Nová vedecká analýza publikovaná v časopise Nature zásadne mení doterajší pohľad na evolúciu komplexného života na Zemi. Podľa výsledkov sa proces vzniku buniek s jadrom – teda eukaryotických buniek, ktoré stoja pri zrode rastlín, húb aj živočíchov – začal už približne pred tromi miliardami rokov. To znamená, že zložité formy života majú za sebou dlhšiu a hlbšiu evolučnú históriu, než sa dlho predpokladalo.
Výskumníci sledovali staré duplikácie génov
Analýza vychádza zo štúdia stoviek génových rodín, ktoré majú pôvod v archeách a baktériách. Na určenie veku jednotlivých genetických udalostí sa použila metóda molekulárnych hodín – technika, ktorá odhaduje časový priebeh evolučných zmien podľa rýchlosti mutácií v DNA.
Výsledky ukázali, že kľúčové duplikácie génov, ktoré postupne budovali zložité bunkové štruktúry, prebiehali v období od 3,0 miliardy rokov až do 1,7 miliardy rokov pred súčasnosťou.
Jednoduché vs. zložité bunky: zásadný evolučný rozdiel
Najstaršie formy života tvorili prokaryotické organizmy – jednoduché bunky bez jadra, medzi ktoré patria archeá a baktérie. Eukaryotické bunky, ktoré sa objavili oveľa neskôr, majú zložitejšiu vnútornú stavbu:
- jasne ohraničené jadro
- mitochondrie zabezpečujúce výrobu energie
- systém vnútorných membrán a organel
- pokročilý cytoskelet
Otázka, kedy a akým spôsobom vznikol takto zložitý typ bunky, patrila medzi najdiskutovanejšie témy evolučnej biológie.
Prelomové zistenie: väčšina bunkovej zložitosti vznikla ešte pred vznikom mitochondrie
Analýza génových duplikácií ukázala, že pôvodná hostiteľská bunka bola už pred nadviazaním symbiotického vzťahu s baktériou – z ktorej sa neskôr stala mitochondria – prekvapivo komplexná.
Duplikácie génov spojené s cytoskeletom, membránovým transportom či vnútornými membránami sú datované do veľmi starého obdobia:
- aktínové línie sa začali formovať približne pred 2,8 miliardy rokov
- proteíny typu ARP majú pôvod v rozmedzí 2,90 – 2,06 miliardy rokov
- tubulínové proteíny sa rozvíjali medzi 2,8 – 2,2 miliardy rokov
- najstaršie duplikácie génov súvisiacich s endomembránovým systémom siahajú až k hranici 3 miliárd rokov
To znamená, že hostiteľská bunka mala už pred príchodom mitochondrie schopnosť organizovať svoj vnútorný priestor a zrejme aj prvotnú podobu mechanizmov pripomínajúcich endocytózu.
Výskum zároveň ukázal, že až 85 % archeálnych génových duplikácií prebehlo ešte pred samotnou mitochondriálnou endosymbiózou. Tento výsledok zásadne spochybňuje teórie, podľa ktorých bola mitochondria prvým kľúčovým impulzom pre vznik zložitých eukaryotických buniek.
Kedy vznikli mitochondrie a čo to súvisí s kyslíkom
Samotná mitochondriálna endosymbióza sa podľa dát odohrala približne pred 2,2 miliardy rokov, čo sa časovo prekrýva s Veľkou oxidačnou udalosťou. V tomto období začala atmosféra Zeme obsahovať omnoho viac kyslíka než predtým. Vyššia hladina kyslíka mohla vytvoriť podmienky, v ktorých sa aeróbna baktéria dokázala trvalo usadiť vo vnútri hostiteľskej bunky a premeniť sa na organelu zodpovednú za energetický metabolizmus.
Nový evolučný model: postupné budovanie zložitosti
Na základe kombinácie genetických dát, paleontologických dôkazov a fylogenetických analýz vznikol evolučný model, ktorý opisuje eukaryotického predchodcu ako archeón postupne získavajúci stále zložitejšie mechanizmy, až neskôr doplnené o mitochondriu. Tento model podporuje predstavu, že vznik eukaryotických buniek nebol náhlou udalosťou, ale dlhodobým procesom trvajúcim viac než miliardu rokov.
Podľa analýzy:
- línia vedúca k dnešným eukaryotom sa oddelila od asgardských archeí pred 3,05 – 2,79 miliardy rokov
- posledný spoločný predok eukaryotov (LECA) žil pred 1,80 – 1,67 miliardy rokov
Eukaryotická bunka nevznikla skokom, ale pomalou transformáciou
Výsledky výskumu ukazujú, že vznik eukaryotických buniek nebol podmienený jedinou „revolučnou“ udalosťou. Bol to proces, ktorý prebiehal pomaly a nepretržite počas obrovského časového úseku. Mitochondria síce predstavovala zásadný evolučný krok, ale nebola začiatkom celého príbehu.
Zároveň zostáva veľa nezodpovedaných otázok. Vedcov zaujíma najmä to:
- aké prostredie podporovalo rast bunkovej zložitosti v čase, keď oceány boli prevažne bez kyslíka
- prečo trvalo ešte stovky miliónov rokov po vzniku mitochondrie, kým sa eukaryotá začali výrazne diverzifikovať
Budúce štúdie kombinujúce genetiku, geológiu a biochemické modelovanie by mohli do problematiky vniesť ďalšie objasnenie.
