DLOUHÁ EVOLUČNÍ CESTA ROSTLIN


Obr. 1: Upraveno podle UK Essays. Endosymbiotic theory and eukaryotic cell evolution biology essay (internet). November 2013

Vznik života je téma, které stále přitahuje pozornost nejen vědců, ale i široké veřejnosti. Ponechme však nyní teorie o vzniku života stranou a podívejme se, jak vznikly rostliny, tedy předmět zájmu našeho časopisu.

Z vědeckého hlediska je základní jednotkou života buňka. Zde tedy hledejme počátky jak rostlin, tak všech živých tvorů. Rostlinná buňka se vyznačuje řadou společných charakteristik, které dělají rostliny rostlinami. První z nich, která každého napadne, je to, že jsou zelené. Mnozí jistě znají pojem chlorofyl a chloroplast, tedy názvy sloučeniny a organely, které za zeleným zbarvením rostlin stojí.

Ano, především zde je skryta základní vlastnost rostlin, tedy schopnost fotosyntézy, tj. přeměny anorganických látek, oxidu uhličitého a vody v látky organické, uhlovodíky, za pomoci energie slunečního záření. Rostlinná buňka má i další typické znaky – buněčnou stěnu, vakuoly, zásobní látky tvořené oleji a škrobem, obsah barviv a neukončený růst, abychom jmenovali alespoň nejdůležitější z nich.

Již před zhruba 3,5 miliardami lety existoval jednobuněčný předek všech organismů, tedy i rostlin, který neměl schopnost fotosyntézy. V průběhu evoluce se vyvinul další jednobuněčný předek, který již schopnost fotosyntézy měl. Jeho buňky byly velmi podobné (tedy blízce příbuzné) dnešním sinicím, tzv. cyanobakteriím. Chloroplasty, zelené organely dnešních rostlin plné chlorofylu a mající schopnost dělení, se v buňkách rostlin neocitly náhodou. Kde se chloroplasty a také další organely, jako jsou mitochondrie u eukaryotických buněk, vzaly? To je otázka, kterou se zabývali vědci již před sto lety. A zabývají se jí dodnes.

Předpokládá se, že chloroplasty jsou pozůstatkem fúze předků dnešních cyanobakterií a mitochondrie pozůstatkem fúze předků dnešních proteobakterií s ancestrálním prokaryotem (obr. 1 ). Teorie, která je podpořena mnohými důkazy včetně nejnovějších molekulárních studií, se nazývá teorie endosymbiózy. Poprvé hypotézu endosymbiózy formuloval roku 1905 ruský lichenolog Konstantin Merežkovský. Při pozorování symbiotického soužití řasy a houby u lišejníků ho napadlo, že chloroplasty mohly vzniknout endosymbiózou sinic. Známější je však americká badatelka Lynn Margulisová, která se v šedesátých letech 20. století zabývala strukturou a původem eukaryotických buněk. Zjistila, že chloroplasty se vyvinuly právě z cyanobakterií. Také předpokládala, že v evoluční historii živých organismů nešlo jen o tuto jedinou endosymbiózu, ale že tímto způsobem vznikly dvě či více linií.


Obr. 2: Příklad koevoluce ve tvaru květů orchidejí, např. tořičů (rod Ophrys)

Obr. 3: Čmelák zemní (Bombus terrestris) na květu aksamitníku (Tagetes patula)

Výsledkem endosymbiózy byl zisk dvou typů organel, které zásadním způsobem změnily metabolismus rostlinných buněk. Díky chloroplastům rostliny získaly schopnost fotosyntézy, díky mitochondriím se zase výrazně zvýšila efektivita buněčného dýchání a tvorby zdroje energie, tedy ATP (adenosin trifosfátu). Buňky se postupně spojovaly do mnohobuněčných celků, které v průběhu času získaly funkční i morfologickou specializaci. Jednoduché buněčné dělení bylo nahrazeno tvorbou specializovaných reprodukčních buněk samičího a samčího typu s polovičním počtem chromozomů v porovnání se somatickými buňkami rostlin. Variabilita generovaná sexuálním rozmnožováním díky rekombinacím genů a velkému množství nově vznikajících kombinací dala vzniknout ohromnému množství forem. Z nich jen ty nejschopnější přežít, tj. ty, které se byly schopny vyrovnat se změnami prostředí, osídlit daný biotop a přežít v konkurenci s ostatními, předaly své geny do dalších generací. V průběhu milionů let se díky změnám v atmosféře, především díky produkci kyslíku jednobuněčnými zelenými mořskými některé organismy, vytvořily podmínky pro osídlení souše. Pouze organismy dobře geneticky vybavené pro tuto kolonizaci mohly uspět. Působení UV záření ze slunečních paprsků akcelerovalo mutace genů a vznik dalších nových genových kombinací, to vše za spolupůsobení řady faktorů. Jednotlivé kombinace genů se začaly od sebe odlišovat tak, že se organismy nebyly schopny vzájemně rozmnožovat – došlo k vyčlenění nových rodů a druhů v rámci různě blízce či dalece příbuzných skupin. Faktory prostředí a kompetice příslušníků vlastního i cizích druhů o zdroje a možnost reprodukce způsobily, že přežily jen nejsilnější organismy.

Úspěch závisel na schopnosti přizpůsobit se měnícím se podmínkám prostředí. Kolonizace souše rostlinami šla ruku v ruce se schopností obstát v konkurenčním boji nejen s rostlinami, ale záhy také se živočichy, pro které se rostliny staly vítaným zdrojem potravy. Vytvořily se specializované vztahy s abiotickým prostředím a především síť vzájemně komplikovaných vztahů rostlin a živočichů. Jejich spolupráce např. v oblasti opylování vytvořila jeden z nejúžasnějších příkladů koevoluce, dobře patrný např. ve tvaru květů orchidejí, připomínajících své opylovače (viz obr. 2 a 3 ). Možnost opylování hmyzem, ale i jinými živočichy, přinesla zvýšenou efektivitu reprodukce, přinášející opět nové genetické kombinace. Rostliny postupně osídlily všechny kouty planety. Tam, kde pravděpodobnost opylení živočichy byla výrazně menší, vyvinuly rostliny způsoby asexuálního rozmnožování, od klonálního rozmnožování výběžky či oddenky, odnožemi až po sofistikované způsoby částečného nebo úplného opuštění sexuálního rozmnožování, známého pod názvem apomixie (např. u pampelišek, o nichž si můžete přečíst zde).

Po celou dobu vývoje rostlin i dalších organismů zanechaly události v evoluční historii „nesmazatelnou“ stopu v podobě změn v sekvenci DNA. Všechny změny tak byly zaznamenány. Ale stejně jako informace na harddisku vašeho počítače může být smazána, i v evoluci docházelo k takovým událostem. Nepohodlné úseky DNA mohly být vymazány a nenávratně ztraceny, jiné se naopak zmnožily do velkého množství kopií. Vzájemné křížení rostlin mohlo sice přinést řadu nových kombinací, ale také problém nekompatibility genomů. Jednou z cest, jak tento problém vyřešit, byla polyploidizace (znásobení počtu chromozomových sad), aby nedocházelo k poruchám při párování chromozomů. Případně docházelo k reorganizaci chromozomů, jejich spojování či štěpení, událostem doprovázeným změnami ve velikosti genomu.

Celosvětový počet dnes se vyskytujících druhů rostlin je odhadován na více než 250 tisíc. Jejich výskyt je výsledkem výše uvedených a mnoha dalších složitých procesů, které probíhaly po miliony let a stále probíhají. Evoluce je nikdy nekončící proces a cesta lemovaná množstvím vyhynulých organismů. Zjištění vzájemných evolučních vztahů je tak velmi komplikované, neboť mnozí předkové již dávno vyhynuli a nemáme k nim rostlinžádné, ani fosilní doklady. I tam, kde se snažíme najít příbuzenské vztahy u současných druhů, čeká řada úskalí. Mezi jinými je to nalezení „správných“ genů pro relevantní fylogenetické hypotézy. A zde se nachází klíč ke správnému příbuzenskému zařazení rostlin, které je základem pro jejich identifikaci. Kde všude by mohla rychlá identifikace rostlin pomocí tzv. barcodingu být užitečná, je již jiný příběh, o kterém si můžete přečíst jinde. Nezapomeňme však, že živé organismy lze nejlépe poznávat v přírodě a bez pomoci přístrojů. Stačí se jen pozorně dívat a případně nahlédnout do některé z mnoha určovacích příruček a publikací.

• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Kontakt:
RNDr. Lenka Záveská Drábková, Ph.D.
(drabkova@ibot.cas.cz
; Taxonomické oddělení)

• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •