Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Hypotéza černé královny aneb Evoluce funkční závislosti

 |  2. 3. 2015
 |  Vesmír 94, 135, 2015/3

Známé přísloví říká, že když se dva perou, třetí se směje… Vzpomněl jsem si na toto přísloví ve chvíli, kdy jsem si tiskl článek kolektivu autorů v čele s J. J. Morrisem o nové hypotéze, která se snaží vysvětlit kooperaci mezi mikroorganismy. Ve Vesmíru totiž v letech 2002, 2003 a následně 2013 mezi sebou vedli někteří kolegové diskuse o tom, jak vlastně do češtiny překládat termín Red Queen Hypothesis: zda se jedná o červenou, černou, či šachovou královnu.1) Aby toho nebylo málo, relativně nedávno se objevila hypotéza s lehce obměněným názvem „Black Queen Hypothesis“, která je alternativní teorií koevoluce k notoricky známé hypotéze červené či černé neboli šachové královny. Jsem zvědav, jak si s překladem nové hypotézy naši evoluční ekologové poradí.

Mikroorganismy mohou někdy ztratit určitou schopnost, která se jeví jako nezbytná pro jejich přežití. Stále však přežívají a rozmnožují se. Jak je to možné? Autoři článku v mBio®, on-line časopisu vydávaném Americkou mikrobiologickou společností, se pokoušejí tento zdánlivý rozpor vysvětlit. Říkají, že mikroorganismy, které ztratily nezbytné funkce, přimějí jiné, aby tuto práci odváděly za ně – jde tedy o adaptaci, která může mikroorganismy přesvědčit, aby žily v kooperujících společenstvech.

Na rozdíl od efektu červené královny, kdy se ekologicky antagonistické druhy musí co nejrychleji vyvíjet, aby se zachoval daný stav, evoluce funkční závislosti na „pomocnících“ (helpers) vysvětluje komenzalistické a mutualistické vztahy. Black Queen Hypothesis (BQH), jak ji autoři nazývají, přichází s myšlenkou, že některé potřeby mikroorganismů mohou být zvládnuty jinými organismy. To mikroorganismům, které jsou závislé jeden na druhém, umožňuje účinněji přežívat za současného snížení počtu genů. V takovém případě by mělo evoluční smysl, kdyby mikroorganismus ztratil gen pro funkci, kterou nemusí sám pro sebe provádět. Tato alternativní teorie koevoluce je nazvána podle hrací karty – černé pikové královny v karetní hře Srdce. Cílem hry je dosáhnout co nejmenšího počtu bodů. Piková královna má však hodnotu jako všechny ostatní karty dohromady, a proto se hráči snaží neuzavírat hru s touto kartou. Obdobně hypotéza BQH předpokládá, že určité geny, resp. biologické funkce odpovídají pikové dámě – jsou nákladné, a proto nežádoucí; vedou k selektivní výhodě pro organismy, které zastavily jejich produkci. Zároveň musí funkce poskytovat nezbytný veřejný prospěch, vyžadující její udržení minimálně částí jedinců ve společenstvu – protože přece nemůžete hrát Srdce bez pikové dámy.

Novou hypotézu autoři názorně aplikují na jeden z nejhojnějších planktonních druhů otevřeného oceánu, pikosinici rodu Prochlorococcus, která má mnohem menší genom, než bychom očekávali. Redukce genomu (Reductive genomic evolution), řízená genetickým driftem, se vyskytuje běžně u endosymbiotických bakterií (viz např. Vesmír 86, 436, 2007/7). U volně žijících organismů je naopak méně běžná, ale vyskytuje se např. právě u rodu Prochlorococcus, kde je s největší pravděpodobností řízena spíš přírodním výběrem než genetických driftem. Vědci se zabývali tím, jak Prochlorococcus dokázal být tak extrémně úspěšný, když ztratil významné geny, včetně genu pro enzym katalázu, která umožňuje neutralizovat vliv peroxidu vodíku, tedy sloučeninu, která může poškozovat nebo i zabíjet buňky. Prochlorococcus spoléhá na jiné mikroorganismy ve svém okolí, že peroxid vodíku z prostředí odstraní, což mu umožňuje přehrát svou odpovědnost na nešťastné držitele karty v okolí. To je příklad, jak může jeden druh profitovat z redukce genů, i když závisí na dalších členech společenstva, kteří mu vypomohou.

Ztráta genů kódujících určité metabolické funkce u volně žijících organismů může proto vést k závislosti na jiných mikroorganismech ve společenství. Nová teorie redukční evoluce (BQH) vysvětluje, jak selekce k takové závislosti vede. Za předpokladu, že funkce genu je postradatelná, může ztráta genů poskytovat pro organismus selektivní výhodu v hospodaření s limitními zdroji. Mnohé vitální genetické funkce jsou buňkou propustné, stávají se proto neodvratně veřejnými statky, které jsou dostupné pro celé společenstvo. Nejsou-li zcela ztraceny ze společenstva, jsou postradatelné pro jedince. BQH předpovídá, že ztráta nákladné funkce je selektivně upřednostňována na úrovni jedince a bude pokračovat, dokud je produkce veřejných statků dostatečná, aby podporovala rovnováhu ve společenstvu; tehdy by výhoda další ztráty měla vyvážit náklady. Evoluce proto generuje organismy s redukovaným genomem, které jsou závislé na „pomocnících“. BQH může vysvětlit pozorovanou neuniverzalitu prototrofie,2) rezistenci ke stresu a jiné buněčné funkce v mikrobiálním světě. Nabízí rovněž nový pohled na komplikovaná, vzájemně závislá společenstva mikroorganismů, jako jsou např. mikrobiální biofilmy – komplexní přírodní společenstva složená často z mnoha různých skupin bakterií.

Literatura

Morris J. J., Lenski R. E., Zinser E. R.: The Black Queen Hypothesis: Evolution of dependencies through adaptive gene loss. mBio 3(2), e00036-12, 2012.

Poznámky

1) Viz Vesmír 81, 646, 2002/11; 82, 5, 2003/1; 92, 535, 2013/1092, 657, 2013/12.

2) Prototrofie je schopnost buňky syntetizovat si všechny metabolity potřebné k životu.

KYSLÍK PRO KAŽDÉ PÁTÉ NADECHNUTÍ POCHÁZÍ OD PROCHLOROKOKA

Prochlorococcus je rod velmi malých mořských sinic, jejichž buňky obsahují pro sinice neobvyklý chlorofyl b. Množstvím jedinců je zřejmě nejpočetnějším fotosyntetickým organismem na Zemi. Zároveň je významnou složkou potravního řetězce a také hlavním primárním producentem oceánů – vyprodukuje nejméně 20 % atmosférického kyslíku. Prochlorococcus se vyskytuje zejména mezi 40 stupněm jižní a 40 stupněm severní šířky. V některých případech dosahuje koncentrace až 100 000 buněk na jeden mililitr vody. Patří tedy mezi nejhojnější organismy na Zemi. Je proto poněkud překvapující, že byl objeven v Sargasovém moři až r. 1986 (ačkoli i dříve již panovalo jisté podezření na existenci velmi malých sinic s chlorofylem b).

Je to dáno do jisté míry jeho velikostí. Buňka prochlorokoka měří v průměru 0,5–0,8 μm. Díky dosti rozsáhlé redukci genomu patří Prochlorococcus mezi jeden z nejmenších fotosyntetizujících organismů. Ve svém genomu nese necelé dvě tisícovky genů kódujících proteiny. Postrádá řadu genů nezbytných při fotosyntéze, vstřebávání živin a metabolismu, fototaxi a pohybu vůbec, opravách DNA a mnoha jiných funkcích. Naopak jsou přítomny všechny geny nutné pro biosyntézu základních stavebních kamenů makromolekul čili aminokyselin, nukleotidů, kofaktorů a základních prvků buněčné stěny. Prochlorococcus vlastní unikátní systém k absorpci světla sestávající z divinylderivátů chlorofylu a2 a b2 a postrádající monovinylchlorofyly. Vyskytuje se v několika kmenech, které můžeme shrnout do dvou ekotypů, jež označujeme jako HL (od „high light“) a LL (od „low light“) podle toho, zda žijí ve vodách s dostatkem, či nedostatkem světla. Liší se také poměrem chlorofylu a2 ku b2.

Pavel Hošek

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Evoluční biologie
RUBRIKA: Glosy

O autorovi

Martin Rulík

Doc. RNDr. Martin Rulík, Ph.D., (*1968) vystudoval Přírodovědeckou fakultu UP v Olomouci. Na této fakultě se na katedře ekologie a životního prostředí zabývá mikrobiální ekologií tekoucích vod a jejich sedimentů.

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné