Otázku po původu a podstatě života si lidé pokládali odnepaměti, ale odpověď na ni se po většinu historie nesla v duchu domněnek a více či méně podložených spekulací. S rozvojem genetiky, evoluční, molekulární a buněčné biologie ale vědci získali nové nástroje, které jim umožnily hledat odpověď na tyto věčné otázky přímo na hranicích mezi živým a neživým a dovolily jim zkoumat nejzákladnější rysy, které činí život životem.
Pokrok, jehož jsme na tomto poli dosáhli, se ve své populárně-naučné knize rozhodl přiblížit britský genetik a nositel Nobelovy ceny Paul Nurse, který se po schodech vybudovaných z pěti základních myšlenek biologie pokouší vystoupat až na vrchol a zodpovědět kardinální otázku: Co je život?
Buňka. Atomy biologie
Gen. Zkouška časem
Evoluce přírodním výběrem. Náhoda a nutnost
Život jako chemický děj. Řád z chaosu
Život jako informace. Fungovat jako celek
Cílem jeho stručného a zároveň hlubokého pojednání protkaného řadou osobních vzpomínek není seznámit čtenáře pouze s některými nejnovějšími biologickými poznatky, nýbrž i s fungováním samotné vědy a výzkumu. Nurse se svou knihou zároveň snaží poukázat na to, jak je pozemský život úchvatný, jedinečný a provázaný, což by nás mělo přimět, abychom si jej vážili, pečovali o něj a nepřehlíželi problémy, jimž i kvůli nám čelí.
Vychází ve spolupráci s nakladatelstvím Argo.
Paul Nurse / Biologie v pěti lekcích. Co je život? / Překlad Pavel Pecháček, Vydal Dokořán, řada Aliter, vydání 1, poprvé vyšlo 25.05.2021.
Originál knihy: What is Life? Understand Biology in Five Steps
Buňka / atomy biologie
Buňku jsem poprvé viděl ve škole, nedlouho po svém setkání s tím žlutým motýlem. Ve třídě jsme nechali vyklíčit sazeničky cibule, rozmačkali kořínky mezi sklíčky a vložili je pod mikroskop, abychom se podívali, z čeho se skládají. Můj inspirativní učitel biologie Keith Neal nám vysvětlil, že si prohlížíme buňky, základní jednotky života: pravidelné řady krabicovitých buněk, všechny poskládané do úhledných sloupečků. Bylo nesmírně působivé, že růst a dělení těchto drobných buněk stačí na to, aby se kořeny cibule vtlačily do půdy a vyvíjející se rostlina měla dostatek vody, živin a opory.
S tím, jak jsem se o buňkách dozvídal stále víc, pocit úžasu dál rostl. Buňky nabývají neuvěřitelného množství tvarů a velikostí. Většina je příliš malá, než abychom je mohli spatřit pouhým okem – jsou opravdu miniaturní. Kdybychom vzali buňky jisté parazitické bakterie, která napadá močový měchýř, naskládaly by se jich vedle sebe do 1 milimetru celé 3 000.
Jiné buňky jsou obrovské. Pokud rádi snídáte vajíčka, uvědomte si, že celý žloutek je jedna jediná buňka. Ohromné buňky se vyskytují i v našem těle. Nalezneme v něm kupříkladu nervové buňky, které sahají od spodní části páteře až ke konci palce u nohy. Z toho plyne, že každá z nich bývá asi metr dlouhá!Ačkoli je tato pestrost zarážející, nejzajímavější je, co mají všechny ty buňky společného. Vědci chtěli odjakživa znát totožnost základních jednotek toho, co zkoumají, čehož je nejlepším příkladem atom coby základní stavební jednotka hmoty. Atomem biologie je buňka. Buňky nejsou jen základní stavební jednotky všech organismů, ale jsou též základními funkčními jednotkami života. Tím se myslí, že buňky jsou nejmenšími entitami, jež projevují základní charakteristiky života. Na této skutečnosti stojí myšlenka, které biologové říkají buněčná teorie: pokud je nám známo, platí, že vše živé na této planetě je buď buňkou, nebo se ze souboru buněk skládá. Buňka je tou nejjednodušší věcí, o níž lze s konečnou platností říct, že je živá.
Buněčná teorie je stará asi půldruhého století a stala se jedním ze základních pilířů biologie. Vzhledem k významu této myšlenky pro porozumění biologii je překvapující, že jí veřejnost není fascinována ani zdaleka tolik, jak si zaslouží. Snad je to proto, že se většina lidí na hodinách biologie učí přemýšlet o buňkách jako o pouhých základních stavebních kamenech komplexních bytostí. Skutečnost je však mnohem pozoruhodnější.
Příběh buňky se začal psát v roce 1665 zásluhou Roberta Hooka, člena tehdy nedávno vytvořené londýnské Královské společnosti, jedné z prvních vědeckých akademií na světě.
Jak už to tak ve vědě často bývá, impulzem jeho objevu byla nová technologie. Jelikož je většina buněk příliš malá, než aby je bylo možné pozorovat pouhým okem, musel jejich objev počkat na vynález mikroskopu začátkem 17. století. Vědci v sobě leckdy spojují teoretika a zkušeného řemeslníka, a to nepochybně platilo i o Hookovi, jemuž nedělalo potíže prozkoumávat hranice fyziky, stavitelství nebo biologie, a zároveň vynalézat vědecké přístroje. Sestrojil si vlastní mikroskopy, s jejichž pomocí následně prozkoumal neznámé světy skryté mimo dosah prostého oka.
Jednou z věcí, již Hooke pozoroval, byl tenký řez korkem. Všiml si, že korek je tvořen vrstvami uzavřených dutin, které se velmi podobají buňkám ve špičce kořene cibule, jež jsem viděl o 300 let později. Hooke tyto dutinky pojmenoval buňky (cells) podle latinského cella, což znamená malý pokoj či kóje. Tehdy Hooke nevěděl, že buňky, které nakreslil, nejsou pouze základní složkou všech rostlin, nýbrž života vůbec.O další zásadní objev se nedlouho po Hookovi postaral nizozemský badatel Antoni van Leeuwenhoek, když objevil jednobuněčný život.
Všiml si mikroskopických organismů plovoucích v rybniční vodě a rostoucích v plaku, který si seškrábl ze zubů, což pro něj bylo znepokojivě zjištění, neboť si na své ústní hygieně velmi zakládal. Těmto nepatrným tvorům dal roztomilé, dnes však ji nepoužívané jméno „animalcula“ neboli „zvířátka“. Organismy, které prosperovaly na jeho zubech, byly ve skutečnosti vůbec první popsané bakterie. Leeuwenhoek narazil na zcela novou doménu drobných jednobuněčných živých forem.Dnes víme, že bakterie a další mikrobiální buňky (mikroskopický organismus schopný žít v podobě jediné buňky se obvykle označuje jako mikrob) jsou zdaleka nejběžnější a nejrozmanitější pozemskou formou života.
Obývají všechna prostředí od nejvyšších vrstev atmosféry po hlubiny zemské kůry. Bez nich by se život zastavil. Rozkládají odpad, vytvářejí půdu, recyklují živiny a vychytávají ze vzduchu dusík, který živočichové a rostliny potřebují k růstu. A pokud jde o naše vlastní tělo, zjistili vědci, že na každou z jeho 30 či více bilionů buněk připadá minimálně jedna buňka mikrobiální. Vy a ani žádná jiná lidská bytost nejste izolovanou, samostatnou entitou, nýbrž obrovskou a neustále se měnící kolonií složenou z lidských a mimolidských buněk. Těmito buňkami jsou mikroskopické bakterie a houby, které žijí na nás i uvnitř nás a ovlivňují to, jak trávíme potravu a čelíme nemocem.Před 17. stoletím ale o existenci těchto neviditelných buněk neměl nikdo ani potuchy, natožpak o tom, že fungují na stejných základních principech jako všechny ostatní, viditelnější formy života.
V průběhu 18. a počátkem 19. století se mikroskopy i mikroskopické techniky zdokonalily a vědci brzy buňky nacházeli v nejrozmanitějších organismech. Někteří začali spekulovat, že se ze shluků těchto „animalkulí“, které Leeuwenhoek rozpoznal o několik generací dříve, skládají všechny rostliny i živočichové, a po dlouhém zrání se nakonec zrodila plnohodnotná buněčná teorie. V roce 1839 shrnuli botanik Matthias Schleiden a zoolog Teodore Schwann vlastní výzkumy i práce mnoha jiných badatelů a napsali: „Zjistili jsme, že všechny organismy se skládají z v podstatě podobných částí, totiž buněk.“
Věda dospěla k zásadnímu závěru, že buňka je základní stavební jednotkou života.
Důsledky tohoto zjištění se ještě prohloubily, když si biologové uvědomili, že každá buňka je sama o sobě živá. Tuto představu vystihl průkopnický patolog Rudolf Virchow, který v roce 1858 napsal, že „každý živočich je podle všeho sumou živých jednotek, přičemž každá z nich disponuje všemi charakteristikami života“.
To znamená, že všechny buňky jsou samy o sobě živé. Tento fakt biologové nejjasněji dokazují, když odebírají buňky z mnohobuněčného těla živočicha nebo rostliny a nechávají je žít ve skleněných nebo umělohmotných nádobách, často v takzvaných Petriho miskách s plochým dnem. Některé takto získané buněčné linie rostou v laboratořích po celém světě už desítky let. Vědcům umožňují studovat biologické procesy bez nutnosti potýkat se s komplexitou celého organismu. Buňky jsou aktivní, pohybují se, reagují na okolí a jejich obsah je neustále v pohybu. V porovnání s celým organismem, jako je zvíře či rostlina, může buňka vypadat jednoduše, ale je nepochybně živá.V buněčné teorii, tak jak ji formulovali Schleiden a Schwann, zůstala ale jedna důležitá mezera. Nepopisovala, jak vznikají nové buňky.
Tato mezera se zacelila, když biologové zjistili, že buňky se množí dělením, a usoudili, že vznikají vždy rozdělením již existující buňky na dvě dceřiné. Virchow tuto myšlenku zpopularizoval latinským rčením „omnis cellula e cellula“, tedy že každá buňka vzniká z buňky. Toto úsloví pomohlo čelit tehdy stále oblíbené, leč mylné představě, že život vzniká nepřetržitě a samovolně z neživé hmoty. To opravdu nevzniká.Buněčné dělení je základem růstu a vývinu všech organismů.
Je to první zásadní krok na cestě od uniformního oplozeného vajíčka živočicha v hroudu buněk, které se díky tomuto procesu posléze přemění ve vysoce komplexní a organizovanou živou entitu – embryo. Všechno to začíná u buňky, která se rozdělí a dá vzniknout dvěma buňkám, jež si mohou osvojit odlišnou identitu. Na stejném procesu stojí celý následný embryonální vývin
– opakující se buněčná dělení, po nichž dozráváním buněk do podoby stále specializovanějších tkání a orgánů vzniká čím dál propracovanější zárodek. Z toho plyne, že všechny živé bytosti, bez ohledu na velikost nebo složitost, povstávají z jediné buňky. Asi bychom si buněk vážili trochu víc, kdybychom si připomínali, že každý z nás býval kdysi jedinou buňkou. Opakovaný růst a dělení buněk je základem toho, jak život ve vší své bohatosti a rozmanitosti roste a vyvíjí se.Buněčné dělení vysvětluje také zdánlivě zázračný způsob, jímž se tělo samo uzdravuje.
Kdybyste se řízli o hranu této stránky, ránu by vám pomohlo zacelit – a zachovat tak tělesné zdraví – lokalizované buněčné dělení okolo řezu. Schopnost těla podnítit opakované buněčné dělení má ovšem i stinnou stránku: rakovinu. Rakovina je zapříčiněna nekontrolovaným růstem a dělením buněk, jejichž zhoubnost se může šířit a poškozovat celé tělo, nebo je i zahubit.
Růst, oprava, degenerace i zhoubnost souvisejí se změnami vlastností našich buněk, v nemoci i ve zdraví, v mládí i ve stáří. Ve skutečnosti lze většinu nemocí vysledovat až na úroveň špatného fungování buněk. Pochopení, co se v nich pokazilo, je základem vývoje nových léčebných metod.
Buněčná teorie nepřestává mít dopad na směřování biologického i lékařského výzkumu a zásadně ovlivnila i trajektorii mého vlastního života. Když se mé třináctileté já zadívalo do mikroskopu a spatřilo buňky ve špičce kořenu cibule, zmocnil se mě zájem o buňky a jejich fungování. Když jsem začínal jako biologický výzkumník, rozhodl jsem se studovat buňky, zejména pak to, jak se množí a regulují své dělení.Buňky, s nimiž jsem v 70. letech začal pracovat, byly kvasinky, o nichž si většina lidí myslí, že jsou dobré leda tak pro výrobu piva, vína nebo chleba, nikoli k řešení základních biologických problémů. Ve skutečnosti jsou však vynikajícími modelovými organismy pro pochopení, jak fungují buňky složitějších organismů.
Buňky kvasinek se pozoruhodně podobají rostlinným a živočišným buňkám. Jsou také malé, poměrně jednoduché, rychle rostou a jsou poměrně nenákladné, krmí-li se obyčejnými živinami. V laboratoři jsme je pěstovali buď volně plovoucí v tekutém živném médiu, nebo na povrchu agaru v plastové Petriho misce, kde vytvářejí krémově zbarvené kolonie o šířce pár milimetrů, přičemž každá kolonie obsahuje miliony buněk. Navzdory, nebo lépe řečeno díky své jednoduchosti nám kvasinky pomohly porozumět, jak se dělí buňky většiny organismů, včetně těch lidských. Poměrně hodně z toho, co víme o nekontrolovaném buněčném dělení rakovinných buněk, se nejprve zkoumalo na obyčejných kvasinkách.Buňky představují základní jednotky života. Jsou to individuální živé entity obklopené membránami, které jsou tvořeny lipidy. Nicméně tak jako najdeme v atomech elektrony a protony, obsahují i buňky mnoho menších součástí. Dnešní mikroskopy jsou velmi výkonné a biologové s jejich pomocí uvnitř buněk odhalují komplikované a často velice krásné struktury.
Těm největším, které jsou obalené svou vlastní membránou, se říká organely.
Řídícím centrem buňky je jádro (nucleus), které obsahuje genetické pokyny zapsané na chromozomech.
Dále zde najdeme mitochondrie, kterých mohou být v jediné buňce i stovky. Ty fungují jako miniaturní elektrárny, jež buňky zásobují energií potřebnou k růstu a přežití. Buňky obsahují ještě celou řadu schránek či přihrádek, jež plní sofstikované logistické funkce, budují, odbourávají nebo recyklují buněčné části, přepravují materiál do buňky i z ní a transportují jej na různá místa uvnitř ní.Všechny organismy ale nejsou založené na buňkách, které obsahují organely obalené membránou a složité vnitřní struktury.
Podle přítomnosti či nepřítomnosti jádra obklopeného membránou se život dělí do dvou hlavních větví. Organismy, jejichž buňky obsahují jádro, například živočichové, rostliny a houby, označujeme jako eukaryota. Těm bez jádra říkáme prokaryota a dělí se na bakterie a archea. Archea se co do velikosti a stavby podobají bakteriím, ale ve skutečnosti jsou si obě skupiny jen vzdáleně příbuzné. Z hlediska molekulárních pochodů se archea v některých ohledech podobají více eukaryotům, jako jsme my, než bakteriím.Kriticky důležitou součástí buňky, prokaryotické i eukaryotické, je její vnější membrána.
Ačkoli má tloušťku pouze dvou molekul, představuje pružnou „hradbu“ či bariéru, která každou buňku odděluje od jejího okolí, čímž určuje, co se nachází „uvnitř“ a co „vně“. Tato bariéra je klíčová z flozofckého i praktického hlediska. Koneckonců vysvětluje, jak živý svět úspěšně odolává všeobecnému tíhnutí vesmíru k neuspořádanosti a chaosu. Uvnitř izolujících membrán mohou buňky nastolit a rozvíjet řád, který potřebují, aby mohly fungovat. Současně vytvářejí ne-řád ve svém vnějším okolí. Takto se život vyhýbá porušování druhého termodynamického zákona.Všechny buňky detekují změny svého vnitřního stavu i stavu okolního světa a reagují na ně. Takže i když jsou oddělené od prostředí, v němž žijí, jsou se svým okolím v těsném kontaktu. Jsou také neustále aktivní a snaží se zachovávat stav svého vnitřního prostředí, které jim umožňuje přežívat a prosperovat. To mají společné s lépe pozorovatelnějšími tvory, například motýlem, kterého jsem sledoval jako dítě, a ostatně i s námi.
Buňky ve skutečnosti sdílejí mnoho základních rysů s nejrůznějšími živočichy, rostlinami a houbami. Rostou, množí se, zachovávají samy sebe a při vykonávání všech těchto činností působí, že jednají účelně: usilují o to vytrvat, zůstat naživu a rozmnožit se, ať se děje cokoli.
Všechny buňky, od bakterií, jež Leeuwenhoek našel na svých zubech, až po neurony, které vám umožňují číst tato slova, sdílejí uvedené vlastnosti se všemi živými bytostmi. Porozumění funkci buněk nás přivádí blíže pochopení, jak funguje život.Základem existence buňky jsou geny, k nimž se dostaneme v následující části. Geny kódují instrukce, které každá buňka používá k vybudování a uspořádání sebe sama. Při reprodukci buněk i organismů se tyto geny musejí předávat každé nové generaci.
