biologie – přístupy a metody ke zkoumání života včera, dnes a zítra

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