Různé cesty ke stejnosti: Logika konvergentní evoluce

Před zhruba 250 miliony roků dostaly pravěké ryby zdatné konkurenty. V mořích se objevili ichtyosauři (Ichthyosauria) – plazi dokonale přizpůsobení vodnímu živlu. Ti vyhynuli spolu s ostatními velkými druhohorními plazy před 65 miliony let a na jejich místo se začali tlačit podivuhodní savci vzdáleně příbuzní dnešním hrochům. Z těch se postupně vyvinuli kytovci (Cetacea), kteří se rovněž přizpůsobili trvalému životu ve vodě. Nejen laici by pravěké předky velryb a ichtyosaury snadno zaměnili.

Voda modeluje své obyvatele

Když byla v roce 1840 nalezena kostra první velryby naplno přizpůsobené životu ve vodě, dostal vyhynulý tvor vědecké jméno Basilosaurus, z něhož zaznívá řecký výraz pro ještěra – „sauros“. Tehdejší badatelé totiž velrybu považovali za příbuznou ichtyosaurů, jejichž fosilie byly popsány o pár let dřív.

Ryby, ichtyosauři a kytovci jsou názorným příklad tzv. konvergentní evoluce. Tito obratlovci žili ve stejných podmínkách, které na ně kladly shodné nároky. Není proto divu, že když se přizpůsobovali vodnímu prostředí, formovala je evoluce podobným způsobem. Bez ohledu na to, že „výchozí surovina“ organismu ryby, plaza nebo savce byla pokaždé jiná.

U suchozemských tvorů na aerodynamickém tvaru těla příliš nezáleží, pokud to nejsou letci. Voda ale klade ve srovnání se vzduchem neskonale větší odpor. Proto mají ryby, ichtyosauři a kytovci proudnicový tvar těla, který jim ve vodě zajišťuje co nejsnazší pohyb. Nohy jsou plazům i savcům ve vodním živlu jen na překážku a evoluce jim proto dává stejný tvar, jaký se osvědčil u rybí ploutve. Takové končetiny už nejsou hlavní hybnou silou těla. Roli klíčového pohonu přebírá ocas, který se zploští a rozšíří do tvaru vesla. Kromě „rybího“ ocasu se jak u ichtyosaurů, tak u kytovců vyvinula obdoba rybí hřbetní ploutve, která jim zajistila vyšší stabilitu. Přitom ale mezi kytovci a ichtyosaury zůstávají patrné některé rozdíly. Ichtyosauři například měli „ocasní ploutev“ otočenou svisle a pohybovali s ní ze strany na stranu. Ocasní ploutev kytovců je natočená vodorovně a proto s ní pohybují nahoru a dolů.

Křídlo třikrát jinak

Pokud organismy žijí v obdobných podmínkách a čelí podobným výzvám, často se jim evolučně přizpůsobí shodným řešením. Vývojové cestičky, jakými organismy k těmto podobným řešením dojdou, mohou být velmi odlišné. Výsledky této tzv. konvergentní evoluce si jsou nápadně podobné především funkcí.

Jako názorný příklad poslouží let obratlovců. Do vzduchu se vznesli nejprve pterosauři, pak ptáci (Aves) a nakonec savci – letouni (Chiroptera) reprezentovaní například netopýry. U všech se nezávisle na sobě vyvinulo křídlo. U ptáků je kryté peřím, u pterosaurů a netopýrů slouží (sloužila) jako plocha křídla kůže natažená na silně prodloužených prstech. Křídla pterosaurů a netopýrů se liší tím, kolik prstů přední končetiny se podílí na jejich stavbě. Křídla všech tří skupin létajících obratlovců se však sobě navzájem v základních rysech podobají. Dokonce všechna fungují na velmi podobných principech. U pterosaurů, ptáků a netopýrů se ale vyvinuly samostatně, nezávisle na sobě.

Elektrické obušky světových vod

Nádherným příkladem konvergentní evoluce jsou „elektrické“ ryby, které jsou s to generovat poměrně silné elektrické pole a využívat jej pro komunikaci a orientaci. Některé, například paúhoř elektrický (Electrophorus electricus) vytvářejí tak silné pole, že jim slouží i k obraně před nepřáteli a k lovu kořisti. Elektrickým výbojem získají na dálku kontrolu nad svaly oběti a zabrání jí v útěku. Elektrické ryby najdeme v Jižní Americe mezi nahohřbetými (Gymnotiformes) a v Africe mezi rybami rypounovitými (Mormyridae). Pokaždé však vytvořily své elektrické orgány stejným evolučním trikem ze svalů.

Svalové buňky potřebují pro stah svalových vláken propouštět ionty sodíku. Jsou k tomu vybaveny zvláštní bílkovinou, která slouží k průchodu sodíku jako uzavíratelný kanálek. Jakákoli změna v genu, podle kterého se tato buněčná „chodbička“ pro sodík vytváří, má za následek narušení činnosti svalů a těžké postižení. Většina ryb však má dědičnou informaci zdvojenou a zdvojené mají i geny pro sodíkovou „chodbičku“. Změna proto nemá pro rybu fatální následky. Gen se navíc může vyvíjet a dodávat sodíkové „chodbičce“ nové vlastnosti.

Elektrické ryby si funkci zdvojených genů rozdělily. Některé mají i nadále na starosti stahy svalů. Jsou na to ale samy, protože zbývající geny jsou ve svalech uspané. Plně fungují jen v elektrických orgánech, kde mají na starost jejich správné „nabíjení“. Na tomto principu pracují elektrické orgány jak amerických, tak i afrických elektrických ryb. které tak evolucí dospěly nezávisle na sobě k velmi podobnému řešení.

Převleky výstražné i falešné

Hned několikrát objevili motýli náležející do skupiny Heliconiini (z příbuzenstva baboček) nové možnosti genu optix. Housenky těchto motýlů se pasou na listech mučenek (Passiflora), které obsahují značná množství jedů. K nejhojnějším patří alkaloidy odvozené od molekuly harmanu. Mučenky však disponují i toxickými kumariny nebo gynokardinem, z něhož se uvolňuje smrtící kyanid. Housenky některých baboček jsou k těmto jedům odolné, hromadí je v těle a díky tomu jsou chráněné před mnoha přirozenými nepřáteli.

Dospělí motýli získávají jedy od housenek a všechny své nepřátele na to předem upozorňují výrazným výstražným zbarvením křídel. Housenky některých motýlů se sice na toxických bylinách nepasou, ale motýli jsou zbarveni podobně jako jejich jedovatí příbuzní. Tento „převlek“ neškodného motýla za jedovatého skýtá rovněž nezanedbatelnou výhodu.

Ať už motýli před svými jedy varují nebo jedovatost jen předstírají, všichni vděčí za své zbarvení obdobným změnám genu optix, které namalují na křídlech výrazné žluté, červené či oranžové skvrny a pruhy. Toto zbarvení se vyvinulo u baboček vícekrát nezávisle na sobě a nabízí další příklad konvergentní evoluce.

Slepá větev mexické rodiny

Konvergentní evoluce nepřináší jen nové vlastnosti, jako je křídlo netopýra či ptáka, elektrické orgány ryb nebo výstražné zbarvení křídel motýlů. Někdy také stojí v pozadí ztrát vlastností, jež byly typické pro předky. Rybky tetry mexické (Astyanax mexicanus) žijí nejen v potocích a řekách Střední Ameriky, ale také v podzemních tocích proplétajících se rozlehlými jeskynními systémy, kam nikdy nepadne sluneční paprsek.

Jeskynní tetry jsou slepé. Přišly dokonce o kožní pigment a jsou tedy albíni. Ve věčné tmě nerozliší den a noc, a proto ztratily i pravidelný čtyřiadvacetihodinový rytmus životních aktivit. Neobyčejné ovšem je, že slepé ryby se sice vzhledem výrazně liší od svých příbuzných obývajících povrchové vody, ale nevytvořily samostatný druh. S tetrami z povrchových vod se dokonce bez problémů rozmnožují

Evoluce potmě

Pro tetry žijící ve stísněných prostorách jeskyní, kde panuje permanentní nedostatek potravy, je výhodné zbavit se evolucí všeho, co nepotřebují a co představuje pro organismus zbytečnou zátěž. Zrak, kožní pigment nebo vnitřní biologické hodiny jim ve tmě rozhodně nechybí. Když o ně ryby přijdou, ušetří energii potřebnou na vytvoření těchto orgánů a na jejich základní provoz.

Pohled do dědičné informace prozrazuje, že tetry z povrchových vod jsou si velmi podobné a vytvářejí jedinou dobře promísenou populaci. Jinak je tomu ale u jeskynních ryb. V jedenácti populacích odhalili vědci hned pět různých sad genetických změn, které mají za následek typické rysy, jako je slepota, albinismus nebo ztráta vnitřních biologických hodin. Mexické jeskynní tetry si tedy našly k úspornému režimu hned pět různých evolučních cestiček, i když na první pohled to vypadá, jakoby měly jen jednoho společného předka. I to je příklad konvergentní evoluce.

Echolokace na suchu i ve vodě

Delfíni (Delphinus) se naučili orientovat podle odrazu zvuků, které vydávají. Tato tzv. echolokace jim pomáhá například k lovu k zakalené vodě. Podle odrazu zvukových vln najdou nejen plovoucí ryby, ale dokonce i tvory ukryté pod povrchem bahnitého nebo písečného dna.

Netopýři (Vespertilioniformes) se orientují během letu ve tmě podobně. Také oni generují zvuky o vysokém kmitočtu a sluchem zachytávají jeho odrazy od překážek nebo kořisti.

Delfíni a netopýři nezdědili echolokaci od společného předka. Vznikla u nich samostatně, nezávisle na sobě. O to pozoruhodnější je zjištění, že při adaptacích pro echolokaci se proměnily jak u netopýrů, tak u delfínů asi dvě stovky genů velmi podobným způsobem.

Také kaloni mají radar

Kaloni (Pteropopodoidea) patří podobně jako netopýři k letounům (Chiroptera). Zatímco netopýři využívají pro orientaci odrazy ultrazvuků, které vyluzují hlasivkami, u kaloňů se předpokládalo, že echolokaci neovládají. Zcela nedávno se ukázalo, že i kaloni používají k hrubé orientaci odrazy zvuků. Tento typ echolokace je o poznání jednodušší a nedovoluje stejně spolehlivou orientaci, z jaké se těší netopýři. Zcela odlišný je i způsob, jakým kaloni a netopýři vydávají „vodící“ zvuky. Netopýři vyluzují ultrazvuk o vysokém kmitočtu tlamou nebo nosem. Kaloni používají pro tytéž účely zvuky o nižších kmitočtech slyšitelné lidským uchem. Vyluzují je při pohybech blanitých křídel.

Vzhůru k výškám

Příklady konvergentní evoluce najdeme i u člověka. Patří k nim adaptace na velkou nadmořskou výšku. V řídkém vzduchu s nízkým obsahem kyslíku vyrábí lidský organismus více červeného krevního barviva hemoglobinu a více červených krvinek. Krev pak přenáší více kyslíku do orgánů, tkání a buněk. Tato adaptace s sebou nese riziko ucpávání cév a selhání životně důležitých orgánů. Proto patří k adaptacím k životu ve velké nadmořské výšce i mechanismy, které brání nadměrné produkci hemoglobinu a přílišnému zhoustnutí krve. K lepšímu prokrvení organismu si obyvatelé velehor pomáhají i větším rozšířením cév, hlubším dechem a řadou dalších mechanismů.

Životu ve velké nadmořské výšce jsou dobře přizpůsobeni Tibeťané nebo etiopští Amharové. Obě etnika sdílejí velmi podobné adaptace, ale liší se geny, které stojí v pozadí těchto adaptací. Opět jsme tu svědky toho, že se nezávisle na sobě vyvinuly velmi podobné znaky s využitím různých změn dědičné informace.

TIP: Poodhalená plazí tajemství: Jak hadi přišli ke svému jedu?

V Etiopii lze vidět adaptaci na velehory přímo v akci. Amharové žijí na Etiopské vysočině nejméně 5 000 let a za tu dobu se adaptovali dokonale. Jejich sousedé z kmene Oromo přišli vysoko do hor před 500 roky. Jejich adaptace zatím proběhla jen částečně. Mají silně zvýšené hladiny hemoglobinu, aby jejich organismus dostával dost kyslíku. Zatím se u nich ale nevyvinuly obranné mechanismy bránící nadměrnému houstnutí krve. Oromové jsou tak zvýšené náchylní k infarktu, mozkové mrtvici a komplikacím během těhotenství.