použili několik metod konstrukce fylogenetického stromu, které se liší nejen technickými detaily, ale i základní filozofií fylogenetické dedukce. Ani v jednom případě se Árnassonovo a Gullbergovo schéma nepotvrdilo, výsledky byly naopak plně v souladu s našimi závěry.

Druhou strategií bylo zvýšit počet studovaných druhů včetně „outgroups“ a zároveň rozšířit spektrum sekvencovaných genů. Ve spolupráci s japonskými kolegy v čele s Masami Hasegawou jsme shromáždili data pro 27 druhů kytovců, zahrnujících všechny hlavní skupiny řádu Cetacea, a dále 10 druhů sudokopytníků a tři druhy lichokopytníků. Byly analyzovány (odděleně i kombinovaně) nukleotidové a proteinové sekvence tří mitochondriálních a jednoho jaderného genu. A ačkoli se výsledky jednotlivých analýz vzájemně lišily v některých detailech (zejména je dosud nejasná fylogenetická pozice vorvaňovců nadčeledi Ziphioidea), všechny jednoznačně potvrdily větší příbuznost kosticovců a vorvaňovitých (viz obr. 1obrázek).

V.: Vaše závěry znějí dost přesvědčivě, nicméně mluvíme jen o molekulárních datech. Existuje však řada anatomických znaků, které definují obě velké skupiny, jimiž jsou Odontoceti a Mysticeti, a zároveň vymezují rozdíly mezi nimi.

M.: A nejen anatomických, ale i fyziologických a paleontologických. Podívejme se na některé z nich zblízka. Především je to již zmíněná přítomnost kostic, respektive nepřítomnost zubů u kosticovců. Vzhledem k tomu, že se však v embryonálním stadiu zuby zakládají i u kosticovců, je zřejmé, že nerozlišený chrup, složený ze stejných druhů zubů (homodontní dentice), je společným znakem pro celý řád s výjimkou právě kosticovců, u kterých se kostice objevují jako evoluční novinka v souvislosti se změnou jídelníčku. Takovým znakům říkáme odborně autapomorfie – zde hovoříme o nerozlišeném chrupu jako o autapomorfii kytovců ve vztahu k fylogeneticky původnějšímu rozlišenému chrupu jiných savců. Kostice jsou pak autapomorfním znakem podřádu Mysticeti vzhledem k ostatním kytovcům. Ty nám při fylogenetické dedukci neposkytují žádné vodítko, podobně jako kdybychom chtěli usuzovat na evoluční historii této skupiny podle takových vlastností, jako je teplokrevnost, levá aorta nebo mléčné žlázy. (Znakům, které jsou dědictvím po společném předkovi, říkáme pleziomorfie.)

Dalším všeobecně uváděným rozlišovacím kritériem je počet dýchacích otvorů: u kosticovců se vyskytují dva, zatímco u ozubených vždy jen jeden. Při pohledu na anatomickou stavbu nosových kanálů u delfína, vorvaně a velryby vidíme, že dýchací otvor vorvaně ve skutečnosti netvoří vyústění jediného kanálu, ale dvou (obr.obrázek). Dokonce byly zaznamenány ojedinělé případy výskytu vorvaňů se dvěma otvory. Správně bychom tedy měli hovořit o „počtu nosových kanálů ve větší vzdálenosti (distálně) od nosních otvorů“. Takto definovaný znak evidentně straní naší hypotéze.

Interpretace fosilního záznamu je mnohem problematičtější. Za předky dnešních kytovců se považuje vymřelý podřád Archaeoceti, charakteristický diferencovanou denticí a absencí teleskopického protažení lebky. Ukazuje se však, že tato skupina netvoří přirozený celek (jinými slovy není monofyletická), a někdy dokonce bývá označována za „odpadkový koš“, zahrnující všechny formy bez pokročilých znaků moderních, ozubených i kosticových kytovců. Náš předběžný odhad, založený na předpokladu shodného tempa molekulární evoluce u kytovců a sudokopytníků, že společný předek vorvaňů a velryb žil před 10–15 miliony let, jsme posléze posunuli do pozdního oligocénu (25 milionů let) vzhledem k existenci některých spolehlivých fosilních nálezů (navíc se podle posledních výzkumů zdá, že molekulární hodiny kytovců tikají o něco pomaleji než u sudokopytníků). Vzhledem k obtížné kalibraci molekulárních hodin mezi kytovci a sudokopytníky, obecně poměrně velkému rozmezí spolehlivosti podobných odhadů, a také nedostatku klíčových fosilií zůstává však tato otázka stále otevřena.

Vznik schopnosti filtrovat drobné organizmy podle nás znamenal klíčovou novinku v potravní ekologii. Silná selekce směřující k zvyšování účinnosti vedla k velmi rychlým morfologickým změnám. Patří k nim i redukce některých specializovaných struktur využívaných při aktivní ultrazvukové orientaci v prostoru (echolokaci) včetně tzv. melounu (jakési akustické čočky ozubených kytovců). Naši hypotézu je samozřejmě nutno testovat na základě všech dostupných morfologických i jiných dat. Ukazuje se však, že jestliže se nespolehneme jenom na celkovou morfologickou podobnost a podrobíme tradiční kritéria detailní analýze opírající se pouze o fylogeneticky informativní znaky, nemusí být názory tradičních a molekulárních systematiků na evoluční vztahy kytovců v zásadním rozporu.

V.: Jak se zdá, legendární Moby Dick má nové příbuzné. Děkuji vám za rozhovor.