Článek
Nekonečná hlubina: Největší a nejméně prozkoumané prostředí Země
Oceány pokrývají více než 70 % povrchu naší planety a průměrná hloubka přesahuje 3 600 metrů. Oblast pod zhruba 200 metry, kam neproniká sluneční světlo v dostatečné míře pro fotosyntézu, je označována jako hluboké moře. Toto obrovské, temné a chladné prostředí představuje největší životní prostor na Zemi, ale zároveň je kvůli extrémním podmínkám nejméně prozkoumané.
Jak klesáme hlouběji, rapidně roste tlak. Na každých 10 metrů hloubky se tlak zvyšuje o zhruba 1 atmosféru (což je přibližně tlak vzduchu na úrovni mořské hladiny). V hloubce několika tisíc metrů dosahuje tlak hodnot, které si my, suchozemští tvorové, dokážeme jen těžko představit. Kromě drtivého tlaku čelí organismy v hlubokém moři absolutní tmě (s výjimkou světla produkovaného samotnými organismy – bioluminiscence), velmi nízkým teplotám (blízko bodu mrazu) a omezené dostupnosti potravy, která padá z produktivnějších vrstev oceánu nade dnem.
Mariánský příkop: Propast na dně oceánu
Na západě Tichého oceánu se nachází místo, které tyto extrémy posouvá na úplně novou úroveň. Mariánský příkop je nejhlubší známá oceánská prohlubeň na světě. Rozkládá se v délce přes 2 500 kilometrů, ale je poměrně úzký (průměrně jen 69 km široký). Nejhlubší bod, známý jako Challenger Deep, dosahuje hloubky kolem 10 935 metrů (přesná hodnota se může mírně lišit v závislosti na měření).
Tlak na dně Challenger Deep přesahuje 1000 atmosfér, což znamená, že na každý centimetr čtvereční působí síla odpovídající váze více než jedné tuny. Představit si to můžeme například jako kdyby na naši nehet stál slon. Navzdory těmto nepředstavitelným podmínkám vědci v Mariánském příkopu objevili život – a to nejen mikrobiální organismy, ale i mnohobuněčné tvory, včetně ryb.
Oblast oceánu v hloubce pod 6 000 metrů se nazývá hadální zóna, pojmenovaná podle Hádésa, řeckého boha podsvětí. Život v hadální zóně vyžaduje mimořádné adaptace, a to především na extrémní tlak. Většina známých forem života by v takovém tlaku okamžitě zemřela – buněčné struktury by byly poškozeny, bílkoviny (enzymy, které řídí všechny biochemické procesy) by změnily svůj tvar a přestaly fungovat správně, a buněčné membrány by ztratily svou tekutost.
Obyvatelé hadální zóny: Ryby z čeledi Liparidae
Mezi nejčastěji se vyskytující ryby v nejhlubších částech Mariánského příkopu patří zástupci čeledi Liparidae, běžně známí jako hlubokomořští hlemýžďovití (snailfish). Tyto ryby se dokázaly přizpůsobit životu v hloubkách, kde jiné ryby nepřežijí. Jejich těla jsou rosolovitá, postrádají plynový měchýř, který by se pod tlakem zhroutil, a jejich kosti jsou často redukované a nepříliš pevné. Jsou to predátoři živící se menšími bezobratlými, jako jsou korýši, které v těchto hloubkách žijí.
Vědci zkoumající tyto ryby se zajímají o to, jakým způsobem se na genetické a biochemické úrovni dokázaly přizpůsobit životu pod tak extrémním tlakem. Pochopení těchto mechanismů může poskytnout vhled do toho, jak funguje život na jeho fyziologických hranicích.
Tajemství přežití: Unikátní genetické mutace
Nedávný výzkum zaměřený na genetickou výbavu (genom) ryb z Mariánského příkopu přinesl fascinující objev. Vědci sekvenovali DNA několika jedinců z různých druhů hlubokomořských hlemýžďovitých a dalších ryb žijících v těchto extrémních hloubkách. Při porovnání jejich genomů s genomy příbuzných druhů žijících v mělčích vodách a s genomy jiných hlubokomořských ryb z méně extrémních hloubek objevili něco překvapivého: různé druhy ryb z Mariánského příkopu sdílejí pozoruhodně podobné a unikátní genetické mutace.
Mutace jsou změny v sekvenci DNA. Mohou nastat spontánně nebo být způsobeny vnějšími faktory. Většina mutací je neutrálních nebo škodlivých, ale některé mohou vést ke změnám v proteinech nebo regulaci genů, které se projeví jako nové vlastnosti nebo adaptace.
V tomto případě vědci identifikovali specifické mutace v genech, které jsou zodpovědné za produkci a funkci bílkovin zapojených do různých buněčných procesů. Tyto mutace se jeví jako klíčové pro přežití v podmínkách extrémního tlaku. Některé z těchto genů jsou spojeny s:
- Tvorbou a transportem osmolytů: Organismy žijící pod vysokým tlakem často produkují tzv. osmolyty nebo piezolity – malé molekuly, které pomáhají stabilizovat bílkoviny a buněčné struktury proti deformačnímu účinku tlaku. Příkladem je trimethylamin N-oxid (TMAO). Mutace v genech souvisejících s produkcí nebo transportem těchto molekul by mohly umožnit rybám z hlubin hromadit vyšší koncentrace těchto ochranných látek.
- Strukturou a funkcí bílkovin: Některé mutace mohou měnit tvar nebo flexibilitu klíčových bílkovin, čímž je činí odolnějšími vůči denaturačnímu účinku vysokého tlaku.
- Strukturou buněčných membrán: Buněčné membrány se pod tlakem stávají méně tekutými. Mutace v genech souvisejících s metabolismem lipidů nebo strukturou membrán by mohly pomoci udržet správnou fluiditu membrán i v extrémních hloubkách.
- Metabolismem a energetickým hospodářstvím: Život v hlubinách je energeticky náročný. Některé mutace by mohly ovlivnit metabolické dráhy tak, aby byly efektivnější za vysokého tlaku nebo v podmínkách omezené potravy.
Konvergentní evoluce na molekulární úrovni
Nejzajímavějším aspektem objevu je, že podobné mutace byly nalezeny u různých druhů ryb žijících v Mariánském příkopu, které nejsou si navzájem nejbližšími příbuznými. Toto je silný důkaz tzv. konvergentní evoluce na molekulární úrovni. Konvergentní evoluce je jev, kdy nepříbuzné druhy nezávisle na sobě vyvinou podobné vlastnosti nebo adaptace, protože žijí v podobných prostředích a čelí podobným selekčním tlakům. Klasickým příkladem je tvar těla žraloků, delfínů a vyhynulých ichtyosaurů – všech to jsou vodní živočichové, kteří se nezávisle vyvinuli tak, aby měli hydrodynamický tvar těla pro efektivní pohyb ve vodě.
V případě ryb z Mariánského příkopu extrémní tlak představuje silný selekční tlak. Pouze jedinci s genetickými změnami, které jim umožňují snášet tento tlak (a další podmínky hadální zóny), dokážou přežít a rozmnožovat se. Skutečnost, že různé druhy nezávisle na sobě získaly podobné mutace v podobných genech, svědčí o tom, že existují určité „optimální“ genetické cesty k přizpůsobení se životu v takových extrémních podmínkách. Je to, jako by evoluce „našla“ podobná řešení stejného problému v různých genetických liniích.
Tento objev naznačuje, že adaptace na extrémní prostředí nemusí být zcela náhodná, ale může být usměrňována fyzikálními a chemickými omezeními daného prostředí. Určité genetické dráhy nebo typy mutací jsou prostě efektivnější pro překonání konkrétních výzev.
Metody výzkumu hlubin
Výzkum života v Mariánském příkopu je logisticky i technologicky mimořádně náročný. K odběru vzorků organismů z takových hloubek se používají specializované hlubokomořské ponorky, ať už s lidskou posádkou, nebo bezpilotní (robotické). Tyto ponorky musí být schopny odolat obrovskému tlaku a být vybaveny manipulátory pro sběr vzorků, kamerami pro pozorování a senzory pro měření podmínek prostředí.
Získané vzorky ryb jsou poté rychle transportovány do laboratoří, kde probíhá jejich morfologické studium (vzhled a stavba těla) a především genetická analýza. Sekvenování DNA umožňuje vědcům přečíst kompletní genetický kód organismu a identifikovat rozdíly (mutace) oproti jiným druhům. Následná bioinformatická analýza slouží k určení, ve kterých genech se mutace nacházejí, jak by mohly ovlivnit funkci proteinů a jaký by mohl být jejich vliv na fyziologii organismu v podmínkách vysokého tlaku.
Širší souvislosti a význam objevu
Výzkum adaptací organismů v extrémních prostředích, jako je Mariánský příkop, má význam nejen pro pochopení biologie života na Zemi, ale i pro astrobiologii – vědu zabývající se hledáním života mimo Zemi. Extrémní prostředí na Zemi (jako jsou hlubokomořské průduchy, kyselá jezera, oblasti s vysokou radiací nebo extrémní tlaky) slouží jako modely pro potenciální podmínky na jiných planetách a měsících ve Sluneční soustavě (např. podpovrchové oceány na Jupiterově měsíci Europa nebo Saturnově měsíci Enceladus, kde by mohl existovat život navzdory drsným podmínkám na povrchu).
Pochopení toho, jak život dokáže překonat fyzikální a chemické limity, nám pomáhá lépe odhadnout, kde jinde ve vesmíru by mohl život existovat a jaké formy by mohl mít. Objev konvergentních genetických mutací u ryb z Mariánského příkopu naznačuje, že i na molekulární úrovni může evoluce nacházet podobná řešení pro podobné problémy prostředí, což by mohlo být obecným principem platným i jinde ve vesmíru.
Závěr
Mariánský příkop je místo, které neustále překvapuje svým životem. Objev, že ryby žijící v těchto nepředstavitelných hloubkách sdílejí unikátní a podobné genetické mutace, je fascinujícím důkazem síly a cílevědomosti přirozeného výběru a konvergentní evoluce. Tyto mutace zřejmě představují genetický základ pro fyziologické adaptace, které těmto tvorům umožňují přežít v drtivém tlaku hadální zóny.
Výzkum života v nejhlubších částech oceánů nejen rozšiřuje naše chápání biodiverzity a evoluce na Zemi, ale také poskytuje cenné poznatky pro hledání života jinde ve vesmíru. Každý nový objev v těchto extrémních pozemských prostředích nás přibližuje k pochopení toho, jak život funguje na svých hranicích a jaké má šance na existenci v těch nejméně pohostinných koutech kosmu. Hluboké moře zůstává jednou z posledních velkých hranic výzkumu na naší vlastní planetě a jeho tajemství nám stále mohou mnohé povědět o životě samotném.
