Vedoucí Laboratoře genetiky a evoluce luštěnin, ICG SB RAS, kandidát biologických věd Oleg Engelsovič Kosterin.
Je známo, že přirozený výběr dokáže odstraňovat nepotřebné geny. Zejména dobrým příkladem jsou galapážské pěnkavy, jejichž populace se během sucha v 1980. letech 2000. století snížila z 300 2 na 4 jedinců. Přežili pouze relativně velcí zástupci s delším zobákem, což znamená, že geny, které přesně tento fenotyp odrážejí, byly předány jejich potomkům. Počáteční měření zobáku ukázala rozmezí 5 až 6 centimetry. Jak se tvoří jiná plemena pěnkav, řekněme se zobákem o délce XNUMX nebo XNUMX centimetrů, když takový gen dříve prostě neexistoval? Stejně jako původní bakterie-předchůdce života neměla gen zodpovědný za dlouhý krk žirafy, který se objevil později. Vím, že vysvětlením tohoto jevu je náhodná mutace genů a právě ta podle biologů pohání evoluci. Může ale být náhoda tak šťastná, že umožní všem živým organismům obsadit všechny přirozené niky co nejefektivnějším způsobem? Jak by se mohl dlouhý krk žirafy objevit náhodou, když zkušenosti zvířete neovlivňují strukturu genů? Neexistuje žádná zpětná vazba, dochází pouze k odstraňování nepotřebných genů a „náhodnému“ objevování nových. Vnímají biologové tuto zvláštnost, nebo je to jen moje nedorozumění?
Biologové tuto „podivnost“ cítí a často vědí, jak ji dobře vypočítat.
Gen dlouhého krku nejenže neexistoval, ale neexistuje ani nyní. Žirafa má tuto vlastnost, protože mnoho jejích genů je zastoupeno ve variantách, které přispívají k prodlužování krku během vývoje. Nemohu říct kolik, ale zpravidla mluvíme o tuctu. Ostatní sudokopytníci (a s největší pravděpodobností i vy a já) mají stejné geny, které se také podílejí na vývoji organismu, ale v jiných variantách. Když se krk žirafy prodloužil, nové geny se s největší pravděpodobností neobjevily, ale stávající se změnily. Toto je hlavní cesta evoluce. Nové geny se obecně tvoří velmi zřídka – zdvojnásobením starého s následnou divergencí. Stejně jako všechny živé bytosti se dokáží “rozmnožovat” a umírat, vypínat, degradovat. Obecně je počet genů omezený – zvířata jich mají asi 20-30 tisíc, rostliny – o něco více – až 50 tisíc.
Náhoda je vskutku obecně smůla, a to z nejjednoduššího principu: bourání není stavba. Pravděpodobnost příznivých mutací je mnohem menší než pravděpodobnost nepříznivých a neutrálních (které nic neovlivňují). Nicméně něco, co zvyšuje zdatnost (skládá se ze tří parametrů: životaschopnost, plodnost a rychlost vývoje jedince), může vzniknout naprosto náhodou – to vede ke zvýšení četnosti výskytu nositelů takové náhody a jejich upevnění v evoluci.
Všechny živé organismy vznikly z jednoho společného předka – přirozeně jednobuněčného. Když existoval, rozhodně nebyl jediný, ale na planetě nezůstali potomci všech ostatních. Jelikož všechny moderní organismy dnes žijí a ostatní ne, můžeme říci, že jsou všechny přibližně stejně úspěšné a nelze tvrdit, že jeden z nich je „lepší“. Například bakterie jsou svým způsobem dokonalejší než lidé – jsou početné a mají větší celkovou biomasu. V ostatních ohledech vítězí lidé, ale všechna tato hodnocení jsou subjektivní. Otázkou je – jak se rozmanitost života, včetně bakterií, lidí a žirafy s krkem, vzala z jednoho předka? Odpověď zní: náhodnými mutacemi, a to právě těmi nejvzácnějšími z nich, které nebyly škodlivé ani neutrální, ale vedly ke změnám slučitelným se životem nebo dokonce ke zlepšení kondice.
Mate vás nízká pravděpodobnost takových mutací. To není překvapivé – lidé jsou jen zřídka schopni intuitivně cítit rozdíl větší než stonásobek a v tomto případě musíme uvažovat ve velkém měřítku. Nejprve o četnosti mutací: DNA jako nositel dědičnosti má své vlastní chemické vlastnosti, včetně přesnosti jejího kopírování. Proteiny, které opravují chyby, mají také své vlastní parametry účinnosti. Bez jakýchkoli mutagenních účinků, pouze díky své biochemické povaze, je každý člověk nositelem asi stovky nových unikátních mutací, které vznikly v těch buňkách embryonální cesty otce a matky, ze kterých se vytvořilo vajíčko a spermie, a daly tak vzniknout konkrétní osobě. Většina z nich jsou nukleotidové substituce, asi tucet jsou inzerce a delece úseků DNA. Ale v průměru má pouze jedna mutace ze sta nějaký vliv na jakékoli vlastnosti a nejčastěji se jedná o téměř nepostřehnutelnou kvantitativní změnu. Velmi zřídka má významný dopad (například se předpokládá, že „královská hemofilie“ vznikla jako mutace, jejímž prvním nositelem byla sama královna Viktorie).
Jedna neutrální mutace na jedince je však velmi důležité číslo. A je ve skutečnosti obrovské. Je kompatibilní s životem celé populace, a proto je aktivita enzymů, které opravují DNA, upravena na toto minimum. Vynakládání zdrojů na více je evolučně nerentabilní.
Odhaduje se, že společný předek všech živých organismů žil asi před 3,5–3,8 miliardami let. Kolik generací nás od něj dělí? U lidí se za generaci považuje 25 let, u protistů to může být jeden den a z protista jsme se vyvinuli v člověka. Pro jednoduchost si vezměme generaci jednoho roku (v průměru). Pak nás od společného předka dělí asi 4 miliardy mutací, které něco ovlivňují! Nejsou mezi nimi žádné škodlivé změny, protože jejich nositelé vymřeli. Abychom ale zjistili, kolik mutací vzniklo u zástupců naší větve, musíme toto číslo (4 miliardy) vynásobit celkovým počtem jedinců našeho druhu v každém okamžiku evoluce. Na Zemi nyní žije 6 miliard lidí, populace velkých zvířat se pohybuje od stovek tisíc do milionů jedinců a počet protistů je astronomický. Každý má v průměru jednu svou vlastní neneutrální mutaci. A ukazuje se, že v každém okamžiku existuje monstrózně obrovský výběr.
Skutečný problém je opačný než ten, který je položen v otázce: evoluce měla příliš mnoho času. Existuje dobrý příklad. Vzdálení předkové koní jedli jemné listy, koně hrubou trávu a během přechodu došlo k odpovídajícímu zvětšení délky zubů. Vědci vypočítali rychlost tohoto procesu a ukázalo se, že je extrémně malá. To znamená, že pokud by se jednalo o adaptaci na tužší potravu, pak by v daném okamžiku byl přínos z prodlužování zubů zanedbatelný. V evoluci však existuje jednoduchý vzorec, který lze snadno odvodit – čím menší je přínos, tím větší musí být velikost populace, aby byl patrný. Přínos v případě koňských zubů se ukázal být tak malý, že adaptivní evoluce založená na něm by vyžadovala nerealisticky obrovské populace, pro které na planetě nebylo místo. To donutilo vědce předpokládat, že velikost zubů se nemění adaptivně, ale spíše náhodně, dokud jedna z populací nedostane příležitost přejít na hrubší potravu a zvládnout novou mezeru. Existovaly tři nebo čtyři takové náhodné přechody.
Fotografie z oznámení: Miroslav Ducháček (z České republiky) — wikipedia.org, licence: Creative Commons Uveďte autora-Zachovejte licenci 3.0 Unported
