Prvé štvornohé suchozemské živočíchy sa objavili na Zemi pred 370 miliónmi rokov a vyvinuli sa z rýb. Neboli to však také ryby, aké poznáme dnes - teda s klasickými plutvami v tvare kosteného vejáriku prepojeného tenkou blankou. Boli to prehistorické druhy rýb, ktorých plutvy mali podobu kosťami vystužených mäsitých výrastkov, podobné latimérie divnej, ktorá je známa ako „žijúca fosília“. Tieto archaické ryby sú predchodcami obojživelníkov, plazov aj cicavcov. Ryby majú vzduchový mechúr, ktorý im slúži na to, aby nepadali na dno, keď zastavia - vyrovná ich tiaž.
Vývojový smer dnešných rýb viedol k odľahčeniu vzduchového mechúra čisto na funkciu vyvažovadla a odstránenia vnútorných štruktúr a zbytočného prekrvenia. Vývojový smer suchozemcov zase naopak k vzniku vnútorných štruktúr mechúra a jeho prekrvenie s cieľom zväčšiť výmennú plochu a intenzitu okysličenia. Vyvinuli sa u nich pľúca. O vývoji mäkkých tkanív toho z paleontológie síce veľa nevieme, no embryológia hovorí, že pľúca a vzduchový mechúr majú spoločný embryologický základ. Aj dnes existujú tzv. dvojdyšné ryby, ktoré okrem žiabier majú aj pľúca a dokážu dýchať vzdušný kyslík.
A čo sa stalo so žiabrami našich predchodcov? Aby sme to zistili, môžeme sledovať fosilizované žiabre, ktoré majú kostenú výstuž. V súčasnosti je fosíliami veľmi dobre zmapovaný prechod od rýb ku suchozemcom. Postupný vznik nôh z plutiev, premena zvislej hlavy rýb na vodorovne sploštenú a mnohé ďalšie zmeny sú dokumentované desiatkami prechodných medzistupňov. Z fosílií môžeme vidieť, ako sa kostené výstuže žiabier ako súčasť sánky rýb postupne menia. Ranní suchozemci mali tieto kosti zreteľne menšie a pripevnené k hlavnej sánkovej kosti. Ak ste niekedy zamýšľali nad tým, prečo sú vaše uši presne na mieste, kde sa sánka pripája k lebke, tu máte odpoveď. Kostené výstuže žiabier sú evolučným predchodcom najmenších kostičiek v ľudskom tele - tzv. sú to aj príklad, že evolúcia sa deje cez zmeny v regulácii vývinových génov.
V prírode vidíme, že k prechodu z vody na súš prirodzený vyber prispôsobuje ryby znovu - teraz už tie klasické s plutvami, tak ako ich dnes dobre poznáme. Je to viacero druhov žijúcich v vysychajúcich bahenných jazierkach, kde potom hybernujú v blate, až kým znovu nenaprší, alebo isté druhy žijúce v mangrovníkových lesoch. Austrálske ryby z čeľade Brachionichthyidae, po anglicky nazývané „handfish“, pretože ich plutvy pripomínajú dlane, sú zlí plavci. O krásach evolučnej biológie sme sa rozprávali s vývinovým biológom Petrom Fabianom a zoológom Davidom Jandzíkom, ktorí nedávno spoločne s americkými kolegami publikovali článok v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS).
Počas skorého vývinu v maternici prechádzame štádiom, keď je ľudské embryo na nerozoznanie od embrya ostatných stavovcov. Zakryte si spodné dva riadky ilustrácie Ernsta Haeckela (1874) a pozrite sa na prvý riadok. Obr. Táto podobnosť vedcov neprestáva fascinovať. Ako sa naše a rybie štruktúry počas evolúcie navzájom odchýlili do takejto miery?
U ľudí, ako aj u väčšiny rýb, sú následne prekryté výbežkom jedného z žiabrových oblúkov. U nás, ľudí, tento výbežok úplne uzavrie embryonálne štruktúry od ucha až po krk. Rovnako u väčšiny rýb tento výbežok prekryje zvyšné žiabrové oblúky, ale na rozdiel od ľudí toto prekrytie nikdy nezrastá s telom. Nazýva sa žiabrové viečko alebo skrela (anglicky operculum). Pomáha rybám pri love potravy, dýchaní a chráni dýchacie orgány - žiabre.
David: Jeho významnou črtou je multi- a interdisciplinárnosť. Vo výskume kombinujeme znalosti a prístupy klasických odvetví, ako je paleontológia a morfológia, s modernými metódami funkčnej genetiky, transkriptomiky a experimentálnej embryológie. Našou ambíciou je opísať, akými mechanizmami prebiehala evolúcia stavby tela na genomickej úrovni. Snažíme sa charakterizovať gény, ich regulačné oblasti a signálne dráhy, ktoré sú zodpovedné za získanie, stratu alebo modifikáciu morfologických štruktúr. Na to využívame laboratórne experimenty, ktoré umožňujú vytvárať a analyzovať mutanty rozličných druhov živočíchov, ktoré sú od seba často vzdialené milióny rokov nezávislej evolúcie.
Peter: V tomto článku opisujeme objav, že gén pou3f3 je priamo zodpovedný za prítomnosť žiabrového viečka u rýb. Keď sme gén zmutovali u ryby zebričky (Danio rerio), dokázali sme tvorbu žiabrového viečka zastaviť. Obr. 2: Živej ryby ukazujúci aktivitu génu pou3f3 (zelená) v žiabrovom viečku, časti kosti a oku. Objavenie žiabrového viečka behom evolúcie našich evolučných predkov podobných rybám uľahčilo dýchanie a lov potravy, a tak pravdepodobne aj transformáciu zo života vo vode na život na súši. Obr. 3: Rôzne formy žiabrového viečka u stavovcov.
David: Mne sa na článku páči časť, ktorá ukazuje, že charakter žiabrového viečka u jednotlivých stavovcov koreluje so zmenami v sekvencii enhancera génu pou3f3. Je to jasný príklad, že za evolučné inovácie sú zodpovedné zmeny v regulácii expresie vývinových génov. Počas PhD štúdia som prvýkrát videl, pod mikroskopom, ako sa u embrya rýb tvoria jednotlivé štruktúry, počas hodín dokonca minút. Po mojom PhD som nastúpil na dočasnú pozíciu u Dr. Roberta Černého v Prahe, kde sme spolu s Davidom spolupracovali na projektoch, ktoré boli neskôr publikované v časopisoch Nature a eLife.
Peter: Po mojom PhD som nastúpil do laboratória v Los Angeles, kde som sa zapojil do spomínaného projektu. Obidvaja momentálne pôsobíte aj v Spojených štátoch. Peter: Som presvedčený, že kľúčový. Vybavenie laboratória presne pokrýva moje potreby. A veda, to nie sú len prístroje a drahé experimenty, ale aj komunita ľudí, čo vám vedia poradiť a posunúť vás ďalej. David: Zásadný. Ja som síce hrdým absolventom a zamestnancom Prírodovedeckej fakulty UK v Bratislave, ale naozaj vedecky pracovať som sa naučil až vďaka zahraničným pobytom. Lákalo ma tiež dobrodružstvo života v inej krajine - hlavne v takej, v ktorej žijú moje obľúbené štrkáče. David, ty máš afiliáciu na Slovensku. Zjavne sa dá robiť vedu aj tu, hoci s prekážkami. Nedokážeme však dosahovať výsledky porovnateľné s vyspelým svetom bez silných inštitúcií a spoločenskej objednávky na vedu. Peter: Vieš si predstaviť návrat na Slovensko? Úprimne, ťažko, ale túžim po tom. Môj plán je dokončiť postdoktorandské projekty a potom sa stať vedúcim vlastného laboratória. Peter: Vo vede zostanú len tí, čo v nej ostať chcú. To znamená, že ak sa pre vedu rozhodneš, tak ju rob a snaž sa vytrvať. David: Robte, čo máte radi a majte radi, čo robíte. Buďte otvorení novým myšlienkam a prístupom a učte sa od tých najlepších na svete.
Ak vás evo-devo zaujala, vrelo odporúčame knihu “Your inner fish” od Neila Shubina. Súčasne sa výskumerskí partneri z USA zameriavajú na objavy génov a ich regulácie. Momentálne pôsobí ako postdok na University of Southern California v Los Angeles v laboratóriu Dr. Gagea Crumpa. Bolo to prestížne obdobie; predtým pôsobil ako postdok na katedre zoológie, Prírodovedeckej fakulte UK v Prahe pod vedením Dr. Roberta Černého. Svoje skúsenosti rozostrel aj cez projekty v Paríži a Cambridge.
Rôzne formy a štruktúry rýb a ich význam
Transport látok v tele zabezpečuje dvojdielne srdce. V cievnom systéme prúdi krv do žiabrov, kde sa okysličí, a následne sa rozvádza po tele. Žiabre sú spolu s plynovým mechúrom kľúčové pre dýchanie a reguláciu osmotického tlaku. Plynový mechúr ako hydrostatický orgán pomáha nadľahovať telo a slúži aj ako rovnovážny orgán. Plošné štruktúry kože a šupiny poskytujú ochranu a znižujú trenie.
- Kostra rýb: hlava, trup, chvost; plutvy sú vystužené lúčmi (tvrdé a mäkké).
- Tráviaca sústava: ústa s zubami, hltan, pažerák, žalúdok, črevo; pečeň, pankreas a žlčník; plynový mechúr zo zväzkom tráviacej rúry.
- Krvný obeh: srdce, žiabrové tepny, žila, aorta; slezina ako zásobáreň krvi.
- Rozmnožovanie: mimotelové oplodnenie, ikry na vodnej hladine; samice aj samci.
Vybrané poznámky o evolúcii: kostné aj chrupavkové znaky rýb sa menili cez vývojové medzistupne, čo umožnilo vznik končatín a následne prechod na súš. Dvojité dýchanie a pľúca sú dôsledkom dlhodobého adaptovania sa na menej kyslíka vo vode a zvyšovanie výmeny plynov cez pľúca a vzduchový mechúr.
Najznámejšie skupiny a ich charakteristiky:
- Handfish (Brachionichthyidae) - dlane-plutvy, zlí plavci.
- Jezterotvaré a ďalšie archaické formy - fosílie pre evolučný prechod.
- Kostný skupiny Teleostei - najpočetnejšia a najvýnimočnejšia skupina rýb.