http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 78, duben 1999 203
Klasifikace nejjednodušších eukaryotických organizmů,
protistů, byla založena až do poloviny osmdesátých
let převážně na morfologii, zejména na srovnávacím
studiu stavby buněk a jejich složek. Stejně
na tom bylo i odhalování jejich fylogenetických vztahů
a spekulace o stáří jednotlivých skupin, posuzovaném
podle stupně složitosti buněčné organizace.
Přitom bylo nutné překonávat mnoho těžkostí, a tak
se určování fylogenetické původnosti a pokročilosti
stále podobalo chůzi v mlze, z níž jen tu a tam vyvstávaly
ostrůvky určitých tvarů.
Fascinující možnosti nabídlo srovnávání sekvencí
malých podjednotek ribozomální RNA (SSU rRNA),
těchto „jedinečných fylogenetických hodin“ (C. R.
Woese), které umožňovalo zjistit vzájemné fylogenetické
postavení jednotlivých skupin protistů, a bylo
proto uvítáno s obrovským zájmem (viz též Z. Storchová,
Vesmír 76, 612, 1997/11). Překvapivá zjištění
na sebe nedala dlouho čekat. Práce týmů M. L.
Sogina a C. R. Vossbrincka v USA ukázaly, že podle
sekvencí podjednotek rRNA se jako první z vývojové
linie eukaryontů odvětvily tři skupiny protistů: bičíkovci
metamonády zastoupení známým rodem Giardia,
nitrobuněční paraziti mikrosporidie (první byla
osekvencována Vairimorpha) a bičíkovci skupiny Parabasalia
(Trichomonas).
Tři skupiny protistů
Stručně tyto organizmy představme: Giardia intestinalis
(obr. 1 a 2), běžný střevní parazit člověka, který
může ve střevě vyvolat zánět, patří k nejvyvinutějším
zástupcům metamonád z řádu Diplomonadida,
kteří představují dvojice natrvalo splynuvších
jedinců s celkem osmi bičíky. Mikrosporidie (obr. 3
a 5) jsou známy jako cizopasníci téměř všech skupin
živočichů, zejména jako patogeni u hmyzu a ryb.
V poslední době na sebe soustředili pozornost jako
paraziti člověka u pacientů trpících aidsem. Mají
spory s jedinečným zařízením, vystřelovacím aparátem,
jímž vstřikují infekční zárodek, sporoplazmu,
jakoby injekční jehlou pod velkým tlakem do nového
hostitele (podrobněji viz Vesmír 72, 578, 1993/
10). Trichomonas (obr. 6 a 7), nejznámější rod parabazálií,
zahrnuje parazitické bičíkovce převážně ze
zažívacího traktu různých živočichů včetně člověka
(např. T. vaginalis v urogenitálním traktu), má několik
funkčně specializovaných bičíků, undulující
membránu (lat. unda – vlna, undare – vlnit) a složitý
mikrotubulární cytoskelet.
Všechny tři skupiny postrádají mitochondrie – organely
obsahující zejména oxidační enzymy a plnící
Spor
o mitochondrie
Měli je už nejstarší eukaryonti?
JIŘÍ LOM
RNDr. Jiří Lom, DrSc., (*1931) vystudoval Biologickou fakultu
UK v Praze. V Parazitologickém ústavu AV ČR v Českých
Budějovicích se zabývá výzkumem cizopasných prvoků.
(e-mail: lom@paru.cas.cz)
1. Skupina bičíkovců druhu Giardia intestinalis v řádkovacím elektronovém
mikroskopu; až na jednoho jedince jsou všichni obráceni
přísavným diskem dolů. Zvětšeno 2400krát. Tento dnes velmi populární
prvok – je také v logu série mezinárodních protozoologických
kongresů – byl objeven českým lékařem Dušanem Lamblem r. 1859.
Snímek © B. Koudela
204 VESMÍR 78, duben 1999 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
roli jakési buněčné „elektrárny“. To se pěkně shodovalo
s představou velmi dávných forem, pocházejících
ještě z doby před symbiotickým vznikem mitochondrií.
Možnost druhotné ztráty mitochondrií se
odsouvala do pozadí. Trochu ale udivovalo, že všechny
tři „rané“ skupiny jsou už vysoce uzpůsobené
k parazitizmu (mikrosporidie dokonce k výhradně nitrobuněčnému)
a že žijí v hostitelích, kteří vznikli nesrovnatelně
později než jejich paraziti. To se dalo
vysvětlit tak, že dávní amitochondriální a ještě volně
žijící eukaryonti se zachraňovali před stoupající
hladinou kyslíku v prostředí tím, že se uchýlili do
bezkyslíkatých prostředí uvnitř hostitele. Adaptace
jejich potomků k parazitizmu by pak vysvětlila jejich
nyní velice pokročilou stavbu těla, jako je složitý cytoskelet
metamonád i parabazálií nebo velmi důmyslné
„injekční“ zařízení mikrosporidií.
Tyto tři skupiny, údajné potomky premitochondriálních
eukaryont, zařadil už r. 1983 T. Cavalier-Smith
jako kmeny do říše Archezoa, kterou nově ustavil.
K nim přidal ještě problematicky různorodou skupinu
Archamoebae (ve složeninách s první částí pocházející
z ř. archaios – starý se mu zalíbilo). Do ní zařadil
rody měňavkovitých organizmů, které nemají
mitochondrie, jako je velká, mnohojaderná, volně žijící
měňavka Pelomyxa nebo střevní parazit zvířat
i člověka Entamoeba. Některé další charakteristiky
také svědčí o tom, že uvedené tři skupiny se oddělily
od hlavní linie vedoucí k vyšším eukaryontům už
v rané fázi eukaryotické evoluce (z toho mikrosporidie
jako první). Mikrosporidie mají nadto některé
vlastnosti, jimiž se podobají prokaryontům – ribozomy
s charakteristikou 70 S (nejsou však samy – mj.
je mají i Parabasalia – např. Trichomonas) a nejmenší
známé genomy, většinou pod 20 megabází, v některých
případech dokonce menší než u bakterií. Mikrosporidie
druhu Encephalitozoon cuniculi, cizopasník
savců, má genom o méně než 2,9 megabáze.
Kmen Parabasalia (Trichomonas) však v říši Archezoa
dlouho nepobyl. U Archezoí sice chybějí typické
mitochondrie, ale zato mají organely s jednoduchou
či dvojitou membránou (známé už od sedmdesátých
let a zřejmě postrádající vlastní genom), hydrogenozomy.
Jsou vybaveny oxidačními enzymy spojenými
s produkcí ATP, nikoliv sice oxidativní fosforylací, ale
konverzí pyruvátu či malátu na acetát, CO2
a plynný
vodík (odtud jejich jméno). Bylo předmětem dlouhých
diskusí, zda jsou to přeměněné mitochondrie, nebo
zda mají původ v endosymbiontech či snad v diferenciaci
endomembránových systémů. Nejsou přítomny
jen u parabazálií, ale i u některých nálevníků
a měňavkovitých a houbových organizmů. Nevystupují
u nich nikdy spolu s mitochondriemi – např. ti
nálevníci, kteří mají hydrogenozomy, nemají mitochondrie.
To mluvilo spíš pro původ z přeměněných
mitochondrií, a proto je Cavalier-Smith r. 1987 přeřadil
do říše protozoí.
Rodokmen eukaryotických organizmů
S postupem času byly poznány sekvence podjednotek
ribozomální rRNA u několika set eukaryotických
organizmů, takže bylo možno sestavit podle nich jakýsi
jejich rodokmen. Tento hypotetický strom je tvořen
třemi doménami: základní, kam patří ony tři
2. Přísavný disk G. intestinalis je ovládán velmi složitým systémem
cytoskeletálních prvků. Účinnému přichycení k sliznici střeva pomáhá
pohyb ventrálních bičíků, které vystupují zpoza disku. Zvětšeno
12 200krát. Snímek řádkovacím mikroskopem © K. Vickermann
3. Elektronoptický snímek podélného řezu sporou mikrosporidie druhu
Pleistophora hyphessobryconis ze svaloviny akvarijních ryb.
Uvnitř pevné stěny chitinové a bílkovinné povahy zaujímá hlavní místo
vystřelovací aparát. Jeho hlavní část, pólová trubice, je ukotvena
zvláštní strukturou pod předním koncem spory. Odtud probíhá membránami
polaroplastu vzad, kde je spirálovitě ve třech vrstvách stočena
podél stěny spory kolem vlastního zárodku, sporoplazmy,
a prostoru zadní vakuoly. Zvětšeno 5700krát. Snímek © Jiří Lom
http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 78, duben 1999 205
amitochondriální skupiny a z níž jako z kořenů vyrůstá
„kmen“ tvořený skupinou bičíkovců Euglenozoa
(kam patří známé volně žijící krásnoočko, Euglena
gracilis, ale také cizopasné trypanozomy, včetně
původců spavé nemoci) i nejrůznější měňavkovité
organizmy. Třetí je velmi široká „terminální koruna“,
která zahrnuje ohromnou škálu protistů a také tři
říše mnohobuněčných – rostliny, živočichy a houby.
Tomu odpovídaly názory na to, v jaké posloupnosti
se u protistů objevovaly buněčné organely. Mikrosporidie
v základní doméně mají jen endoplazmatické
retikulum, archaméby a metamonády o něco výše
nad ní mají už bičíky a bazální tělíska, a u parabazálií
se už objevuje Golgiho aparát. Skutečné mitochondrie
a chloroplasty jako výsledek endosymbiózy
s prokaryotickými organizmy se objevují teprve
u protistů na úrovni „kmenu“.
Ještě nežli uvedené představy o skupině archezoí
jako prapůvodních eukaryontech vešly v širší známost
a začaly pronikat do učebnic, ukázalo srovnání
sekvencí podjednotky SSU rRNA, že zástupci archaméb,
Entamoeba a Pelomyxa, se odvětvují od
hlavní linie až spolu s eukaryonty vybavenými mitochondriemi.
Asi tedy mitochondrie mohly mít a pak
je ztratit podobně jako pravděpodobně parabazália.
Ještě průkaznější byl pozdější nález dvou mitochondriálních
genů kódujících bílkoviny v genomu entamoeby
(pyridin-nukleotid transhydrogenázy a chaperoninu
cpn60), kam se dostaly přenosem z genomu
původního symbionta. To byl prvý test pravdy pro
říši Archezoa, ve kterém její původnost neobstála.
Pozůstatky mitochondrií byly pak nalezeny i u metamonád.
Je nutné říci, že vše, co přispívá k poznání
fylogeneze této skupiny, bylo objeveno u rodu Giardia.
V loňském roce podaný průkaz chaperoninového
genu 60, podobného mitochondriálním genům,
silně svědčí také o někdejší existenci endosymbiontů,
patrně předků mitochondrií, v buňce metamonád.
Mají mikrosporidie společné předky s houbami?
Zvlášť silně je novými nálezy ovlivněno postavení
mikrosporidií. Konečně je možno mít za prokázané,
že struktury dlouho pokládané za „primitivní“ Golgiho
aparát jím skutečně jsou, i s diferenciací podobnou
té u vyšších eukaryontů. To není nic zvláštního
vzhledem k překvapivým zjištěním, která
naznačují, že se mikrosporidie mohly vyvinout
z „terminální koruny“ eukaryontů a patrně sdílejí
společné předky s houbami. Geny bílkovin elongačního
faktoru mají totiž vloženou sekvenci, která je
společná mikrosporidiím, živočichům a houbám
a některé enzymy (dihydrofolátreduktáza a thymidylátsyntáza)
mají u těchto tří skupin strukturu odlišnou
od ostatních eukaryontů. Ještě důležitější je
nález mitochondriálních chaperoninových genů
cpn70 v genomech mikrosporidií rodů Nosema a Vai-
rimorpha.
5. Šikmý elektronoptický řez dvěma sporami druhu Microsporidium
sp. ze svaloviny ryby Pangasius sutchi. Ačkoliv spory všech mikrosporidií
jsou stavěny podle stejného plánu, v jednotlivostech mohou
být rozdíly – tento druh má např. velmi slabě vyvinutý polaroplast.
V cytoplazmě sporoplazmy jsou husté pásy ribozomů. Zvětšeno
1950krát. Snímek © Jiří Lom
4. Rodokmen organizmů podle Bardeleho
206 VESMÍR 78, duben 1999 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
Pro příbuznost mikrosporidií s houbami zprvu mluvily
jen podobnosti neobvyklého průběhu meiotického
cyklu mikrosporidií a některých hub, ale nyní
je tato domněnka posílena fylogenezí bílkovin a a b
tubulinu, jimiž se mikrosporidie řadí do fylogenetické
radiace hub. Další podporou je, že ve fylogenetických
rodokmenech se sekvence genů cpn70 větví,
i když slabě, spolu se sekvencemi mitochondriálních
genů hub rodu Boveria. Mikrosporidie tedy s velkou
pravděpodobností nejsou potomci prastarých nebo
primitivních eukaryontů, ve velké míře pozměněných
adaptacemi k parazitizmu, ale naopak vzešly z organizmů
značně pokročilých.
Dvě základní charakteristiky archezoí, jejich primitivnost,
místo na samém počátku vývoje a s tím
spojená původní nepřítomnost mitochondrií, byly
tedy zpochybněny. Ukazuje se, že i dva základní sloupy
archezoí, metamonády a mikrosporidie, pokročily
hodný kus cesty od uskutečnění mitochondriální
symbiózy, ke které došlo daleko dříve než k jejich
vzniku a patrně také dříve než k vzniku všech dnes
známých eukaryont. Další existence zvláštní říše
Archezoa je tedy neudržitelná.
Proč se mikrosporidie odvětvují na bázi eukaryont,
jestliže vznikly z „terminální koruny“?
Molekulární biologové na to mají různé odpovědi.
Vysoce divergentní sekvence SSU rRNA se mohou
umístit ve fylogenetických stromech na nesprávném
místě, a v genech mikrosporidií je skutečně podíl
substitucí výjimečně vysoký. Takové geny se někdy
druží přednostně s jinými vysoce divergentními substitucemi,
a to u fylogenetického stromu znamená
velmi časné větvení. Dále, rodokmeny založené na
podjednotkách ribozomální RNA jsou navzájem těžko
slučitelné s těmi, které jsou založeny na genech
kódujících bílkoviny, jako např. a a b tubulin. Řadu
6. Snímek trichomonády druhu Trichomonas galinae v řádkovacím
elektronovém mikroskopu. Čtyři bičíky jsou namířeny vpřed, další
se táhne jako undulující membrána po povrchu těla k zadnímu konci,
který přesahuje jako volný bičík. Zvětšeno 5900krát. Snímek © B.
Koudela
7. Hydrogenozomy trichomonády druhu Tritrichomonas foetus,
„anaerobní mitochondrie“, se mitochondriím vůbec nepodobají. Nad
nimi probíhá kosta – část cytoskeletu s periodickou strukturou – která
se táhne pod undulující membránou. Ta je vidět vlevo nahoře, je
tvořena záhybem membrány povrchu těla, který nese bičík. Prozařovací
elektronový mikroskop, zvětšeno 57 600krát. Snímek © J. Kulda
http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 78, duben 1999 207
dalších léček uváději ve svých pracích A. Adoutte
a H. Philippe. Podtrhují, že molekulární fylogeneze
zpřesnila charakteristiku monofyletických skupin
protistů, identifikovaných elektronovou mikroskopií,
ale potýká se s podobnými potížemi jako elektronová
mikroskopie, pokud chce přesně určit, v jakém
pořadí skupiny vznikaly. To je způsobeno také tím,
že soudobé formy patrně vznikly bouřlivým šířením
(radiací) během relativně krátkého časového údobí.
Základem této radiace byla snad událost mitochondriální
symbiózy, ke které došlo patrně jen jedenkrát
před miliardou let, když koncentrace kyslíku
v atmosféře dosáhla zhruba dnešní hodnoty. Z tohoto
předka pocházejí snad všichni existující protisti.
S tím je spojena otázka vztahu mitochondrií a hydrogenozomů
a příbuznosti protistů vybavených mitochondriemi
s těmi, kteří je nemají, čili problém,
který stál u zrodu archezoí. Novou hypotézou se na
to r. 1998 pokusili odpovědět W. Martin a M. Müller.
Podle obecně přijímané endosymbiotické teorie
Lynn Margulisové dávná fagocytující archebakterie
pohltila aerobní bakterii, patrně a-proteobakterii, ale
nestrávila ji, podržela si ji jako symbionta. Ten dýchal,
poskytoval ATP výměnou za metabolizovatelné
substráty a úkryt, jeho geny byly z valné části přeneseny
do genomu archebakterie, a tak se vyvinula
mitochondrie. Martin a Müller naopak předpokládají,
že autotrofní metanogenní archebakterie pohltila fermentující
a-proteobakterii. Vyvinul se podobný vztah
vzájemné závislosti, a zároveň přeměna hostitelské
archebakterie z autotrofní na heterotrofní. Posléze
se symbiont přeměnil v hydrogenozom, nebo, za podmínek
globálního vzestupu hladiny atmosférického
kyslíku a díky své dřívější metabolické rozrůzněnosti
se vyvinul v mitochondrii, anebo se z buňky hostitele
ztratil. Autoři nedávají tyto pochody do souvislostí
se vznikem cytoskeletálních a endomembránových
systémů, ale trvají na tom, že obě organely,
mitochondrie i hydrogenozom, měly společného předka.
Jako každá teorie bude i tato prověřována dalším
výzkumem, ale zatím – podle názoru obou autorů
– lépe vysvětluje energetický metabolizmus eukaryotických
buněk bez mitochondrií. o
LITERATURA
P. J. Keeling: A kingdom´s progress: Archezoa and the origin of
eukaryotes, BioEssays 20, 87–95, 1998
W. Martin a M. Müller: The hydrogen hypothesis for the first
eukaryote, Nature 392, 37–41, 1998
H. Philippe a A. Adoutte (1996): How far can we trust the molecular
phylogeny of protists? Ver. Deutsch. Zool. Ges. 89, 49–62, 1996/2
Virtuální realita, tedy počítačové modely určitých segmentů
reálného světa, které mají dávat pokud možno
věrnou iluzi světa reálného, zatím z našich smyslů využívá
jen tři. Opírá se zejména o vizuální vnímání, které
je doplněno akustickými a taktilními (hmatovými)
informacemi. Čich a chuť se zatím elektronicky přenášet
a zaznamenávat nedaly. Že tomu v dohledné době
může být jinak, ukazují výsledky prací v Pacifické severozápadní
národní laboratoři v Richlandu ve státě Wa-
shington.
P. Keller se spolupracovníky zkonstruoval prototyp
elektronického „nosu“, který může zjišťovat řadu vůní
a zápachů, informaci o nich uložit v elektronické formě
na záznamové médium či přenést na dálku a opět rekonstruovat.
Páry látek, které jsou za výrazné vůně odpovědné,
lze analyzovat chromatografickými metodami
(viz též Vesmír 77, 593, 1998/10). Navrhované zařízení
má ale pracovat v reálném čase, to znamená, že musí
mít velmi rychlou odezvu, aby výskyt příslušné aromatické
látky v daném místě zjistilo téměř okamžitě. Chromatografické
metody jsou ale metody sekvenční a bylo
by obtížné s nimi pracovat v reálném čase.
Navrhované zařízení proto využívá snímače na bázi
tenkých vrstev oxidů cínu, které svoji vodivost mění při
kontaktu s různými aromatickými látkami. Snímač
může být navržen tak, že má maximální citlivost právě
pro danou látku. Vodivost snímače závisí pochopitelně
na dalších veličinách, zejména na teplotě a vlhkosti.
Samotný elektronický „nos“ se skládá z matice těchto
snímačů (v předváděném prototypu jich bylo jen devět),
snímače teploty a snímače vlhkosti. Každý snímač
má maximální citlivost pro jinou aromatickou látku.
Výstupní signály ze snímačů jsou vedeny na několikavrstvou
neuronovou síť. Výstupy této sítě odpovídají
třídám, do nichž lze jednotlivé vůně zařadit. Síť se nyní
učí pod dohledem zkušeného operátora rozpoznávat jednotlivé
vůně. Vstupní snímače jsou vystaveny parám
příslušné látky a operátor rozhodne, do které třídy má
síť vůni zařadit. Po několika desítkách či stovkách takových
experimentů se to síť naučí rozlišovat. Je zřejmé,
že nejde o objektivní chemickou analýzu, ale síť se
naučí subjektivní klasifikaci jednotlivých vůní tak, jak
to cítí operátor. Uvedený prototyp dokázal rozlišovat řadu
vůní či zápachů, se kterými se setkáváme v běžném životě
(aceton, amoniak, etylalkohol, ocet ad.). Vůně jednotlivých
látek rozeznával velmi přesně, vůně směsí již
s horší přesností a s mnohem delší dobou učení, podobně
jako člověk.
V dalším kroku byly výstupy z neuronové sítě přenášeny
na dálku, kde jimi byly buzeny akční členy odpařující
příslušné aromatické látky. Takže se vlastně vůně
a zápachy snímané na jednom místě daly reprodukovat
na jiném místě, popřípadě (při zápisu do paměti) v jinou
dobu. Zatím jde o jednoduchý experiment, při němž
se přenáší několik základních vůní a zápachů. Nejsou
ale zřejmé žádné principiální překážky, které by bránily,
aby obdobné zařízení těch vůní přenášelo stovky.
(Průměrný člověk je údajně schopen rozeznat asi 500
vůní a zápachů.)
Čtenář, který by se o dané problematice chtěl dovědět
víc, najde podrobnější informace na adrese
http://www.emsl.pnl.gov:2080/proj/neuron/papers/
keller.mmvr95.abs.html. Nejspíš ale přecejen chvíli potrvá,
než bude naše surfování po internetu doprovázeno
vůní exotických krajin. ¨
Bude počítač reprodukovat
vůně?
PETR VYSOKÝ
Kresba
© Vladimír Jiránek