Student World

Pátrání po předcích eukaryotické buňky se dostalo do velkých nesnází. Představa, že existuje primitivní přechodná forma – spojující článek, který by měl jádro, ale ne mitochondrii – sice nebyla definitivně vyvrácena, zdá se však málo pravděpodobná.

Všichni nadějní kandidáti na chybějící článek zklamali na celé čáře, protože se ukázalo, že se přizpůsobili primitivnějšímu způsobu života až druhotně. Předkové všech těchto primitivně vypadajících skupin měli mitochondrie a jejich potomci je ztratili, když se přizpůsobovali novému prostředí často jako paraziti.

Je možné být eukaryotem bez mitochondrie, protože mezi prvoky najdeme takových druhů tisíce, ale zdá se nemožné být eukaryotem a přitom nikdy, ani ve své dávné minulosti, o mitochondrii nezavadit. Pokud jedinou cestou, jak se stát eukaryotem, je vlastnit mitochondrii, potom je možné, že se eukaryotická buňka zformovala právě při symbióze mezi bakteriálním předkem mitochondrie a jeho hostitelskou buňkou.

Jestliže se eukaryotická buňka zrodila při splynutí dvou typů buněk, stojíme před další naléhavou otázkou. Jaké to byly buňky?

V učebnicích se píše, že hostitelskou buňkou byl primitivní eukaryot bez mitochondrie. To však samozřejmě nemůže být pravda, když žádná taková eukaryota neexistovala. Lynn Margulisová ve své endosymbiotické teorii navrhla spojení dvou různých typů bakterií a vypadalo to, že se její teorie po zavržení archezoí jako spojovacího článku zase vrátí na výsluní.

Lynn Margulisová, stejně jako všichni ostatní, uvažovala podle následujícího scénáře: Hostitelská buňka vyráběla energii fermentací, jako to dodnes dělají kvasinky, a díky příchodu mitochondrie získala schopnost nakládat s kyslíkem, a naučila se tak efektivnějšímu způsobu výroby energie. Předpokládalo se, že totožnost hostitele bude možné vystopovat porovnáváním genových sekvencí dnešních eukaryot se sekvencemi různých skupin bakterií a archeí. Moderní sekvenovací metody právě dospěly do stadia, kdy to začalo být možné. Jak jsme však viděli, odpověď byla opět šokující: Geny eukaryot se ukázaly být nejpodobnější metanogenům, těm podivným archeím ze střev a bažin produkujícím metan.

Metanogeny! Poněkud podivná odpověď. V první kapitole jsme se dozvěděli, že metanogeny vyrábějí energii reakcí plynného vodíku a oxidu uhličitého za vzniku bahenního plynu metanu. Plynný vodík se vyskytuje pouze za nepřítomnosti kyslíku, a proto jsou metanogeny vázány na anoxická prostředí – vzácná místa, kde se kyslík nevyskytuje. Vlastně je to ještě horší. Kyslík v prostředí nezabije metanogeny přímo, podobně jako nás nezabije voda, když se potopíme na kratší dobu a zadržíme dech. Problém tkví v tom, že metanogeny v takovém prostředí nemohou vyrábět energii a musí „držet dech“, dokud se nevrátí do svého oblíbeného anoxického domova. Procesy, kterými vyrábějí energii, totiž mohou běžet jen při úplné nepřítomnosti kyslíku. Byl-li hostitelem skutečně metanogen, stojíme před otázkou: Proč by měl metanogen navazovat vztahy s nějakou bakterií, jež je závislá na kyslíku? Dnešní mitochondrie skutečně na kyslíku závislé jsou, a pokud tomu bylo stejně i v minulosti, potom by ani jeden partner nemohl žít v prostředí toho druhého. Je to paradox, který, zdá se, není možné odstranit klasickými způsoby myšlení.

V roce 1998 vstupují na scénu Bill Martin, s nímž jsme se setkali již v první kapitole, a jeho dlouhodobý spolupracovník Miklós Müller z Rockefellerovy univerzity, kteří předložili v časopise Nature převratnou hypotézu. Nazvali ji „vodíková hypotéza“, a jak již název napovídá, má málo společného s kyslíkem, zato mnoho s vodíkem. Martin a Müller považují za klíčový moment skutečnost, že plynný vodík je produkován jako odpadní produkt zvláštními organelami zvanými hydrogenozomy, které se trochu podobají mitochondriím. Najdeme je většinou u primitivních jednobuněčných eukaryot, jako je třeba parazit bičenka poševní (Trichomonas vaginalis), jeden ze zdiskreditovaných archezoí. Stejně jako u mitochondrií je hlavní funkcí hydrogenozomů produkce energie, děje se tak ovšem prazvláštním způsobem, při němž hydrogenozomy uvolňují do okolí vodík.

Evoluční původ hydrogenozomů byl dlouho zahalen tajemstvím. Jisté podobnosti ve stavbě hydrogenozomů a mitochondrií vedly Müllera a několik dalších, zejména pak Martina Embleyho a jeho kolegy z Přírodovědeckého muzea v Londýně, k myšlence, že tyto dvě organely si jsou příbuzné – sdílejí společného předka. Velmi těžce se to dokazovalo hlavně proto, že u většiny hydrogenozomů se nezachoval genom, nicméně dnes se to považuje za velmi pravděpodobné. Bez ohledu na to, jaká bakterie vstoupila do symbiózy v prvotní eukaryotické buňce, dala vznik jak mitochondriím, tak hydrogenozomům. Martin tvrdí – a to je teď jablkem sváru –, že bakteriální předek mitochondrií a hydrogenozomů byl schopen provozovat oba typy metabolismu. Pokud ano, musela to být velmi přizpůsobivá bakterie schopná dýchání pomocí kyslíku stejně jako produkce vodíku. K tomuto problému se vrátíme později. Pro tuto chvíli si povšimněme toho, že Martinova a Müllerova „vodíková hypotéza“ předpokládá, že prvnímu eukaryotu přinesl evoluční sílu vodíkový metabolismus, a nikoli metabolismus kyslíkový.

Martina a Müllera ohromilo zjištění, že eukaryota s hydrogenozomy se často stávají domovem drobných metanogenů, které se dostaly do buňky a vesele v ní přežívají. Metanogeny se přitisknou na hydrogenozomy, skoro jako by je vysávaly.

Martin a Müller si uvědomili, že přesně to vlastně dělají – žijí spolu v jakémsi metabolickém sňatku. Metanogeny jsou výjimečné tím, že si dokážou vytvořit všechny potřebné organické molekuly a veškerou energii jen z oxidu uhličitého a vodíku. Dělají to tak, že na oxid uhličitý (CO2) vážou atomy vodíku (H), a vytvářejí tak základní stavební kameny k tvorbě cukrů, jako je glukóza (C6H12O6), a z nich pak mohou postavit celý repertoár nukleových kyselin, proteinů a lipidů. Také používají vodík a oxid uhličitý k tvorbě energie, přičemž vzniká metan.

Přes ojedinělou vynalézavost, co se týká energetického zdroje, čelí metanogeny vážnému problému, který jsme zmínili již v první kapitole. Potíž je v tom, že oxidu uhličitého je sice všude dost, na vodík však nenarazíte, pokud je v prostředí přítomen kyslík, protože vodík reaguje s kyslíkem a vzniká voda. Z pohledu metanogenu je požehnáním cokoli, co uvolňuje byť jen malinko vodíku. Hydrogenozomy jsou dvojí spásou, protože uvolňují oboje, vodík i oxid uhličitý, tedy všechno, po čem metanogeny touží, jestliže chtějí vyrábět energii. Ještě důležitější je, že hydrogenozomy nepotřebují kyslík – naopak se kyslíku vyhýbají –, a proto fungují v prostředích s nízkou koncentrací kyslíku, kde se líbí i metanogenům. Není tedy divu, že se metanogeny přisávají na hydrogenozomy jako hladová selátka. Přínos Martina a Müllera spočívá v tom, že jako první poukázali na to, že takové těsné metabolické spojení by mohlo být základem původního eukaryotického spojení.

Bill Martin tvrdí, že hydrogenozomy a mitochondrie stojí na opačných koncích málo prozkoumaného spektra organel. Člověka, který se setkal jen s učebnicovým příkladem mitochondrie, asi překvapí, že mnoho jednobuněčných eukaryot má mitochondrie, jež fungují za nepřítomnosti kyslíku. Místo kyslíku používají tyto „anaerobní“ mitochondrie ke spalování potravy jiné jednoduché sloučeniny, například dusičnany a dusitany.

V mnoha ohledech fungují stejným způsobem jako naše mitochondrie a jsou si bezesporu příbuzné. Toto spektrum se tedy táhne od aerobních mitochondrií, jako jsou ty naše, přes „anaerobní“ mitochondrie, které používají jiné molekuly, třeba dusičnany, až k hydrogenozomům, jež pracují velmi odlišně, a přesto jsou jim stále příbuzné. Existence tak širokého funkčního spektra vede k otázce, co to bylo za organismus, ze kterého vznikly tak rozdílné organely. Jak, ptá se Martin, mohl takový předek asi vypadat?

Tento text je úryvkem z knihy Nick Lane: Síla, sexualita, sebevražda, Academia 2013
O knize na stránkách vydavatele

autor