Evoluce a evoluční teorie pro lékaře (VII. Speciace neboli vznik nových druhů)

Overview

Speciace je soubor evolučních procesů, jimž vznikají nové biologické druhy. Pojem druhu je velmi široký a má mnoho významů. Rozlišuje se speciace alopatrická, (dichopatrická a peripatrická), parapatrická a sympatrická, častá je hybridní speciace. Wallaceův efekt je mechanismus, jímž přírodní výběr posiluje reprodukční izolaci. Současný výzkum se zaměřuje na genetické podklady speciace. Byly popsány geny, jejichž funkce je podkladem sterility hybridů. Rychlost speciace je předmětem diskuse. V rozporu s teorií fyletického gradualismu je teorie přerušované rovnováhy.

Klíčová slova:
evoluce, speciace, pojem druhu, reprodukční izolace.

Úvod

Počet žijících druhů života na Zemi se odhaduje v rozmezí 5–100 milionů, popsány jsou přibližně dva miliony (20). Jestliže jsou všechny současné podoby života potomkem posledního univerzálního společného předka, pak se objevuje otázka kdy, jak a proč se v čase a prostoru objevil tak velký a rozmanitý počet různých druhů života – jinak řečeno, co je podkladem biodiverzity.

Charakteristika druhu

Druh (species) je pojem, který má podle Mayra (13) tři základní významy:

Druh jako pojem:

typologický pojem druhu byl koncem 19. a v prvních desetiletích 20. století nahrazen biologickým pojmem druhu. Typologický pojem druhu neodpovídal druhům coby populacím a jejich evolučnímu potenciálu. Prubířským kamenem biologického pojetí druhu je zejména reprodukční kompatibilita – možnost mít plodné potomky (12, 13).

Druh jako taxon:

studium druhů v geografickém prostoru ukazuje, že jsou tvořeny početnými lokálními populacemi, které se vzájemně méně nebo více liší. Soubor populací distribuovaný v geografickém prostoru je druh jako taxon. Druh jako taxon je mnohorozměrný, druh jako pojem je bezrozměrný. Druhy jako taxony, které mají dobře definované součásti, poddruhy, se označují jako polytypické druhy.

Druh jako kategorie:

je příčka linnéovské hierarchie udělená taxonu považovanému za druh.

Vyčerpávající přehled současných definic pojmu species je v tab. 1, str. 395. 

Speciace, aneb nové biologické druhy

Speciace

je pojem označující soubor evolučních procesů, jimiž vznikají nové biologické druhy (17). V průběhu těchto jevů je nutné odlišovat anagenezu od fylogeneze.

Anageneze, též „fyletická změna“

je pohyb „vzhůru“ na fylogenetické linii, postupná změna z původní do odvozené podoby života. Na konci anagenetického procesu se celá populace odlišuje od populace rodičovské, ta se považuje za vyhynulou.

Fylogeneze

označuje naproti tomu štěpení evolučních linií, vznik nových větví, neboli kladů fylogenetického stromu, který je spíše než jediným kmenem s mnoha větvemi vzájemně propojeným houštím (13, 14, 9,10).

Rozlišuje se několik typů speciace:

v průběhu alopatrické speciace

se populace štěpí na dvě izolované populace. Jestliže se po nějaké době takové populace opět setkají, jsou natolik odlišné, že nejsou s to vyměňovat geny – jsou tedy reprodukčně izolované. Existují dvě podoby alopatrické speciace: dichopatrická a peripatrická (13, (obr. 1).

Při dichopatrické speciaci

je izolace důsledkem vzniku geografické bariéry, která populaci rozdělí. Příkladem je vznik Behringovy úžiny na konci pleistocénu, která vytvořila barieru mezi Sibiří a Aljaškou, což spustilo speciaci původně jednotných holoarktických druhů. Jiným příkladem je vznik nových druhů v ostrovech tropického dešťového pralesa, které se uchovaly v průběhu suchých období pleistocénu. Příkladem alopatrické speciace jsou některé ostrovní živočišné druhy.

Při peripatrické speciaci

se uplatňuje zakladatelská populace, která je za periferií populace rodičovské. Taková populace může stejně zaniknout, jako se může vyvinout do nového druhu. Zakladatelská populace je malá, proto geneticky ochuzená, může ji tvořit jen několik jedinců případně i jediná oplodněná samička. Genofond zakladatelské populace je proto podstatně chudší, než je genofond populace rodičovské. Zakladatelská populace je vystavena vyššímu selekčnímu tlaku v novém prostředí. Příkladem peripatrické speciace je moskyt Culex pipiens, který osídlil londýnské metro v průběhu 19. století. Od populace žijící na povrchu se liší geneticky i chováním (2).

Při parapatrické speciaci,

to je další podoba speciace, vstupuje část populace do nové niky, v ní se vyvine reprodukční izolace, zóny obývané oběma populacemi jsou však částečně společné. Příkladem jsou racci Larus tvořící druhový prstenec kolem severního zemského pólu.

Sympatrická speciace

je označení vzniku dvou nebo většího počtu populací obývajících společné území a přitom pocházejících z jedné populace rodičovské. Existence sympatrické speciace je předmětem diskuse. Jako příklad sympatické speciace se uvádí Rhagoletis pomonella (apple maggot fly, hawthorn fly, vrtule jabloňová) jejíž různé populace se živí různými plody. V severní Americe se objevila v průběhu 19. století populace, která se začala živit jablky, tedy druhem, jenž byl dopraven ze zámoří, nikoli plody hlohu, jímž se rodičovská populace Rhagoletis (převážně) živila do té doby. Od původní populace se Rhagoletis pomonella liší geneticky i chováním, hybridizace s rodičovskou populací je nízká. Rhagoletis pomonella se někdy uvádí jako příklad rychlé evoluce „před očima“, podobně jako speciace koljušek, cichlid nebo proslulých Darwinových pěnkav na Galapágách.

Diskutovanou vzácností je speciace podmíněná vzdáleností, neboli cirkulární překrývání. Dlouhý řetěz populací vyústí v překrytí východiska a konce. Prokazuje se u racků Larus argentatus a mloka Ensantina (13).

Wallaceův efekt

je mechanismus, jímž přírodní výběr posiluje reprodukční izolaci (17). Může se objevit ve chvíli, kdy se dvě rozdělené populace téhož druhu po nějaké době setkají. Jestliže byla jejich reprodukční izolace úplná, jsou z nich dva odlišné druhy. Jestliže byla neúplná, může jejich páření vést ke vzniku hybridů, kteří mohou být jak plodní, tak neplodní.

Jestli jsou jejich hybridy neplodní, nebo je jejich biologická zdatnost (fitness) nižší než u jejich předků, další reprodukční izolace nenásleduje. Příkladem jsou hybridi koní a oslů, muly a mezci.

Jestliže jsou hybridi biologicky zdatnější než jejich rodičovské populace, smísí se zpětně s populací toho druhu s nímž jsou v kontaktu.

Wallaceův efekt v literatuře označovaný jako reinforcement (v tomto případě doslovně zesílení reprodukční izolace) se považuje za podklad jak parapatrické, tak sympatrické speciace. Bez Wallaceova efektu by se oblast kontaktu mezi odlišnými podobami téhož druhu, této oblasti se říká hybridní zóna nebo hybridní pás, na hranici mezi odlišnými druhy neproměnila.

Velmi zajímavý je v této souvislosti objev několika procent genů jaderné DNA neandrtálců v genomu současné populace Homo sapiens, zatímco mitochondriální geny neandrtálců – ty se dědí jen po matkách – součástí genomu současného člověka nejsou Neandrtálci se totiž po oddělení od linie směřující od společného předka k Homo sapiens znovu s Homo sapiens setkali – oddělení přitom trvalo několik set tisíc let (1, 5).

Izolační mechanismy

Izolační mechanismy jsou biologické vlastnosti jednotlivých organismů blokující křížení populací různých druhů tam, kde obývají společné území.

Existují prezygotickémechanismy izolace blokující křížení druhů: možní partneři křížení se vůbec nesetkají, protože je izoluje roční doba nebo habitat, dále odlišnosti chování, čemuž se říká etologická izolace, případně jsou izolováni mechanicky: při kopulaci nedojde k přenosu spermatu.

Mezi postzygotickémechanismy náleží

• a) inkompatibilita gamet – spermie neoplodní vajíčko,
• b) zygotická mortalita při níž oplodněné vajíčko zanikne,
• c)  vznikne hybrid s omezenou životností,
• d) vznikne hybrid, který životný je, ale je částečně nebo úplně sterilní, případně plodí defektní potomstvo.

Příklady speciace

Tradičně uváděným příkladem přirozené speciace je tříostná koljuška (Gasterosteus aculeatus, (obr. 2). Odhaduje se, že soudobá druhová rozmanitost tříostných koljušek vyžadovala od konce poslední ledové doby asi 10 000 generací a projevuje se odlišnostmi v zabarvení, uspořádání ploutví i kostry včetně čelistí.

Hendry et al. (6) na příkladu speciace koljušek dokládá jak je speciace složitý proces. Speciaci považuje za kontinuum, v němž je možné rozlišovat několik stavů:

1. trvalé variace v populacích schopných vzájemného míšení, bez genetického nebo behaviorálního omezení – všichni jedinci jsou potenciálními partnery,
2. částečně diskontinuální variace s menšími reprodukčními izolacemi,
3. silně diskontinuální variace s výraznou, nicméně reverzibilní reprodukční izolací,
4. kompletní a ireverzibilní reprodukční izolace.

Výzkum koljušek ukazuje jak proměny uvnitř jednotlivých stavů, tak přechody mezi stavy. Většina populací je ve stavu 1, nicméně i v těchto populacích je možné doložit selekci a výběrové páření. Přechod do stavu 2 bývá spjat s geografickou izolací doprovázenou parapatrií (například rozdílem života v jezerech a v proudící vodě) nebo alopatrií (rozdílem života v různých jezerech). Přechod do stadia 3 se objevuje, jakmile se dostanou parapatrické nebo alopatrické populace, které se vyvíjely díky silnému divergentnímu výběru, do druhotného kontaktu, objevuje se však i v parapatrických a alopatrických populacích. Stav 4 je charakterizován změnou chromozomálního uspořádání a genetickou inkompatibilitou nezávislou na prostředí – příkladem jsou reprodukčně zcela nebo téměř zcela izolované koljušky žijící v Japonském moři a koljušky žijící v Tichém oceánu. V průběhu speciace se tedy uplatňuje řada mechanismů:

• selekce,
• adaptace,
• mutace, i 
• geografické vlivy.

Vztah genů a ekologických vlivů při speciaci koljušek, původně mořských ryb, které se opakovaně adaptovaly na sladkovodní prostředí, popisují Schluter a Conte (19). Mají za to, že se ekologicky podmíněná speciace odehrávala opakovaně a paralelně. Selekce podmíněná sladkovodním prostředím působila na variace uchovávané v mořských populacích „exportem“ alel adaptovaných na sladkou vodu z míst, které byly s mořskými populacemi v kontaktu.

Jiným oblíbeným modelem dramaticky rychlé speciace a adaptivní radiace jsou africké cichlidy (vrubozubcovití). Tato čeleď ryb obnáší více než 1 000 velikostí, tvarem, barvou i chováním nesmírně rozmanitých (a krásných) druhů v tropických a subtropických oblastech tří světadílů. V jezerech východní Afriky byly objeveny stovky endemických druhů, které se velmi rychle vyvíjely díky přírodnímu i pohlavnímu výběru (obr. 3) (18)

Hybridizace

Hybridní speciace

je označení teorie, podle níž má zásadní význam při vzniku nového druhu hybridizace. Je častější, než se dosud mělo za to, a to jak u rostlin, tak u živočichů (11). Označení se týká hybridních druhů, které zdvojily počet svých chromozomů, tomu se říká allopolyploidie. Odvozený druh původně vlastní celý genom každého ze svých rodičů, vklad každého rodiče je 50%, což nevylučuje následnou rekombinaci a genovou konverzi, takže u starších polyploidních druhů může být vklad rodičů nerovný.

Mallett (11) v přehledném článku uvádí, že s jiným druhem hybridizuje přibližně  10 % živočichů a 25 % rostlin, přičemž je hybridizace vysoká u rychle se šířících druhů. Příkladem je 75% hybridizace britských kachen (Anatideae).

Vztah speciace a přírodního výběru

Na vztah speciace a přírodního výběru uvádí Via (21) dva odlišné pohledy. Prvnímu, klasickému, říká „pohled dalekohledem“. Druhý, současný, pojmenovala „pohled lupou“.

Představitelé „pohledu dalekohledem“ jsou zejména Ernst Mayr a Theodosius Dobzhansky. Mayr v r. 1942 vytvořil biologický pojem druhu (tab. 1), těžištěm speciace je podle tohoto autora reprodukční izolace. Mayr zdůrazňoval, že se reprodukční izolace může uplatnit jen tam, kde geografická izolace zamezí toku genů, výsledkem je alopatrická speciace. Dobzhansky se koncem třicátých let minulého století, podobně jako H. J. Mueller na začátku let čtyřicátých, soustředil zejména na mechanismy postzygotické izolace.

Batesonův-Dobhzhanského-Muellerův model (23) vysvětloval, jak se může vyvinout sterilita hybridů, aniž by selekce zastavila intermediární články procesu. V současnosti byl tento model vzat v potaz (7). „Pohled dalekohledem“ je retrospektivní analýza, odtud pojmenování, prováděná na úrovni druhů.

Model pojmenovaný „pohled lupou“ je analýza ekologických a genetických příčin reprodukční izolace na úrovni populací. Tento pohled předpokládá, že se při divergentní selekci sympatrických populací stávají genomy nově vznikajících druhů dočasnou genovou mozaikou. Ekologicky významné genové oblasti v takové mozaice odolávají výměně i při zachovaném genovém toku.

Genetické podklady speciace

Postzygotická isolace je

• extrinsická, a
• instrinsická (23).

Extrinsická izolace

je podmíněna destruktivními důsledky interakce hybridu s prostředím: hybridi jsou geneticky vybaveni pro život v nikách rodičovských prostředí, které neodpovídají jejich nice.

Instrinsická postzygotická izolace

je způsobena vývojovými defekty hybridů, jejichž výsledkem je neživotnost nebo částečná či úplná sterilita. Uvádí se, že exstrinsická izolace je častější a významnější než intrinsická zejména v raných fázích druhové divergence. Podklady intrinsické postzygotické isolace jsou:

• úroveň ploidie,
• přeskupování chromozomů doprovázené novým uspořádáním (rearrangement),
• genová inkompatibilita, a 
• interakce mezi jaderným genomem a endosymbiontem, což se oprávněně považuje za zvláštní případ předchozího mechanismu (8). Za nejvýznamnější mechanismus se považuje genová inkompatibilita.

U živočichů byly dosud popsány čtyři geny, které jsou podkladem sterility hybridů a to:

• Odysseus,
• JYalfa,
• Overdrive u octomilek, a
• Prdm9 (Meisetz) u myší.

Myší protein Prdm9 se vyvíjel s vysokou rychlostí v doméně, která se váže na DNA a obsahuje „zinc fingers“ (doslovně zinkové prsty), což jsou malé proteinové motivy užívající jeden nebo víc atomů zinku ke stabilizaci prostorového uspořádání. Lze je nejlépe chápat jako interaktivní moduly vážící molekuly DNA, RNA, proteiny. Odlišnost jediného z nich rozlišuje ty alely genu Prdm9, které jsou příčinou sterility hybridů, od alel, které příčinou sterility nejsou.

Oliver et al. (15) ukázali, jak pozitivní selekce rychle změnila počet a sekvence Prdm9 „zinkových prstů“ ve 13 genomech hlodavců. Typ pozitivní selekce Prdm9 „zinkových prstů“ dokládá, jak působila rychlá evoluce na rozhraní mezi Prdm9 proteinem a DNA sekvencemi, na které se váže. Podobný stav byl doložen u dalších taxonů rozlišných živočichů včetně primátů. Variabilita alel lidských Prdm9 „zinkových prstů“ je v asociaci se sníženým rizikem neplodnosti. Prdm9 tedy ovlivňuje mezidruhovou sterilitu u myší a vnitrodruhovou sterilitu u lidí. Opakované epizody positivní selekce Prdm9 ukazují, že se spolu s ním rychle vyvíjely sekvence DNA, na které se váže. Podle Olivera et al. (15) je molekulárním podkladem sterility zprostředkovávané genem Prdm9 neslučitelnost mezi vazebnou specificitou proteinu Prdm9 a satelitní DNA.

Qvarnström a Bailey (16) uvádějí v přehledném článku o speciaci podmíněné evolucí genů vázaných na pohlavní chromozomy čtyři rozdíly mezi pohlavními chromozomy a autozomy:

1. relativní rychlost evoluce,
2. nenáhodnou akumulaci genů,
3. výskyt inkompatibilních recesivních genů u hybridů, a 
4. podílem rekombinací.

V raných stádiích rozdělování populace jsou rozdíly dány autozomálními geny. Rychle se vyvíjející geny vázané na pohlavní chromozomy mají zřejmě klíčový význam pro vývoj sexuální izolace tím, že kódují ovlivňující biologickou zdatnost (fitness) vázanou na pohlaví, například primární a sekundární pohlaví znaky. Geny kódující znaky, které jsou podkladem sexuální izolace, jsou s vyšší pravděpodobností příčinou sterility hybridů, jsou-li vázány na pohlavní chromozomy.

Rychlost speciace

Rychlost speciace je předmětem diskuse. Někteří evolucionisté mají za to, že speciace běží konstantně, pomalu, v průběhu dlouhých geologických obdobích, v tomto případě se mluví o fyletickém gradualismu (12).

Naproti tomu Niles Eldredge a Stephen J. Gould (3, 4), představitelé teorie přerušované rovnováhy (punctuated equilibrium), dokazují, že jsou druhy dlouhou dobu stálé a speciace proběhne v poměrně krátkém období – jejich teorie je tedy s fyletickým gradualismem v rozporu.

MUDr. František Koukolík, DrSc.
Oddělení patologie a molekulární medicíny
Národní referenční laboratoř prionových chorob
Fakultní Thomayerova nemocnice s poliklinikou
Vídeňská 800
140 59 Praha 4 Krč
E-mail: frantisek.koukolik@ftn.cz