Kronika Vesmíru (21) – Vznik eukaryot

Po klidném Boring Billion (díl 20) se přibližně před 1,8 až 1,2 miliardami let v buňkách stane něco, bez čeho bys tady nebyl: vzniknou eukaryota.

Mnozí biologové to berou jako druhý nejdůležitější okamžik po samotném vzniku života. Z prokaryot – bakterií a archeí – jsou najednou buňky s jádrem, vnitřními komorami a energetickým rozpočtem, který unese mnohem víc.

Eukaryotická buňka

Eukaryotická buňka je podstatně složitější než prokaryota. Má:

• pravé buněčné jádro oddělené membránou
• mitochondrie (specializované energetické elektrárny)
• komplexní vnitřní membránový systém (endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát)
• cytoskelet (vnitřní kostru buňky)
• linearizovanou DNA spojenou s histony

Tyhle vlastnosti umožnily buňkám růst do větších rozměrů a dosáhnout mnohem vyšší složitosti. Objem může jít až na tisícinásobek prokaryotické buňky.

Endosymbióza

Nejpřijímanější vysvětlení je endosymbiotická teorie (navržená Lynn Margulis).

Velká prokaryotická buňka (pravděpodobně příbuzná archeím) spolkla menší aerobní bakterii. Místo aby ji strávila, vytvořila s ní stabilní vztah. Ta bakterie se postupně proměnila v mitochondrii.

Později další endosymbióza: některé eukaryotické buňky spolkly cyanobakterie, z nichž se staly chloroplasty (u rostlin a řas).

Díky mitochondriím mají eukaryota obrovskou energetickou výhodu. Aerobní dýchání je přibližně 18x efektivnější než anaerobní metabolizmus. Ta energie umožnila buňkám být větší, složitější a později skládat mnohobuněčné organismy – rostliny, houby, živočichy.

Sex

Další inovace tohoto období: sex – pohlavní rozmnožování.

Prosté dělení buněk produkuje genetické klony. Sex umožnil rekombinaci genetické informace mezi dvěma jedinci, výrazně vyšší genetickou rozmanitost potomstva, rychlejší adaptaci na měnící se prostředí a efektivnější odstraňování škodlivých mutací.

Stal se motorem evoluce složitých organismů. Z evolučního pohledu je přitom na první pohled nevýhodný: potřebuješ dva rodiče místo jednoho a každý předá jen polovinu genomu. Biologové tomu říkají dvojnásobná cena sexu. Přesto se u eukaryot sexuální cyklus objevuje velmi brzy – a u většiny linií se udržel.

Jak to mohlo začít

První krok nemusel vypadat jako pohlaví v dnešním smyslu. Spíš jako nehoda, která se vyplatila:

1. Fúze buněk – dvě příbuzné buňky se spojily (třeba při neúplném pohlcení nebo při poškození membrány) a vznikla buňka se dvěma sadami DNA.
2. Diploidní stav – dvě kopie genomu dávají pojistku: škodlivá mutace na jedné kopii může být překryta funkční alelou na druhé.
3. Meióza – z běžného mitotického dělení se postupně vyvinul mechanismus, který chromozomy znovu rozdělí na polovinu a při tom je zkříží (rekombinace). Bez návratu k haploidnímu stavu by se počet chromozomů po každé fúzi zdvojnásobil – a to je dlouhodobě neudržitelné.

Meióza tedy není jen způsob, jak mít děti. Je to také způsob, jak uklidit genom po fúzi dvou buněk.

Proč se sex vyplatil

Existuje několik silných hypotéz – pravděpodobně působily současně:

• Oprava DNA – rekombinace umí sestavit funkční kopii ze dvou poškozených. Na rané Zemi s vyšším UV a nestabilním prostředím to mohla být výhoda.
• Mullerova rohatka – u čistě asexuálních linií se škodlivé mutace hromadí a prakticky nejde vyřadit. Sex je umí vymíchat a část potomstva dostane čistší kombinaci.
• Červená královna – paraziti a patogeny se rychle přizpůsobují běžnému genotypu hostitele. Sex neustále míchá karty, takže hostitel není snadný terč. V prostředí plném mikrobů to dává smysl.

Sex tedy nebyl luxus pro pozdější živočichy. Byl to nástroj, kterým raná eukaryota zvládala poškození DNA, mutace i neustálý tlak okolního mikrobiálního světa. Až později se na stejném základě postavily gamety, pohlaví a složité životní cykly.

Stopy v čase

První primitivní eukaryota: zhruba před 1,8 až 1,6 miliardami let. Fosilie s jasnými eukaryotickými znaky až kolem 1,2 miliardy let. První mnohobuněčné eukaryoty kolem 1 miliardy let.

Bez endosymbiózy a sexuálního rozmnožování by Země zůstala světem mikroskopických bakterií. Eukaryota otevřela cestu ke složitému mnohobuněčnému životu, který známe dnes.