BIOLOGIE – PŘÍSTUPY A METODY KE ZKOUMÁNÍ ŽIVOTA VČERA, DNES A ZÍTRA Mgr. Kateřina Hotová Svádová, Ph.D.
studijní materiál ke kurzu Mezioborové dimenze vědy
Fakulta informatiky a managementu Univerzity Hradec Králové
Projekt Informační, kognitivní a interdisciplinární podpora výzkumu je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
1. Úvodem Přednáška, jejíž materiál se Vám dostal do rukou, je součástí kurzů přednášek Mezioborové dimenze vědy pořádaných v rámci projektu Informační, kognitivní a interdisciplinární podpora výzkumu a pojednává o vybraných objevech a biologických vědních oborech, které zásadní měrou poznamenaly vědecký výzkum nejen v rámci svého oboru, ale v celé biologii obecně. Dále jsou uvedeny některé zásadní metody a přístupy, jež byly po svém zavedení využívány opět v nejrůznějších oborech biologie. Kromě specifických biologických metodik jsou v biologii využívány zásadním způsobem i metody matematické, statistické, fyzikální, chemické a psychologické. To vše samozřejmě v posledních zhruba sedmdesáti letech za využití výpočetní techniky a informačních technologií. 2. Systematická biologie Zprvu bylo nejdůležitější popsat záplavu organismů, s nimiž se lidé setkávali. První biologickou disciplínou, která se rozvinula, byla systematická biologie. Název oboru systematika je odvozen z řeckého slova systema, česky soustava nebo počeštěná verze téhož, tedy systém. Systematika vědecky zkoumá druhy a druhovou diverzitu organizmů. Úzce souvisí a velice se překrývá s taxonomií, jíž je nadřazena. Taxonomie konkrétně se zabývá pouze teorií a praxí klasifikace organismů, tedy zařazováním organismů do jednotlivých hierarchicky uspořádaných taxonomických kategorií. Podrobněji se k problematice taxonů a taxonomie dostaneme ještě v rámci evoluční biologie. Důležitou osobností systematické biologie, ne-li dokonce jejím zakladatelem, je švédský přírodovědec a lékař Carl Linné, který žil v letech 1707 až 1778. Linného napadlo, že veškeré rostlinstvo by bylo možno uspořádat do přirozené soustavy podle pohlavních orgánů. Od té doby patřily všechny jeho pohledy výhradně květům a začal se rodit jeden z jeho hlavních objevů a přínosů vědě. Nutno ještě podotknout, že do té doby byl pyl pokládán za vedlejší produkt rostlin. A studium pohlavního rozmnožování rostlin v tehdejší době, ač si to dnešní člověk nedovede představit, vzbuzovalo u řady lidí, ba i některých přírodovědců, značné pohoršení. Zásadním počinem Linného bylo jednak (1) zavedení pojmu druhu jako základu přirozené soustavy organismů, což ho pasuje do role zakladatele botanické a zoologické systematické nomenklatury, neboť binomickou systematickou nomenklaturou označujeme pojmenování organismů rodovým a druhovým jménem. Organismy od Linného dob byly a i nadále jsou popisovány pod latinskými jmény, na ta jediná se lze spolehnout, neboť jejich platnost, eventuálně synonymie a podobné problémy řeší průběžně mezinárodní nomenklatorická komise. Národní jména organismů (např. české názvosloví, nebo anglické apod.) takto ošetřovány nejsou a často existuje pro jeden druh řada synonym a vlastně kdokoli, kdo překládá přírodovědný či cestopisný dokument pro televizi či píše článek (ať už do novin, populárních časopisů nebo pro internetové stránky), kde se o nějakých druzích organismů zmiňuje, si může beztrestně jejich česká jména vymyslet a často se tak také děje. Krom vytvoření binomické nomenklatury se Linné, jak již bylo zmíněno, (2) pokusil také tyto popsané organismy systematicky 1
uspořádat. Tedy nějakým způsobem je klasifikovat (zařadit je do skupin dle určitých pravidel) a vytvořit určité základní taxonomické kategorie. Samozřejmě jeho klasifikace se od té dnešní značně liší (například taxon červi (Vermes) zahrnoval nejrůznější živočichy protáhlého, “červovitého“ tvaru těla byly tam tasemnice (Cestoda), měkkýši (Mollusca), kroužkovci (Annelida) a podobně, tedy taxony si naprosto nepříbuzné), ale to nic nemění na tom, že to byl počin v té době zcela zásadní. Základními taxonomickými kategoriemi jsou: říše = regnum, kmen = phyllum, oddělení = divisio, třída = classis, řád = ordo, čeleď = familia, rod = genus a druh = species. Lidé mají v sobě jakousi potřebu vše „škatulkovat“, zařazovat do určitých kategorií, dále se ale dostaneme k tomu, že v případě systematiky, jež by měla určitým způsobem reflektovat fylogenesi a tedy příbuznost jednotlivých organismů a jejich skupin (tedy vyšších taxonů) navzájem, je toto původní pojetí poněkud nešikovné. Nutno ještě dodat, že veledílo, v němž Carl Linné zmíněné zásadní principy systematické biologie uveřejnil, se jmenovalo Systema Naturae (Soustava přírody) a poprvé vyšlo roku 1735. 2.1. Metody systematické biologie Metodou systematické biologie je popis a klasifikace jednotlivých organismů, lépe řečeno jejich holotypů (jedinců či jejich fragmentů, kteří byli popsáni jako první). Tyto holotypy musí být vždy někde uloženy, povětšinou v muzeích, jakožto dokladový materiál k danému druhu. V současné době je možné prohlédnout si řadu sbírek, včetně holotypů druhů v elektronické podobě prostřednictvím internetu. Bohužel pro podrobnější studium či systematické revize jsou zatím digitalizované položky nevhodné, neboť se jedná pouze o fotografie, navíc většinou pořízené jen z jednoho pohledu a s velice omezeným rozlišením. 3. Evoluční biologie Když se posuneme od dob Linného o necelých padesát let dále, narazíme na práce v pravdě renesančního člověka Erasma Darwina. Byl to nejenom anglický lékař, přírodní filosof a fyziolog, ale i vynálezce a básník. Erasmus Darwin žil v letech 1731 – 1802 a jedná se o dědečka z dnešního pohledu známějšího Charlese Roberta Darwina. Erasmus Darwin založil Lichfieldskou botanickou společnost, která přeložila díla švédského botanika Carla Linného z latiny do angličtiny. Výsledkem byla dvě díla: A System of Vegetables, according to their classes, orders… (česky zkráceně Soustava zeleniny), která vyšla v roce 1785 a The Families of Plants with their natural characters… (česky zkráceně Rostlinné druhy), která vyšla v roce 1787. V těchto knihách Darwin zavedl několik anglických jmen rostlin, která se používají dodnes. Jeho nejvýznamnějším vědeckým dílem je Zoonomia or Laws of Organic Life (1794–1796), ve které se zabývá patologií, anatomií a psychologií. Také ale obsahuje počáteční úvahy o evoluci, které později rozvinul jeho vnuk Charles Darwin. Za autora první ucelené evoluční teorie bývá označován Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, chevalier de Lamarck, který žil v letech 1744 až 1829. Jean-Baptiste Lamarck byl francouzský přírodovědec a poprvé použil termíny bezobratlí a biologie. 2
Jeho nejzásadnějším dílem je Philosophie zoologique, která vyšla v roce 1809 a obsahuje vysvětlení a rozvedení jeho pojetí evoluce. Podle jeho představ probíhá evoluce tak, že organismus se během svého života setkává s prostředím, adaptuje se na něj a vylepšení, která si tak za svého života vytvořil, předává svým potomkům (vulgárně řečeno kovářovy děti by měly mít na rukou snad již od narození mozoly). Tato evoluční teorie je označována jako lamarckismus a byla zatlačena do pozadí teorií Darwinovou. Definitivně byly Lamarckovy představy o evoluci odmítnuty ve 20. století v souvislosti s rozvojem genetiky. Nutno ještě podotknout, že někteří vědci připouští, že u jednobuněčných organismů v určitých případech mohou podobné principy fungovat. V době, kdy svou evoluční teorii zformuloval Charles Robert Darwin, dá se říci, že už byla na obzoru. Existovala, jak již bylo uvedeno, například pojednání Erasma Darwina a Jeana-Baptisty Lamarcka, a tak se nelze divit, že ke zformulování evoluční teorie došlo více autorů nezávisle na sobě, což se mimochodem v biologii stává nezřídka. Oněmi autory, jež zveřejnili v 19. století svou evoluční teorii, byli Alfred Russel Wallace a Charles Robert Darwin. Charles Robert Darwin byl britský přírodovědec a žil v letech 1809 až 1882. Tak jako většina přírodovědců jeho doby vystudoval teologii (University of Cambridge). Zpočátku se zabýval studiem geologických formací v horách Walesu, až se roku 1831 vydal na téměř pět let trvající výzkumnou cestu kolem světa na lodi Beagle. Během této plavby Darwin shromáždil cenný přírodovědecký materiál a uspořádal svou základní koncepci přirozeného vzniku a vývoje druhů evolucí, jejímž hlavním hybatelem měl být dle jeho názoru přírodní výběr. Nejzásadnější byl pro něj v tomto ohledu pětitýdenní pobyt na Galapágách. Po návratu při zpracovávání získaných materiálů Darwin pracoval na formulaci své evoluční teorie, a protože si byl plně vědom pravděpodobné reakce na svůj objev, svěřil se v té době se svojí teorií jen nejbližším přátelům a dále pokračoval ve výzkumu s cílem být připraven čelit očekávaným námitkám. Když se ale v roce 1858 objevily zprávy o tom, že Alfred Russel Wallace dospěl k podobné teorii, rozhodl se Darwin urychlit publikování své teorie. Jeho kniha On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life, tedy O vzniku druhů přírodním výběrem, neboli uchováním prospěšných plemen v boji o život byla vydána roku 1859. Svou evoluční teorii Darwin opíral o přírodní výběr a pohlavní výběr. Obecně je evoluční biologie vědní obor zabývající se biologickou evolucí organismů a mechanismy, které se při ní uplatňují. Jedná se o interdisciplinární obor zasahující do mnoha terénních i laboratorních oborů. Evoluční biologie tak využívá jednak vědy, které studují jednotlivé organismy (např. mammaliologii, ornitologii nebo herpetologii apod.), dále využívá poznatků paleontologie, embryologie, genetiky, molekulární biologie a dalších oborů, které umožňují hledat odpovědi na otázky po tempu a způsobu evoluce.
3
3.1. Teorie přírodního výběru (v Origin of the Species Charlese Darwina z roku 1859): 1) Individua v rámci druhu se liší morfologií, psychologií a chováním. V jednotlivých znacích je tedy mezi jedinci daného druhu variabilita. 2) Něco z této variability je dědičné. V průměru jsou potomci podobnější svým rodičům než jiným jedincům (nepřekvapí nás například, že slonovi se narodí slůně a ne myše). 3) Organismy mají tendenci množit se co nejvíc, až k přemnožení, tedy až nad úroveň nosné kapacity prostředí, ve kterém žijí. To ale nemůže být realizováno, neboť existují omezení, která jsou dána tzv. limitujícími faktory prostředí (ať už se jedná o potravní zdroje, o množství úkrytů, o prostor obecně atp.). Díky tomu bývají populace co do početnosti v čase konstantní. Probíhá tu tedy kompetice mezi individui o ony limitující zdroje. 4) Výsledkem kompetice potom je, že některé sledované fenotypy budou mít vyšší fitness, neboli zanechají po sobě v budoucí populaci více potomků s daným znakem, který jim tento kompetiční úspěch umožnil. Potomci tedy zdědí vlastnosti rodičů, eventuelně také evoluční novinku vyselektovanou působením přírodního výběru. 5) Následkem přírodního výběru se tedy stanou organismy adaptovanými na své prostředí. Individua, která byla vyselektována prostřednictvím přírodního výběru, budou v daném prostředí schopna nejlépe sehnat potravu, partnera, či se vyhnout predátorovi atp. Nutno ještě podotknout že, když Darwin formuloval tyto myšlenky, neměl ponětí o mechanismu dědičnosti. Moderní teorie přírodního výběru už pracuje v termínech genů, ale k tomu se dostaneme později. 3.2. Teorie pohlavního výběru Pro jedince určitého druhu není důležité jen dožít se reprodukčního věku, ale také nalézt sexuálního partnera pro rozmnožování a rozmnožit se. Podle teorie pohlavního výběru si vždy jedno pohlaví vybírá na základě určitých znaků partnera pro rozmnožování. Mezi jedinci stejného pohlaví tedy dochází ke kompetici o vhodné sexuální partnery. Obvykle nepůsobí pohlavní výběr na příslušníky obou pohlaví se stejnou intenzitou. Pohlavím, které si vybírá, bývají zpravidla samice, což má za následek, že samci bývají vystaveni intenzivnějšímu pohlavnímu výběru. Příčinou této asymetrie je rozdílná investice do reprodukce, kdy samice již v počátku rozmnožování investují do produkce makrogamet více energie než samci do produkce mikrogamet. Tato asymetrie je ještě znásobena u organismů s vnitřním oplozením a ještě dále u organismů živorodých. Samčí a samičí strategie se tedy diametrálně liší. Samice se snaží zvyšovat svou fitness (podíl potomků v příštích generacích = zdatnost) precizním výběrem partnera, kdežto samci se snaží zvyšovat svou fitness zvyšováním počtu sexuálních partnerů a kopulací. Samice jsou totiž limitovány tak, že se vzrůstajícím počtem sexuálních partnerů se počet 4
jejich potomků v zásadě nemění. Je pro ně tedy důležitá kvalita potomků. V populaci tedy existuje neustálý převis nabídky samců ochotných se rozmnožovat nad počtem samic ochotných k rozmnožování. Tím pádem je mezi samci daleko silnější vnitropohlavní konkurence a působí na ně i daleko intenzivnější pohlavní výběr. Asymetričnost působení pohlavního výběru na jednotlivá pohlaví vede často ke vzniku nápadného pohlavního dimorfismu. Často se stává, že pohlavní výběr působí proti působení přírodního výběru, kdy samice preferují znaky, které snižují životaschopnost svého nositele (například dlouhé loketní letky u bažanta arguse okatého, Argusianus argus). Teorií proč tomu tak je, je několik a vydaly by na zvláštní přednášku. 3.3. Kladistika V pojednání o systematické biologii byl zmíněn taxon jakožto jednotka vědecké biologické nomenklatury, přičemž systematická biologie třídila organismy do určitých taxonomických kategorií. Taxony stejné kategorie by měly stát na stejné nebo srovnatelné klasifikační úrovni. Již jsem se také zmínila, že tak jednoduché to opravdu není, takže znovu … Taxon neboli systematická jednotka neboli taxonomická jednotka je skupina konkrétních (žijících nebo vymřelých) organizmů, které mají společné určité znaky a tím se odlišují od ostatních taxonů. Taxonem je např. čeleď trav lipnicovité, nebo třída ptáci (obr. 1), ale může být i bez názvu. Všeobecná snaha taxonomů je zajistit, aby se třídění organismů do taxonů shodovalo s jejich fylogenezí, tedy evolučním vývojem. Základy pro vytvoření tzv. fylogenetické taxonomie položil v 50. letech 20. století německý entomolog Emil Hans Willi Hennig svou prací Basic Outline of a Theory of Phylogenetic Systematics, na kterou navazovaly další práce zaměřené na metodologii fylogenetické systematiky a nesčetně taxonomických prací o dvoukřídlých (Diptera). Uspořádávání druhů organismů metodou Williho Henniga nazval posléze německo-americký biolog Ernst Mayr kladistikou (z řeckého klados, větev). Kladistika (= fylogenetická taxonomie) se snaží pro danou skupinu druhů shromáždit co nejvíce srovnatelných dat (vytváření obrovských matic znaků) a uspořádat na základě určitých jednoduchých principů druhy do tzv. kladogramu. Jedním z principů je například princip parsimonie, na jehož základě je vždy preferováno nejjednodušší vysvětlení změn, které se v evoluci odehrály. Princip parsimonie tedy minimalizuje počet potřebných mutací. Rozlišujeme tři typy taxonů s tím, že jediným přirozeným typem je taxon monofyletický (tzv. monofylum). Monofyletický taxon je takový taxon, který zahrnuje společného předka a zároveň všechny jeho potomky (př. obr. 2 modře). V existujícím systému organismů tedy neustále vyhledáváme parafyletické a polyfyletické taxony se snahou je zcela zrušit. Parafyletický taxon sice také zahrnuje společného předka, jeho nedostatkem však je, že v něm chybí některý či někteří z jeho potomků (př. obr. 3 zeleně). A konečně třetím typem je taxon polyfyletický, který nezahrnuje společného předka; zahrnuje tedy dvě nebo více nezávislých linií bez jejich ukotvení a vzájemného propojení (př. obr. 4 červeně). 5
Proč se neustále v systémech skrývají ony nepřirozené parafyletické a polyfyletické taxony? Jakým způsobem se do systémů dostávají? Parafyletické taxony vznikaly a vznikají především díky zásadnímu odlišení jednoho (či více) potomků a eventuálně následné výrazné radiaci této skupiny. K onomu zásadnímu odlišení dochází vznikem velkého množství tzv. evolučních novinek neboli apomorfních znaků neboli apomorfií. Polyfyletické taxony byly zásadním problémem především prvních systémů, v dnešních systémech jich již tolik nenajdeme. Existence polyfyletických taxonů je založena na tzv. konvergenci, což znamená, že nepříbuzné organismy získaly nezávisle, například díky životu v podobných podmínkách, podobné znaky, které ale nevypovídají nic o jejich příbuznosti. Například ploutve u žraloka, kapra a kosatky jsou přizpůsobením daných organismů k plavání, tedy pohybu ve vodním prostředí, ale blízce příbuzní si tito živočichové nejsou.
Obr. 1: Systém kmene strunatci (Chordata) ze středoškolské učebnice Jelínek & Zicháček (2005). Žlutou jsou vyznačeny třídy zobrazené v kladogramu na obr. 2-4. Je zde patrno, že tento systém nám, na rozdíl od kladogramu, o evoluci čelistnatců (Gnathostomata) neříká vůbec nic.
Obr. 2: Kladogram vybraných recentních čelistnatců (Gnathostomata). Modře je vyznačena monofyletická skupina plazi (sensu lato).
6
Obr. 3: Kladogram vybraných recentních čelistnatců (Gnathostomata). Zeleně je vyznačena parafyletická skupina, kdy jsou ze skupiny plazů vyřazeni ptáci. Podobně je tomu i v systému na obr. 1.
Obr. 4: Kladogram vybraných recentních čelistnatců (Gnathostomata). Červeně je vyznačena polyfyletická skupina teplokrevných amniot (savci a ptáci). Toto přizpůsobení však vzniklo v evoluci dvakrát nezávisle na sobě, což je z tohoto kladogramu patrno, avšak ze systému na obr. 1. nikoli.
7
3.4. Metodika a přístupy evoluční biologie a kladistiky Jak již bylo zmíněno, evoluční biologie je interdisciplinární obor, který využívá metodiky a přístupy nejrůznějších oborů, a to nejen těch existujících v době vzniku evoluční biologie (např. morfologie, paleontologie, embryologie), ale i všech nově vznikajících (např. genetiky, etologie, molekulární biologie, proteomiky). Proto by výčet metodik a přístupů byl velice dlouhý a o některých z nich bude ještě pojednáno dále. Zde se tedy omezím na popis základních mechanismů kladistiky. Kladistika pracuje s obrovskými maticemi, které se skládají z jednotlivých hodnot udávajících stav daného znaku u určitého druhu. Takže sloupce znázorňují jednotlivé taxony a řádky znaky (zjednodušený příklad viz obr. 5). Vytvoření takové matice znaků samozřejmě předchází celá řada kroků. Za prvé je důležité správně homologizovat struktury (znaky) abychom srovnávali srovnatelné a nepostavili kladogram na základě analogií (jako jsou např. konvergence). Při hledání homologických znaků je dobré vycházet ze studia embryologie a ontogeneze a začínat srovnání od nejranějších stádií, a to i při studiu exprese jednotlivých genů. Dále je nutné stavy sledovaných znaků správně polarizovat. Odlišit, kdy se jedná o apomorfní stav znaku a kdy o pleziomorfní. Obecně rozlišujeme autapomorfie, což jsou unikátní znaky specifické pro jediný taxon; synapomorfie, což jsou znaky odvozené, které sdílí příslušníci nějakého vyššího taxonu; a nakonec symplesiomorfie, což jsou znaky starobylé, tedy sdílené původní
znaky. Autapomorfie jsou vynikajícími diagnostickými znaky, nejsou ale použitelné pro řešení fylogenetických otázek. Obr. 5: Matice distribuce znaků u taxonů A, B a C a všechna jejich možná řešení s počtem znaků, jež by byly v případě daného řešení synapomorfiemi a které jen homopláziemi. 0 = pleziomorfní stav znaku, 1 = apomorfní stav znaku.
8
Sympleziomorfie jsou výhodné pro všeobecnou charakteristiku vyšších taxonů. Zásadní fylogenetické informace poskytují pouze synapomorfie (obr. 6). Pro polarizaci je nutné do studovaného materiálu zahrnout tzv. outgroup, taxon, který stojí určitě mimo studovanou skupinu, ale je jí velice blízce příbuzný.
Obr. 6: Schematický kladogram, na který jsou navěšeny sympleziomorfie a synapomorfie daného znaku. Vidíme, že za pomoci sympleziomorfií můžeme charakterizovat parafyletické taxony, kdežto taxony monofyletické jsou charakterizovány synapomorfiemi.
Vždy používáme větší množství znaků najednou a snažíme se najít to nejjednodušší vysvětlení (princip parsimonie) distribuce změn, které nám znázorňuje výsledný kladogram. Toto řešení nám samozřejmě najde program v počítači, který je často nutno nechat běžet i několik dní. 4. Genetika Dalším zásadním přírodovědcem devatenáctého století byl Gregor Johann Mendel, který žil v letech 1822 až 1884 na Moravě. V letech 1851–1853 studoval na univerzitě ve Vídni matematiku, fyziku, chemii, botaniku, zoologii a paleontologii. Díky důkladnému studiu těchto věd si uvědomil důležitost matematiky a statistiky pro vysvětlování přírodních dějů. Mendel působil jako mnich a později opat augustiniánského kláštera na Starém Brně, kde se věnoval křížení hrachu a dalších rostlin a sledování jejich potomstva. Snažil se je křížit a předpokládal, že část genetické informace dědí rostlina po jednom rodiči a druhou část po druhém rodiči. Na základě svých pokusů formuloval tři pravidla, která později vešla ve známost jako Mendelovy zákony dědičnosti. Mendelova experimentální data byla mnohokrát prověřována, protože se mnoha kritikům zdála až příliš přesná. Mendel zkrátka ze svých mnoha tisícovek pokusů zveřejnil pouze ty, které nejlépe dokládaly jeho teorie. Například z mnoha znaků, které Mendel sledoval, nakonec popsal pouze ty, které jsou ovlivněny jediným genem a u kterých je tedy dědičnost nejjednodušší. Pokusy, které nevyšly úplně přesně, nastavoval dalšími a dalšími tak dlouho, dokud nedostal přesně ten poměr, který chtěl. Faktem však je, že v tehdejší době, kdy statistika de facto neexistovala a Mendelova práce byla jedna z prvních, která aplikovala matematické metody na biologický výzkum, lze tento postup považovat za normální. Navíc se tím Mendel ani nijak zvlášť netajil.
9
Své pokusy na rostlinách Gregor Mendel přednesl v roce 1865 na setkání Brněnského přírodovědeckého spolku a následně roku 1866 publikoval v práci „Pokusy s rostlinnými hybridy“ (Versuche über Pflanzen-Hybriden). V roce 1869 zveřejnil výsledky své druhé práce zaměřené na křížení rostlin. Díky nešťastné volbě rostliny však nabyl přesvědčení, že jím objasněné zákonitosti vlastně neplatí. Studované jestřábníky mají totiž zcela atypické rozmnožování, které v té době nebylo známo. Zřejmě i díky tomu a také díky tomu, že pro tehdejší společnost nebyly Mendelovy poznatky přijatelné, zůstaly na delší dobu zapomenuty. Mendelův přínos byl rozpoznán až po jeho smrti, začátkem 20. století, kdy se o jeho práci zajímala řada vědců (Hugo de Vries, Carl Correns, Erich von Tschermak a William Bateson). William Bateson nechal přeložit Mendelovu práci do angličtiny a roku 1906 také navrhl název nového oboru genetika. Až tehdy bylo tedy uznáno, že Mendel položil jednak základy oboru genetiky, definoval principy nyní známé jako Mendelovy zákony dědičnosti, a dále jako jeden z prvních použil ve své práci biostatistické metody. Genetika (z řeckého genno γεννώ= plodím, rodím) je biologická věda, zabývající se dědičností, geny a proměnlivostí organismů. Název souvisí též se slovem gen, což je určitý úsek deoxyribonukleové kyseliny (DNA). Název genetika byl navržen Williamem Batesonem v roce 1906, kdy ji definoval jako: „Studium křížení a šlechtění rostlin“ a až později se vyvinula představa o genetice jako o vědě zabývající se dědičností všech organismů. Pro některé režimy byla a pro některé stále je genetika a evoluční biologie tabu. V komunistickém bloku byla genetika pod vlivem sovětského politika a „vědce“ Trofima Denisoviče Lysenka označována za „buržoazní pavědu“. Její rozvoj se tak v SSSR i v zemích pod sovětským vlivem na řadu let (zhruba do pádu N. S. Chruščova v roce 1964) zastavil. Zastánci genetiky byli pronásledováni a dokonce i fyzicky likvidováni (např. N. Vavilov). V současné době je naopak poměrně obtížné dostat se k poznatkům evoluční biologie a genetiky ve Spojených státech amerických, kde byla výuka těchto biologických oborů díky fanatickému katolictví v rámci základního vzdělávání zakázána. 4.1. Struktura dna a vznik molekulární biologie Výzkum funkce deoxyribonukleové kyseliny (DNA) začal již v době, kdy ještě o existenci této molekuly nebylo nic známo. Deoxyribonukleová kyselina byla popsána roku 1869 švýcarským lékařem Friedrichem Miescherem, který z jader bílých krvinek přítomných v hnisu získal jisté množství nukleových kyselin, které souhrnně nazýval nuklein. Na počátku 20. století potom rozpoznal litevskoamerický biochemik Phoebus Levene, že DNA se skládá z cukrů, fosfátů a bazí. O funkci DNA toho dlouho nebylo moc známo. První důkaz o roli DNA v přenosu genetické informace přinesli v roce 1943 Oswald Avery, Colin MacLeod a Maclyn McCarty, když zveřejnili sérii pokusů s transformací pneumokoků.
10
Důležitým objevem byla trojrozměrná struktura DNA. Správný dvoušroubovicový model (obr. 7) byl poprvé představen roku 1953 v časopise Nature. Autoři článku a pozdější laureáti Nobelovy ceny Američan James D. Watson a Brit Francis Crick přitom vycházeli z rentgenové difrakční analýzy, kterou o rok dříve provedli Rosalind Franklin a Raymond Gosling a kterou publikovali ve stejném čísle Nature.
Obr. 7: Struktura dvoušroubovice DNA. V této formě se vyskytuje většina DNA například v lidských buňkách. Dvoušroubovice je tvořena dvěma řetězci nukleotidů.
Následně v roce 1957 předložil Crick ještě sérii pravidel, která jsou dnes označována jako centrální dogma molekulární biologie a popisují vztahy mezi DNA, RNA a proteiny.
Obr. 8: Centrální dogma molekulární biologie. Základní operace (replikace DNA, transkripce a translace) jsou znázorněny žlutými šipkami. Rozšířené jako jsou replikace RNA a reversní transkripce zelenými šipkami.
Na počátku 60. let 20. století se Har Gobin Khoranovi, Robertu W. Holleymu a Marschall Warren Nirenbergrovi podařilo vyluštit genetický kód. Kompletní genom poprvé osekvenoval v roce 1995 se svým týmem americký biolog John 11
Craig Venter, byl to genom bakterie Haemophilus influenzae. Roku 2001 oznámilo konsorcium participujících vědců HUGO dokončení sekvenačního projektu, jenž přečetl kompletní lidský genom. 4.2. Teorie přírodního výběru podruhé To co se mění během evoluce, je tedy relativní frekvence genů. 1) Organismy mají geny, které kódují syntézy proteinů. Proteiny regulují vývoj nervové soustavy, svalů a dalších struktur jedince, tedy determinují to, jak vypadá i jeho chování. 2) V rámci populace je mnoho genů přítomno v jedné nebo více alternativních formách neboli alelách, které kódují částečně odlišné formy toho kterého proteinu. 3) Mezi alelami dochází ke kompetici o určité místo neboli lokus na jednom chromozómu. 4) Alela, která vytvoří více přeživších kopií sebe sama, než dokázala vytvořit její alternativa, může nakonec tuto alternativní alelu zcela vytlačit (nahradit). V tomto pojetí tedy znamená přírodní výběr různé přežívání alternativních alel. Na individua může být potom pohlíženo jen jako na dočasné nositele těchto alel, prostředky šíření (anglicky vehicles), prostřednictvím kterých geny přežívají a replikují se (Dawkins 1976). Jedinci jsou geny naprogramováni tak, aby umožnili genům co nejlépe přežít a replikovat se. 4.3. Metody a využití molekulární biologie DNA je středem zájmu vědců z mnoha biologických oborů a byly vyvinuty promyšlené techniky její izolace, separace, barvení, sekvenování i umělé syntézy. Všechny tyto postupy jsou používány jak lékaři nebo kriminalisty tak i evolučními biology. Prostřednictvím DNA se dají např. diagnostikovat nemoci, testovat otcovství, vyšetřovat zločiny, vytvářet nové plodiny či hledat fylogenetické vztahy mezi organismy. Roku 1975 vyvinul Edwin Mellor Southern DNA hybridizační metodiku na bázi gelové elektroforézy pro identifikaci molekul DNA o specifické sekvenci. Různé techniky sekvenování DNA byly vyvinuty v letech 1975-77. Následně roku 1985 se podařilo Kary Banks Mullisovi a jeho kolegům vynalézt PCR (z anglického Polymerase Chain Reaction, tedy polymerázová řetězová reakce). Roku 1990 vytvořil kolektiv David J. Lipmanna aplikaci BLAST (Basic Local Aligment Search Tool), což je algoritmus používaný pro vypočítání podobnosti studovaných sekvencí DNA a následné dohledávání genů, sekvencí DNA a proteinů. V současné době již vědci nejsou vždy odkázáni na zdlouhavé a nákladné sekvenování DNA či testování vlastních primerů, neboť první jejich „cesta“ vede do genové banky (Gene bank), kde si mohou informace o genomu studovaného organismu, pokud byl již dříve sekvenován, vyhledat.
12
5. Proteomika Proteomika je vědecká disciplína, v zásadě na pomezí biologie, chemie a fyziky, zabývající se studiem proteinů, jejich struktury, vlastností a funkce. Zabývá se hledáním a popisem proteinů a jejich forem v organismech s cílem stanovit proteom studovaného organismu. Proteom je soubor všech proteinů ve všech formách, které se v organismu nachází v průběhu celého jeho života. Dále popisuje samozřejmě strukturu proteinů. Zcela zásadním je potom měření rozdílů v expresi proteinů, a to jak mezi jednotlivými buňkami, tak v závislosti na čase či způsobených reakcí na podněty z vnějšího prostředí. V neposlední řadě zahrnuje proteomika i studium posttranslačních úprav proteinů a studium vzájemných interakcí mezi proteiny. Studium proteomiky přispívá také k hledání metabolických drah, k vývoji léčiv či ke studiu biomarkerů. Studium proteomiky je komplikované, a to z mnoha důvodů: 1) Proteom je velice rozsáhlý (v lidském těle se vyskytuje dle odhadů přes 100000 proteinů). 2) Proteiny podléhají degradaci, a to i v prostředí buňky. 3) Proteiny se vyskytují v mnoha různých formách (podléhají posttranslačním úpravám, jako jsou např. fosforylace, metylace, glykolysace, oxidace). 4) V různých buňkách jednoho organismu se často vyskytuje výrazně jiná množina proteinů. 5) Exprese proteinů se i v rámci jedné buňky mění v průběhu času a v závislosti na podmínkách, a to druhově i kvantitativně; 6) mRNA podléhá po transkripci (u eukaryot) alternativnímu sestřihu, navíc ne všechna mRNA je translatována, pročež ani znalost genomu nevede k odhalení proteomu. 7) Proteiny mohou být velmi náchylné na změny prostředí, což klade nemalé nároky na laboratorní testy. 5.1. Metody využívané proteomikou Proteomika často pracuje s enormními objemy dat, proto hojně využívá metody bioinformatiky. Dále využívá především chemických metod, například elektroforézy (speciálně SDS-PAGE a 2D gely), hmotnostní spektrometrie, dále hybridizační metody využívající vazbu na protilátky (proteinové microarray čipy, imunoafinitní chromatografie). 6. Ekologie Termín ekologie je odvozen od řeckého oikos, což znamená „domov“, tedy něco jako studium „domácího života“ živých organismů. Poprvé termín ekologie použil Ernest Haeckel v roce 1869 a definoval ji jako vědecké studium vzájemného působení mezi organismy a jejich prostředím, což je velice široké pojetí. To znamená, že v ekologii se zabýváme interakcemi mezi organismem a jiným organismem eventuálně více organismy nebo interakcemi mezi organismem a podmínkami prostředí. Krebs navrhl v roce 1972 definici: „Ekologie je vědecké studium interakcí, které ovlivňují výskyt a hojnost organismů.“ Podle této definice si klademe v ekologii otázky dvou typů: 1) Proč daný organismus žije/nežije zrovna tady? 2) Proč ho tu je/není tolik a tolik? Bohužel český jazyk, jinak tak bohatý, si nedal práci s oddělením a vytvořením příslušné terminologie některých oborů. Na jedné straně máme vědní obor ekologii a vědce, který se tímto oborem zabývá - ekologa. Na druhé straně se 13
pojmem ekologie (ev. ekologové) označují i ochrana životního prostředí a ochrana přírody, obory, které mají s ekologií pramálo společného. V ochraně přírody, která se zabývá především zachováním biodiverzity, ještě přímou návaznost na ekologii najdeme. U ochrany životního prostředí, která se zabývá existencí a prosperitou lidstva, je propojení skutečně minimální, snad jen v tom smyslu, že se alespoň jednou zahrneme mezi ostatní živé organismy, což jinak děláme velice neochotně. Nutno poznamenat, že ono „ochranářství“ je velice schizofrenním oborem, v praxi ovládaným a řízeným pouze politickými a ekonomickými zájmy, v důsledku čehož bych si netroufala ho ani označit za vědu. 6.1. Metody využívané v ekologii Zaměříme-li se opravdu na ekologii, potom Vás možná překvapí, že je to vědní obor, který vlastně nemá žádnou vlastní metodiku. Metodikou ekologie je především statistika a matematické modelování. 7. Metody biologie obecně Biologie bezesporu patří mezi exaktní vědy. Zatímco ale ve fyzice či chemii za daných podmínek sloučením toho a toho či působením určitého faktoru na ono vznikne vždy totéž a jsme většinou schopni říci dopředu co, v biologii se může pokaždé přihodit něco docela jiného. Je to v zásadě takové specifikum komplexních živých systémů, které se sice chovají dle určitých zákonitostí, a to i na základě fyzikálních a chemických zákonů a v neposlední řadě i zákonů biologických, ale ke stejnému výsledku dospějí jen s určitou pravděpodobností. Biologie tedy zkoumá pravděpodobné příčiny a pravděpodobnosti jejich následků. Po zformulování hypotézy, která poukazuje na tyto pravděpodobné souvislosti, je tato hypotéza testována. Lépe řečeno se řada vědců pokouší ji vyvrátit. Když se jim to nepovede, je tu jistá pravděpodobnost, že by zákonitosti v ní obsažené mohly platit, ale potvrdit hypotézu, z podstaty věci a především statistiky, nemůžeme. 7.1. Informační technologie versus biologie Digitalizace sbírkového materiálu, telemetrie, satelitní sledování, speciální programy pro záznamy průběhu experimentů, speciální programy pro zpracování výsledků experimentů, statistické programy pro statistická vyhodnocování výsledků experimentů, elektronické časopisy, elektronické databáze (Gene bank apod.). Mgr. Kateřina Hotová Svádová, Ph.D. Univerzita Hradec Králové, Přírodovědecká fakulta Rokitanského 62, 500 03 Hradec Králové, Česká republika e-mail:
[email protected]
14
