Ekologie vzkříšení: evoluční stroj času

Čas od času se médii prožene zpráva o vědcích, kteří více či méně vážně plánují vrátit do života nějaký druh, který již z povrchu zemského vymizel. Jak daleko je možno zajít, aniž bychom se ocitli v hájemství čiré fantazie? A co nám mohou organismy probuzené po desítkách či stovkách let „spánku“ sdělit o svém dávno zaniklém či dramaticky proměněném domově?

Desítky milionů let starou DNA se zatím nalézt nepodařilo (a jen těžko podaří), Jurský park s oživlými dinosaury tedy zůstává doménou sci-fi. Úspěšně sekvenovat většinu genomu mamuta ze sibiřského permafrostu ale bylo možné již před více než šesti lety a od té doby se opakovaně objevily zmínky o tom, že by tento vyhynulý pamětník dob ledových mohl s pomocí vajíček současných slonů znovu spatřit světlo světa. Současné technologie genového inženýrství a klonování ale zatím nic takového neumožňují. I kdyby ano, těžko říci, k čemu by takové oživování dávno vyhynulých druhů vlastně mělo být… (První zábavní park se živým mamutem či paleozoo by si ale na nezájem veřejnosti jistě stěžovat nemohly.)

Méně kontroverzní je představa, že by molekulární biologové vzkřísili některé druhy vyhynulé v posledním století, jako je třeba australský vakovlk či americký holub stěhovavý (který bude letos mít smutné výročí 100 let od úhynu posledního známého jedince v zajetí). DNA mnohých nedávno vyhynulých druhů je podstatně lépe zachovalá než u pravěkých tvorů a motivace pro plány na jejich oživení je snadno pochopitelná. Člověk vyhubil, člověk vzkřísí…

Všechny tyto bombastické plány jsou zatím daleko od realizace a narážejí na řadu problémů technického rázu, o etických nemluvě. V jejich stínu se ale na mnoha světových pracovištích výzkumníci věnují projektům, během nichž některé živočichy a rostliny z dávné i nedávné minulosti probouzejí k životu celkem rutinně. Rozvíjejí tím obor na hranicích ekologie a evoluční biologie, pro který se před několika lety vžilo označení „resurrection ecology“. O žádném českém ekvivalentu nevím, říkejme mu proto pracovně „ekologie vzkříšení“.

Probuzení svědkové minulosti

Oproti návrhům na oživení vakovlka, mamuta či tyranosaura jsou plány těchto vědců-křísitelů obvykle přízemnější. Nesnaží se o zázrak, při němž by jako Lazar vstal z mrtvých dávno uhynulý jedinec či vyhynulý druh. Stačí jim, aby se „probrala k životu“ semena, vajíčka či spory druhů stále existujících, která přetrvala po dlouhou dobu v životaschopném stavu. Takto oživení nositelé genetické informace z minulosti mohou vypovídat o tom, jak se dané druhy či populace v čase proměňovaly, a na základě toho lze například lépe předpovídat, jak budou reagovat na změny svého prostředí v blízké budoucnosti.

Metuzalém, datlová palma vypěstovaná ze semen nalezených ve vykopávkách paláce Heroda Velikého na Masadě. Foto: Benjitheijneb, licence CC BY-SA 3.0.

Známým „poslem minulosti“ je rostlina judejské datlové palmy pojmenovaná Metuzalém, o kterou od roku 2005 pečují v pouštním kibucu na jihu Izraele. Je jediným žijícím zástupcem kultivaru, který vyhynul někdy ve druhém století našeho letopočtu. V šedesátých letech 20. století ale byla ve vykopávkách paláce Heroda Velikého na Masadě nalezena nádoba s dobře zachovalými semeny datlovníku, jež v suchém úkrytu pobývala zhruba dva tisíce let. Po dalších desetiletích, během nichž se tento unikátní nález uchovával na univerzitě, byla některá semena stimulována rostlinnými hormony a hnojivem. Ze tří semen zasazených do půdy jedno úspěšně vzešlo, Metuzalém je tak vypěstován z nejstarších, s jistotou datovaných semen (PDF). Zatím je to mladík, ale daří se mu dobře a za méně než deset let by mohl přinést po zkřížení s některým z příbuzných kultivarů první sklizeň datlí. Do té doby posloužil alespoň k tomu, aby se otestovaly genetické rozdíly mezi současnými datovými palmami a judejským kultivarem.

Existují i záznamy o úspěšném klíčení semen starších než v případě Metuzaléma (např. obilí z hrobek faraónů či dokonce údajně přes deset tisíc let starý arktický bob z nory lumíka), příslušná semena však nikdy nebyla datována a jejich stáří je odhadováno jen z kontextu okolních nálezů. V roce 2012 se nicméně ruským výzkumníkům podařil kousek, kterým posunuli laťku ještě o hodně dál do minulosti. Z plodů arktické silenky Silene stenophylla, ukrytých zemními veverkami v norách poblíž sibiřské řeky Kolymy před více než 30 tisíci lety, se jim podařilo vzkřísit 36 rostlinek, jež dorostly do dospělosti. Veverky své nory prohrabaly až na úroveň permafrostu, takže uložené plody téměř okamžitě zmrzly a dochovaly se 20–40 metrů pod úrovní současného terénu až do nálezu v roce 2007. V tomto případě však nestačilo nechat klíčit semena. Ta byla poškozená a neživotaschopná a pro vzkříšení silenky proto posloužila dobře zachovaná rostlinná tkáň plodu. Tu se podařilo stimulovat k růstu na živných médiích, po vzniku pupenů a kořínků se pak mohly rostlinky přesadit do půdy. Až do rozkvětu byly prastaré silenky k nerozeznání podobné svým dnešním příbuzným vypěstovaným obdobným způsobem, kvetoucí rostliny se ale od sebe v některých charakteristikách zjevně lišily.

Před 30 tisíci lety si veverka schovala plody silenky. Biologové z nich dokázali vypěstovat kvetoucí rostlinky.Foto: Yashina et al., PNAS 2012.

Nejčerstvějšími, letos publikovanými přírůstky do seznamu druhů probuzených z věčně zmrzlé půdy jsou antarktický mech z doby stěhování národů a dosud neznámý druh obřího viru napadajícího améby, který také strávil v sibiřském permafrostu okolo 30 tisíc let bez ztráty schopnosti infikovat své hostitele (PDF). U virů, které jsou mnohem méně komplexní než rostlinná či živočišná buňka, to nijak zvlášť nepřekvapí; i bakteriální buňky přežívají minimálně statisíce, možná i miliony let zamrzlé v ledovcích. Zajímavější je, že růst začal po rozmrznutí bez jakéhokoli dalšího lidského zásahu i mech, jehož stáří bylo odhadnuto na 1500–1700 let.

Mech začal po více než 1500 letech strávených v antarktickém ledu opět růst. Foto: Esme Roads.

Setkání generací

Výše uvedené příklady nicméně nejsou pro projekty „ekologie vzkříšení“ typické. Oživení jednoho konkrétního jedince, byť sebestaršího, sice umožní studovat jeho vlastnosti a srovnávat je se současnými zástupci daného druhu, ale zobecnit daná pozorování je obtížné. Mnohem cennější je získání životaschopných jedinců z různých období v rámci téže lokality. Pokud se to podaří, máme k dispozici „stroj času“ umožňující rekonstruovat dlouhodobé evoluční změny v dané populaci. Zdaleka ne každý druh rostlin se pro takové účely hodí – ideální jsou ty, jež mají dlouhověká semena tvořící semenné banky a ukládající se na místech, kde lze dobře určit jejich stáří.

Zdánlivě ještě složitější by měly být takové studie u živočichů, kteří obvykle semena netvoří. Existují však výjimky – skupiny živočichů, které se stylem svého života v mnoha aspektech podobají spíše rostlinám než zvířatům. Mezi ně patří mnozí obyvatelé dočasných tůní i jezer, kteří tvoří trvalá „vajíčka“ (obvykle spíše embrya se zastaveným vývojem), která přežívají dlouhodobě i v nepříznivých podmínkách jako vyschnutí, zamrznutí nebo nedostatek kyslíku. Takováto „živočišná semínka“ slouží k šíření i přežití do další sezóny, ale za určitých okolností umožňují oživení i značně starých genotypů. Mezi akvaristy jsou populární například cysty žábronožek solných, jež lze vylíhnout dle potřeby jako „instantní potravu“ pro rybičky. V rozvoji „ekologie vzkříšení“ však hráli velkou roli jiní drobní korýši, které můžeme běžně potkat v našich vodách – perloočky.

Perloočky pamatující Mistra Jana Husa

Samice perloočky Daphnia hispanica, endemického druhu z dočasných vod západního Středomoří, nesoucí v hřbetní části efipium se dvěma vajíčky. Skutečná velikost 2 mm. Mikrofoto: Adam Petrusek.

Perloočky rodu Daphnia, drobní korýši tvořící významnou součást planktonu nejrůznějších vnitrozemských vod od louží až po vysokohorská jezera, se osvědčily jako velmi vhodné modelové organismy pro nejrůznější ekologické a evoluční studie.¹⁾

Ve svém životním cyklu mají právě takováto „trvalá vajíčka“, ze kterých se za vhodných podmínek vylíhnou samice rozmnožující se nepohlavně (což umožňuje s jejich klony snadno plánovat experimentální studie). Vajíčka ale vydrží životaschopná po mnoho let a ve svém pevném chitinózním obalu, zvaném dle charakteristického sedlovitého tvaru efipium (česky „sedélko“), se mohou ukládat do sedimentu na dno jezer. Ten, pokud nedojde k jeho rozvíření, lze nepoškozený odebrat a poměrně přesně datovat stáří jednotlivých vrstev. V jezerním bahně zůstanou vajíčka pohřbená a jejich pevné obaly se dobře zachovají i po mnoha tisíciletích (známe i dobře zachovalé fosilie pamatující éru dinosaurů).

Z mladších vzorků (řádově desítky či stovky let starých) lze často izolovat DNA a pomocí paleogenetických metod studovat změny v druhovém složení nebo genetické struktuře místní populace perlooček. Průlomové evoluční studie však umožnilo zejména líhnutí různě starých genotypů. Obvykle se jednalo o jedince řádově desítky let staré, ale studie publikovaná letos v lednu údajně vylíhla ze sedimentu amerického jezera nejen perloočky z dob švédského obléhání Prahy, ale i jejich starší příbuzné pamatující Mistra Jana Husa… Se stářím možná až 700 let se jedná o dosud nejstaršího prokazatelně oživeného živočicha.

Studií, které využily možností, jež oživování různě starých perlooček přináší, již byla publikována řada. Často se zaměřovaly na mikroevoluční důsledky změn, které způsobila v prostředí jezer lidská činnost. Jednou z prvních byl doklad o rychlé adaptaci perlooček v Bodamském jezeře vůči toxinům sinic (PDF). Do šedesátých let 20. století bylo jezero relativně čisté, ale s nárůstem obsahu fosforu v jezerní vodě (eutrofizaci) došlo k masivním rozvojům toxických sinicových vodních květů. Takový silný selekční tlak se musel projevit na populacích planktonu, který se řasami a sinicemi z vody živí. Zpětně rekonstruovat, jak tento „velkoplošný terénní experiment“ dopadl, se podařilo již před více než patnácti lety. Perloočky vylíhnuté z vrstev sedimentů uložených před periodou eutrofizace byly vůči toxinům sinic podstatně citlivější než ty z období o pouhých deset let později. Podobná studie se zaměřila i na adaptace jezerních populací na intenzivní znečištění těžkými kovy z hutí během posledních cca 150 let. Srovnání předindustriálních a současných genotypů umožňuje stopovat konkrétní změny, ke kterým v průběhu lokální evoluce došlo, a to i na úrovni genomu a konkrétních metabolických procesů.

Efipium perloočky Daphnia obtusa, druhu typického pro drobné dočasné vody středoevropské krajiny (včetně louží na lesních cestách) Skutečná velikost 0,9 mm. Mikrofoto: Adam Petrusek.

Husarský kousek při kříšení perlooček se povedl mé belgické kolegyni Ellen Decaesteckerové, která zrekonstruovala koevoluci hostitelů a jejich parazitů v malém belgickém rybníku (abstrakt). Z různých vrstev sedimentu obsahujícího vajíčka rodu Daphnia a spory jejich bakteriálních parazitů se podařilo oživit jak genotypy hostitelů, tak i jejich parazitů druhu Pasteuria ramosa. Bylo tak možné otestovat, jak odolné jsou perloočky nejen vůči parazitům stejného stáří, ale i vůči těm, kteří se na lokalitě vyskytli dříve a později. Ukázalo se, že v průběhu let skutečně docházelo k neustálým adaptacím hostitele na parazity a naopak – bakterie dokázaly obvykle významně lépe infikovat své hostitele – současníky, na něž byly adaptovány, než genotypy starší nebo mladší.²⁾ V dlouhodobé perspektivě se však virulence parazita nezvyšovala, vždy se vyselektovaly nějaké odolnější klony hostitele, kterým se musely bakterie znovu a znovu přizpůsobovat. Jednalo se zřejmě o první studii, která mohla přímo doložit dlouhodobou časovou dynamiku takové koevoluce v přírodním prostředí.

Výše uvedené příklady ukazují, že „ekologie vzkříšení“ je obor mladý, ale perspektivní. Tím, že oživené pamětníky zaniklé minulosti můžeme trápit v různých kontrolovaných podmínkách a aplikovat na ně ty nejmodernější experimentální metody, dostáváme unikátní šanci získat nové náhledy na evoluční procesy. Přitom můžeme pracovat na časových škálách, které mnohonásobně přesahují nejen délku běžného výzkumného grantu, ale často i několik lidských generací. Nepochybuji o tom, že o perloočkách se v tomto kontextu brzy budeme moci znovu dočíst na stránkách některého z prestižních vědeckých časopisů.

Autor s čerstvě odebraným vzorkem jezerního sedimentu ze šumavského jezera, který posloužil ke studiu historického vývoje společenstva perlooček během posledních cca 200 let. Foto: Jan Fott.