Vznikl život dřív, než jsme si mysleli? Nový výzkum přepisuje raná stádia pozemské evoluce

- Příroda autor: Jan Toman

Vznik života, původ hlavních skupin pozemských organismů či kořeny fotosyntézy patří k nejzajímavějším, ale také nejožehavějším tématům moderní biologie. Vědci se tradičně při hledání odpovědí na tyto otázky obraceli ke zkamenělinám. Z doby před více než miliardou let známe ovšem jen hrstku fosilií, které navíc není snadné zařadit. "Molekulární hodiny" založené na postupném hromadění mutací nabízejí alternativní cestu, jak datovat nejdůležitější události pozemské evoluce. Ani ty však nejsou "bez much". Tradičně navíc udávaly ohromná časová rozmezí, kdy k milníkům evoluce mohlo dojít. Autoři nejnovější studie tohoto typu nicméně tvrdí, že se jim většinu překážek podařilo překonat…

Čím starší organismy, tím těžší je objevit jejich zkameněliny. Ilustrační snímek

Čím starší organismy, tím těžší je objevit jejich zkameněliny. Ilustrační snímek,zdroj: Profimedia.cz

Kameny a zkameněliny

Až do druhé poloviny dvacátého století měli přírodovědci studující rané etapy vývoje života na Zemi jen pár možností, jak postupovat. Většina se zaměřila na zkamenělé pozůstatky živých tvorů. Opravdu starých fosilií je však, na rozdíl od zkamenělin z posledních zhruba 600 milionů let, k nalezení jen pomálu. Většina navíc dosahuje jen mikroskopické velikosti a bývá takřka nerozlišitelná od objektů, které mohou vznikat bez účasti živých organismů.

Aby toho nebylo málo, i ty mikrofosilie, jejichž organický původ se podařilo potvrdit, můžeme jen těžko zařadit do dnešních skupin. Není se čemu divit. Třeba takové bakterie i dnes dělíme hlavně podle chemického složení jejich membrán, role v prostředí, vylučovaných látek nebo infekčnosti. Přesně tyto vlastnosti ale ze zkamenělin takřka namůžeme vyčíst, takže nakonec většinou zůstaneme jen u asambláží různě tvarovaných mikroskopických útvarů.

Alternativně se výzkumníci mohli zaměřit na studium chemofosilií, tj. přeměněných zbytků těl a chemických pozůstatků po činnosti organismů, případně složení hornin, vody a atmosféry v raných fázích pozemské evoluce. Ani to ovšem není nic lehkého.

Těla organismů se po smrti výrazně mění. Látky, které dnes charakteristicky vylučují určité skupiny organismů, také mohly být v minulosti produkovány někým úplně jiným. A chemické signály v dobře datovaných souvrstvích mohou pocházet z vrstev úplně jiných, ze kterých se třeba jen vlivem vnějších podmínek uvolnily. Zkrátka, tradiční paleobiologické metody vydaly jen velmi mlhavý obraz, jak raná evoluce života mohla vypadat.

V průběhu dvacátého století se ale i tak ukázalo, že velcí mnohobuněční živočichové s tvrdými částmi těl obývají Zemi jen něco přes 500 milionů let. Jednu až jednu a půl miliardy let mají na svém kontě nejjednodušší mnohobuněčné organismy, například řasy. O něco dříve vznikly složité eukaryotické buňky s jádrem a "buněčnou elektrárnou" mitochondrií. Před více než dvěma miliardami let došlo k okysličení atmosféry a život jako celek potom může být starý 3,5 až něco málo přes 4 miliardy let.

Molekulární hodiny

Když se v druhé polovině dvacátého století rozvinuly molekulárně-biologické techniky studia DNA, biologům se otevřela další cesta k průzkumu evoluční minulosti organismů. Ta je založená na myšlence, že všechny evoluční linie hromadí ve svém genomu více méně konstantní rychlosti mutace. Když tedy mutace, konkrétně změny jednotlivých "písmen" v DNA, spočítáme a počty změn porovnáme mezi dvěma různými liniemi, můžeme odhadnout, před jak dlouhou dobou sdílely společného předka.

Analýzy touto technikou, pro kterou se vžil název "molekulární hodiny", jsou samozřejmě v praxi daleko složitější. Různé geny například "tikají" různou rychlostí. Mutace mezi různými "písmeny" v DNA nejsou stejně pravděpodobné. Celkovou mutační rychlost ovlivňuje řada faktorů včetně toho, za jakých teplot organismy žijí a zda jsou teplokrevné nebo studenokrevné.

Výsledky může výrazně ovlivňovat i způsob, jakým vyhodnocujeme data a sestavujeme evoluční stromy. Pokud navíc chceme získat i nějaké absolutní údaje, jako je například konkrétní stáří jednotlivých evolučních linií, musíme analýzy kalibrovat. Jedinou spolehlivou možností kalibrace jsou přitom údaje vycházející z dobře identifikovaných zkamenělin, takže se svým způsobem točíme v kruhu.

Nejpoužitelnější se metody molekulárních hodin ukázaly v menším měřítku, například při studiu příbuzenských vztahů mezi savci nebo ptáky. Studium miliardy let starých evolučních událostí je daleko svízelnější. I tak ale biologové získali nesmírně zajímavé údaje. Ty se v některých ohledech shodovaly s paleontologickými nálezy a předpoklady, zatímco jinde se s nimi často i radikálně rozcházely.

Postupem času vědci molekulárně-biologické techniky zdokonalili a v mnoha případech se sešli s paleontologickými studiemi na půl cesty. I tak ale zůstávala možná data nejdávnějších evolučních rozvětvení extrémně nejistá.

U vzniku organismů či prvních větvení stromu života kupříkladu sahaly intervaly spolehlivosti přes několik stovek až miliard let. V praxi tudíž nebyly tyto výsledky moc použitelné a s velkou spolehlivostí biologům nepomohly ani při rozhodování mezi různými alternativními teoriemi, jak mohla probíhat raná evoluce.

Nejnovější studie

Nejnovější analýzu technikou molekulárních hodin zaměřenou na ranou evoluci života provedl tým britských vědců, kteří své výsledky publikovali ve vědeckém časopisu Nature Ecology & Evolution. Badatelé analyzovali 29 genů u 102 různých druhů.

Do tak ambiciózní studie museli zahrnout zástupce všech hlavních skupin pozemského života. Data tudíž pocházela jak od bakterií, tak od druhé velké větve mikroorganismů zvané archea. Do třetice výzkumníci zahrnuli genové sekvence eukaryot, organismů se složitými buňkami, které se vyvinuly z archeí spojením s původně samostatným bakteriálním předkem mitochondrie.

Největší předností studie je pečlivá kalibrace nasazených analýz paleontologickými nálezy. Nejstarší prokazatelné nálezy zkamenělin jsou staré asi 3,4 miliardy let. To ale neznamená, že život nemohl vzniknout dřív. Naopak, podle řady různých dokladů se zdá možné, že na Zemi živé organismy přežívaly dokonce už v období masivního bombardování asteroidy (Late Heavy Bombardment) před asi 3,8 až 4,1 miliardy let.

Jako zcela nepřekonatelná hranice se ukázal až kataklyzmatický náraz, při kterém před asi 4,52 miliardy let vznikl Měsíc. Ten totiž způsobil přetavení Zemské kůry, což jistě nemohl přežít žádný organismus. Život tudíž podle autorů studie mohl vzniknout před 3,8 až 4,52 miliardy let a pomocí tohoto údaje také kalibrovali své modely.

Podobným stanovením minimálního a maximálního možného stáří výzkumníci postupovali s rozvětvením bakterií a archeí, vznikem eukaryot a odvětvením řady dílčích linií těchto skupin.

Život před čtyřmi a půl miliardy let a další zázraky

Série modelů a ověřování jejich důvěryhodnosti podle různých statistických analýz vydala zajímavé výsledky. Pokud můžeme výsledkům věřit, život takřka jistě vznikl velmi brzo – již před poslední epizodou intenzivního bombardování Země asteroidy, nebo v jejím průběhu. Podle autorů studie k této přelomové události došlo asi před 4,48 až 4,52 miliardy let.

Dnešní skupiny bakterií a archeí se podle výsledků rozrůznily o více než miliardu let později. To je zajímavé z řady různých úhlů. Dlouhou dobu se například soudilo, že metanogeneze jako způsob života vznikla spolu se skupinou Euryarcheota. Podle výsledků studie je ale zřejmé, že metanogenezi musely zvládat už daleko dávnější archea. Moderní Euryarcheota se totiž podle výsledků rozvětvila až před 2,4 až 2,9 milardy let, zatímco první doklady metanogeneze jsou daleko dávnější.

V podobném gardu je zřejmé, že velké okysličení atmosféry (Great Oxygenation Event), které nastalo před asi 2,4 miliardy let, nemůžeme přiřknout na vrub moderním sinicím. Ty se podle výsledků studie rozvětvily až před 1,9 až 1 miliardou let, takže velké okysličení způsobily spíše nějaké jejich ranější linie.  Stejně tak nemělo velké okysličení přímou souvislost s rozvětvením moderních eukaryot, ke kterému došlo před asi 1,2 až 1,8 miliardy let.

Rozvětvení moderních eukaryot naopak s velkou pravděpodobností rychle následovalo zakomponování mitochondrie. Raná eukaryota za sebou kromě toho měla poměrně dlouhou evoluci následující odvětvení od ostatních archeí. Tyto výsledky tudíž vyvracejí hypotézu, že jsou eukaryota stejně stará jako bakterie a archea, nebo dokonce starší.

Sečteno a podtrženo, život je patrně starší, než si drtivá většina lidí připouští. Ostatní výsledky jsou méně šokující, ale o to důležitější. Konečně nám totiž mohou pomoci zorientovat se v bludišti složitých a nezřídka protichůdných hypotéz. Zanedlouho tak snad budeme mít ohledně rané evoluce pozemských organismů výrazně jasnější představy než dnes.

Zdroj: Betts HC, Puttick MN, Clark JW, Williams TA, Donoghue PC & Pisani D (2018): Integrated genomic and fossil evidence illuminates life’s early evolution and eukaryote origin. Nature Ecology & Evolution, 1.

Tagy: paleontologie vznik života věda a poznání