Prastaré kořeny ptačího rodu: Jak a kdy ptáci přišli o své zuby?

Vědci přečetli kompletní dědičnou informaci bezmála padesáti ptačích druhů. To jim dovolilo nakouknout do mnoha oblastí ptačího života i do evoluční historie této skupiny obratlovců. Podařilo se jim tak v evolučním stromu najít větve, na které usadili některé záhadné ptáky, jejichž vývojová minulost byla doposud hádankou. Odpověděli i na některé obecné otázky, které se týkají této prastaré živočišné třídy. 

Strom s ulámanými větvemi

Na sklonku roku 2014 oznámili genetici dokončení impozantního projektu. Na jeho počátku stál neurobiolog Erich Jarvis z Duke University v americkém Durhamu. Jarvis se kromě jiného zabývá i ptačím zpěvem. Zajímá jej, jak se ptáci učí zpívat poslechem zpěvu svých rodičů a kolik toho má jejich učební proces společného se způsobem, jakým se malé děti učí mluvit při naslouchání lidské řeči.

Učení je v obou případech klíčové. Když ptačí mládě neslyší rodiče zpívat, vydává v dospělosti různé zvuky, ale typický zpěv nezvládá. Podobně jsou na tom i děti. Jestliže neslyší lidskou řeč, mluvit se nenaučí. Dokládají to příklady tzv. vlčích dětí, které vyrůstaly v přírodě společně se zvířaty. 

Ericha Jarvise zajímalo, zda všichni ptáci, kteří se učí zpívat, mají společného předka, nebo jestli se tato zvláštní schopnost vyvinula několikrát nezávisle na sobě. K tomu potřeboval velmi spolehlivý evoluční strom ptactva. A ten nebyl k dispozici. Vědci sice měli určitou představu, jak se ptáci vyvíjeli a jak těsná nebo volná příbuzenská pouta vážou jednotlivé skupiny opeřenců. Na evolučním stromu ale bylo příliš mnoho nejasných míst. 

Genetická bouře po „velkém třesku“

Na světě je známo asi 10 000 ptačích druhů. To je sice jen třetina ve srovnání s druhovým bohatstvím ryb, ale také dvojnásobek počtu známých druhů savců. Velký počet ptačích druhů představuje jen jednu z mnoha vážných komplikací při zjišťování ptačích „příbuzenských poměrů“. Vědci doposud usuzovali na vzájemnou příbuznost různých ptačích skupin a druhů na základě jejich dědičné informace. Vycházeli z údajů o několika málo genech či úsecích DNA obsahujících několik tisíc písmen genetického kódu. To se ale ukázalo jako nespolehlivé vodítko. 

Ptáci prodělali podobně jako savci zhruba před 65 miliony let evoluční „velký třesk“. Když náraz asteroidu současně s extrémně silnou vulkanickou činností na dnešním Indickém poloostrově vyhubil dinosaury, otevřel se prostor pro savce a ptáky. Ti toho bezezbytku využili. Prudký rozvoj ptáků uvedl jejich dědičnou informaci do varu. Bouřlivě se vyvíjely nové varianty genů, v jejichž záplavě je dnes těžké se vyznat. 

Jak se četli opeřenci? 

Jarvis neponechal nic náhodě. Chtěl pro rekonstrukci evolučního stromu využít kompletní dědičnou informaci ptáků reprezentujících jeho základní větve. Tři druhy ptáků – kura domácího (Gallus gallus), krocana (Meleagris gallopavo) a australského pěvce zebřičku pestrou (Taeniopygia guttata) – už „přečetli“ jeho předchůdci. To však bylo zoufale málo.

Naštěstí se právě v té době rozběhl ambiciózní projekt s cílem přečíst kompletní dědičnou informaci 10 000 druhů obratlovců. Čínská společnost BGI začala s čtením první stovky genomů. Bylo mezi nimi i 11 ptačích druhů. Jarvisovi se podařilo přesvědčit vědce z BGI, aby spektrum čtených ptačích druhů rozšířili na 43. Vše dopadlo nad očekávání dobře. Na konci roku 2011 měl Jarvis k dispozici genomy 48 ptačích druhů reprezentujících všechny hlavní evoluční skupiny opeřenců. 

Vypadalo to, že vědci mají volnou cestu k rekonstrukci evolučního stromu pozemského ptactva. Ve skutečnosti je ale ta nejtěžší práce teprve čekala. Objem dat byl obrovský, i když ptačí genomy patří mezi obratlovci k těm kratším. (Oproti plazům, kteří jsou jejich evolučními předky, ztratili ptáci asi 7 % DNA a s nimi i stovky genů. Mezi těmito geny jsou i takové, které plní u savců včetně člověka životně důležité role v reprodukci, stavbě kostí nebo plic.)

Málo genetického šrotu

U savců včetně člověka tvoří významnou část dědičné informace pozůstatky virů, které zabudovaly své geny do dědičné informace našich dávných živočišných předků. Tyto virové geny se staly součástí našeho genomu. Mnohé se za miliony let rozpadly na jakýsi „genetický šrot“ a my z nich dnes v lidském genomu nacházíme jen „trosky“. 

Některé virové geny ale naši předci využili ve svůj prospěch. Například gen syncytin se u člověka podílí na vzniku placenty během těhotenství a původně patřil viru. Jiné virové geny se podílejí v lidských bílých krvinkách na obranném mechanismu, kterým tyto buňky imunitního systému likvidují v našem těle choroboplodné zárodky. Celkově ale tvoří pozůstatky virové dědičné informace 8 až 10 % lidského genomu. To je několikanásobně větší prostor, než jaký zaujímají naše geny (1–2 %). (Pro vysvětlení: V DNA skutečně máme zhruba 10× víc virové dědičné informace než genů, které tvoří naprostou menšinu lidské DNA. Většinový zbytek genomu jsou buď opakující se „prázdné“ úseky nebo sekvence sloužící k regulaci genů.)

V ptačích genomech najdeme takové „virové vycpávky“ mnohem méně, ve srovnání se savci asi desetinu. Není jasné, proč tomu tak je. Snad byli předci ptáků méně náchylní k virovým infekcím a k zabudování virové dědičné informace do jejich genomu. Možná také disponovali účinnějšími prostředky na „vyčištění“ genomů od „genetického šrotu“ pocházejícího z virů. 

Práce pro superpočítače

Zatímco některé geny během evoluce ptáků mizely, jiné naopak prodělaly velmi bouřlivou evoluci. Patří k nim například geny, jež otevřely ptákům cestu k naučenému zpěvu. Další razantně proměněné geny opeřencům zajistily lehkou kostru s dutými dlouhými kostmi a plíce doplněné o plicní vaky. Také různorodost jídelníčku jednotlivých příslušníků ptačí říše má původ v rozmanitosti některých genů. Podobně je tomu s genetickými základy různého zbarvení peří nebo výrazných znaků, jimiž se u některých ptačích druhů liší samci a samice. 

Ve srovnání s genomy savců bývá ptačí dědičná informace zhruba poloviční. Přesto se utřídění a vzájemné porovnání ptačích genomů ukázalo jako tvrdý oříšek. Vědci se nejprve pokoušeli porovnávat geny jednotlivých ptačích druhů, které tvoří zhruba jen dvě procenta celé dědičné informace, ale to byla slepá ulička. Daleko lepší výsledky získali, když porovnávali „genetickou vycpávku“ – tedy úseky DNA rozkládající se mezi geny. Data bylo nutné zpracovávat na těch nejvýkonnějších superpočítačích a i tak zabralo celé tři roky, než byla práce na evolučním stromu ptáků hotová. Výsledky však rozhodně stály za to. 

Původ ptáků

Masové vymírání dinosaurů na konci druhohor přežilo jen několik vývojových linií pravěkých ptáků, které daly vzniknout drtivé většině dnešních opeřenců. K jejich rozrůznění do dnešní duhové pestrosti významně přispěly zřejmě nejen nově vzniklé varianty genů, ale i ztráty genů, jež byly vlastní plazům.

Vodní ptactvo povstalo ze tří odlišných vývojových větví. Naopak, ptáci sídlící na pevnině mají jednoho společného předka. Byl jím zřejmě velký dravec, k jehož potomkům patřili i dnes vyhynulí obří nelétaví dravci (Phorusrhacidae) známí z třetihorní Ameriky.

Nepravděpodobné příbuzenstvo

Potvrdily se některé předchozí studie, které většině vědců připadaly „šílené“. Jedna například házela do jednoho evolučního pytle stepokury (Pteroclididae), holuby (Columbidae) a nelétavé madagaskarské ptáky mesity (Mesitornithidae). Toto spojení řada předních odborníků kategoricky odmítala. Jarvis a jeho početný tým spolupracovníků čítající dvě stovky vědců z 80 laboratoří ale tuto exotickou teorii potvrdili. Podobně daly analýzy genomů zapravdu teoriím o blízké příbuznosti potápek (Podicipediformes) a plameňáků (Phoenicopteridae).

Některé odhalené příbuzenské vazby jsou opravdu překvapivé. Dravce jsme zvyklí vnímat jako jednu velkou skupinu sdílející typické znaky. Sokoly a orly považujeme intuitivně jako blíže příbuzné, než třeba sokoly a papoušky. Speciálně sokoli ale mají mezi dravci dost výlučné evoluční postavení. S orly či supy je toho pojí mnohem méně než s ptáky stojícími mimo dravce, tedy třeba právě s papoušky nebo pěvci.

Jak jim zobák narostl?

Jedním z hlavních rozdílů mezi ptáky a jejich evolučními plazími předky je náhrada zubatých čelistí za bezzubý zobák. Bezzubých tvorů najdeme v přírodě celou řadu. Mezi plazy přišly evolucí o chrup želvy, mezi savci pak třeba mravenečník. Není pochyb o tom, že želvy a mravenečníci ztratili zuby nezávisle na sobě. Ptáci měli také zubaté plazí předky. Jasně to dokazuje slavná fosilie „praptáka“ archeopteryxe. Jak ale přišli o zuby? Mají všichni ptáci jednoho společného bezzubého předka? Anebo u nich došlo ke ztrátě zubů hned několikrát nezávisle na sobě? I na to odpověděl výzkum ptačích genomů. Předci všech dnešních ptáků ztratili zuby poměrně rychle zhruba před 116 miliony let.

U těchto ptačích předků došlo k poškození hned několika genů, které zajišťují tvorbu zubní skloviny. Stejně tak utrpěl nenapravitelné škody i gen důležitý pro tvorbu zubní hmoty dentinu. Nejméně pět genů z těch, které plazi potřebují k tomu, aby jim narostly zuby, nese u ptáků „díru“, jež je vyřadila z funkce. Ptáci nahradili zuby zobákem, kterým jsou s to aspoň částečně porcovat potravu, a svalnatým žaludkem, který jim pomáhá k mechanickému rozmělnění potravy. Někteří si vylepšují zpracování potravy i tím, že polykají štěrk nebo kamínky, které pak ve svalnatém žaludku působí jako jakási „zubní protéza“ a rozmělňují potravu. 

Ztráta zubů a evoluce zobáku postupovala ve dvou etapách. V první vymizely zuby v přední části obou čelistí a bezzubý okraj čelisti se začal formovat jako zobák. V druhé pak pokračovala ztráta zubů a formování zobáku i v zadní části obou čelistí.