Oko a epifýza – variace na stejné téma?

Způsob, jímž jednotlivé organizmy vnímají čas, se podrobně studuje již dlouho. Nejdůležitějším poznatkem, od nějž se zkoumání odvíjí, je skutečnost, že vyšší organizmy mají své vlastní „vnitřní hodiny“, a tedy se neomezují na pouhé pasivní reakce na světlo, tmu či střídání ročních období. To je ostatně skutečnost, kterou má každý člověk možnost zakusit na vlastní kůži. Nejsilněji si to uvědomíme, když se změní čas ze zimního na letní či na opak, nebo když dokonce cestujeme přes několik časových pásem a náš vnitřní budík se pak rozchází s místním astronomickým časem až o několik hodin. Z vlastní zkušenosti známe i proces, při kterém si organizmus na nové podmínky postupně zvyká a jeho vnitřní hodiny se opět přizpůsobují tomu, jak se kolem něj střídá světlo a tma.

Již několik desetiletí je také známo fyziologické pozadí těchto jevů: 24hodinový vnitřní rytmus je udržován hormonem melatoninem, jehož hladina je v noci vysoká a ve dne nízká. Zvýšená hladina melatoninu přímo ovlivňuje mnoho tělesných funkcí a organizmus „najíždí na noční režim“. Melatonin je produkován zvláštní žlázou v mozku – epifýzou – na popud signálu, který epifýza získá prostřednictvím nervových drah ze suprachiazmatických jader hypotalamu. Tato jádra představují vlastní „oscilátor“ udržující 24hodinový rytmus a celý systém je pravidelně synchronizován s vnějším prostředím, neboť do hypotalamu přicházejí nervové signály ze sítnice oka. Přenos signálu tedy můžeme zjednodušeně charakterizovat touto hlavní osou: sítnice oka – suprachiazmatická jádra hypotalamu – epifýza – melatonin (viz Vesmír 75, 405, 1996/7).

Jak byl tento systém postupně rozpoznáván, narůstaly také poznatky o vzájemné podobnosti jeho dvou důležitých složek: sítnice oka a epifýzy. Může se to zdát překvapivé, neboť lidské oko se jak na první pohled, tak svou funkcí odlišuje od epifýzy – malé žlázy ukryté uvnitř lidského mozku. Při podrobnějším zkoumání však objevíme zvláště u nižších živočichů řadu společných rysů: Epifýza některých organizmů (například ptáků nebo ryb) má totiž schopnost reagovat na světlo. Naproti tomu oční sítnice má u některých živočichů schopnost produkovat melatonin. Přitom fotoreceptory u buněk epifýzy nižších organizmů jsou velmi podobné fotoreceptorům oka. U savců již epifýza svou schopnost reagovat na světlo ztratila, ale přesto se v průběhu ontogeneze dají u vyvíjející se savčí epifýzy objevit náznaky fotoreceptorů. Otázka vzájemné podobnosti obou orgánů se stává ještě zřejmější, když ji začneme zkoumat metodami biochemie a molekulární biologie. Nejenže oba orgány obsahují řadu stejných antigenů, ale ukazuje se, že vývoj obou orgánů je řízen postupným zapínáním velmi podobné kaskády transkripčních faktorů. Promotory genů důležitých pro fotoreceptory i pro tvorbu melatoninu obsahují navíc podobnou konzervovanou sekvenci.

Je tedy možné, že oba orgány měly společného „předka“. Mohl být podobný fotoreceptorovým buňkám, jež nacházíme například v organizmu primitivního strunatce – kopinatce (Amphioxus). U takových jednoduchých živočichů ale ještě není tvorba melatoninu periodická. Nemůže proto sloužit jako „signál noci“, musí mít jiný účel. Jaká je ale původní příčina tvorby melatoninu u nižších organizmů?

Klíčem k poznání společného „předka“ mohou možná být enzymy serotonin N-acetyltransferáza (AANAT) a hydroxyindol O-methyltransferáza (HIOMT). Tyto enzymy totiž katalyzují dva poslední kroky syntézy melatoninu (acetylaci serotoninu a methylaci vzniklého N-acetylserotoninu). Kromě serotoninu mohou ovšem u nižších organizmů zpracovávat i řadu jiných substrátů patřících mezi aromatické aminy. A jelikož se takové aminy v organizmu skutečně vyskytují jako produkty metabolizmu a mohou být někdy velmi toxické (mimo jiné jsou nebezpečné například právě pro buňky sítnice), byla vyslovena hypotéza, že původní funkcí obou zmíněných enzymů je odstraňovat takové škodlivé látky. Melatonin byl tedy původně možná jen vedlejším produktem působení těchto detoxifikačních enzymů. Ovšem produktem, který byl později organizmem velmi užitečně upotřeben. Zbývá ještě odpovědět na otázku, jak vznikl jeho 24hodinový rytmus neboli proč bylo pro organizmy výhodné produkovat detoxifikační enzymy zvýšenou měrou právě v noci. Možná právě proto, že v noci je vidění samo o sobě velmi obtížné a jakákoliv evoluční událost, která proces nočního vidění usnadnila (třeba odstraněním látek toxických pro sítnici), představovala pro rané organizmy prvohorních moří nesmírnou evoluční výhodu. Snad tedy právě tam, někde v pradávných mořích kambria, byl před mnoha stovkami milionů let položen základ mechanizmu, jímž organizmy vnímají čas.