Evolutionary ecology combines aspects of various biological disciplines that where earlier distinct, such as evolutionary biology, immunology and parasitology. Evolutionary thinking has recently started to infiltrate into immunological research, establishing a new branch of investigation termed evolutionary and ecological immunology. This change in perspectives is potentially valuable both for basic research and practical applications in biomedicine as it may help to explain differences between individuals in their immune function. Understanding the circumstances of emergence and evolution of the immune system is also important from the point of view of zoological research of animal evolution and ecological investigation of relationships between organisms. This series of lectures devoted to evolutionary and ecological immunology links information on the immune system function (variability and redundancy of mechanisms, molecular polymorphism, constrains and failures of immunity) with the knowledge of principles and mechanisms of host-parasite/pathogen evolution. Where possible examples from biomedicine are provided and usage of the evolutionary ecology in classical immunology is mentioned. The concept of lectures allows students to gain basics of evolutionary biology even without previous experience in this discipline. The course is taught in English and only if at least 5 students are enrolled. In cases of ordered or recommended distance learning, the teaching of this course is realised through online presentations that are subsequently shared with the students through Moodle and/or Google Apps. The course begins in the week from 2rd October 2023.
Last update: Vinkler Michal, doc. RNDr., Ph.D. (20.09.2023)
Evoluční ekologie živočichů v sobě propojuje nejrůznější aspekty dříve oddělených biologických disciplín, včetně evoluční biologie, imunologie a parazitologie. Evoluční myšlení, které do imunologie v posledních letech nově proniká, dalo vzniknout novému oboru, tzv. evoluční a ekologické imunologii. Tato změna v pohledu na imunitu s sebou nese velký potenciál, a to jak pro základní imunologický výzkum, tak i pro rozvoj praktických aplikací v biomedicíně, jelikož umožňuje vysvětlit příčiny odlišností a rozmanitosti imunity mezi jedinci. Pochopení okolností vzniku a vývoje imunitního systému je také důležité z hlediska zoologického výzkumu evoluce živočichů a ekologického studia vztahů mezi organismy. Tato přednáška věnovaná evoluční a ekologické imunologii propojuje informace o fungování imunitního systému (rozmanitosti a redundanci mechanismů, molekulární variabilitě, omezeních a selháních funkčnosti) s poznatky o principech a mechanismech evoluce interakce hostitele s parazity, resp. patogeny. Tam, kde je to možné a účelné, má přednáška přesah do biomedicíny a uplatnění evolučně-ekologických poznatků v klasické imunologii. Koncept přednášky umožňuje studentům získat základy evoluční biologie i bez předchozí zkušenosti s tímto oborem. Přednáška je vyučována v angličtině, a to pouze pokud je zapsáno alespoň pět studentů. V případě nařízené či doporučené distanční výuky probíhá výuka formou online prezentace, která je následně se studenty sdílena prostřednictvím Moodle a/nebo nástrojů Google Apps. Kurz začíná v týdnu od 2.10. 2023.
Last update: Vinkler Michal, doc. RNDr., Ph.D. (20.09.2023)
Literature -
Main issues - Monographs
EVOLUTIONARY IMMUNOLOGY
Schmid-Hempel P (2021) Evolutionary Parasitology: The Integrated Study of Infections, Immunology, Ecology, and Genetics. Oxford University Press, ISBN: 9780198832140
Stearns SC, Koella JC (2008) Evolution in Health and Disease. Oxford University Press, ISBN: 978-0199207466
Gluckman P (2009) Principles of evolutionary medicine. Oxford University Press, ISBN: 978-0199236398
Perlman RL (2013) Evolution and medicine. Oxford University Press, ISBN: 978-0199661725
Thomas F, Guégan JF, Renaud F (2009) Ecology and Evolution of Parasitism: Hosts to Ecosystems. Oxford University Press, ISBN: 978-0199535330
Clayton DH, Moore J (1997) Host-Parasite Evolution: General Principles and Avian Models. Oxford University Press, ISBN: 978-0198548928
MOLECULAR EVOLUTION
Patthy L (2008) Protein Evolution. Bleckwell, ISBN: 978-1405151665
Lesk AM (2008) Introduction to Bioinformatics. Oxford University Press, ISBN: 978-0199208043
Yang Z (2014) Molecular Evolution: a Statistical Approach. Oxford University Press, ISBN: 978-0199602612
ECOLOGICAL IMMUNOLOGY
Malagoli D, Ottaviani E (2014) Eco-immunology: Evolutive Aspects and Future Perspectives. Springer, ISBN: 978-9401787116
Demas G, Nelson R (2011) Ecoimmunology. Oxford University Press, ISBN: 978-0199737345
Collinge SK, Ray C (2006) Disease Ecology: Community Structure and Pathogen Dynamics. Oxford University Press, ISBN: 978-0198567080
Morand S, Krasnov BR (2010) Biogeography of Host-Parasite Interactions. Oxford University Press, ISBN: 978-0199561346
Basic sciences - Textbooks
IMMUNOLOGY
Murphy K (2011) Janeway’s Immunobiology. Garland Science, ISBN: 978-0815342434
Abbas AK (2014) Basic immunology: functions and disorders of the immune system. Elsevier, ISBN: 9781455707072
Callahan GN, Yates RM (2014) Basic Veterinary Immunology. University Press of Colorado, ISBN: 978-1607322184
Male D, Brostoff J, Roth D, Roitt I (2006) Immunology. Mosby, ISBN: 978-0323033992
Hořejší V, Bartůňková J (2011) Základy imunologe. Triton, ISBN: 978-80-7387-280-9 (in Czech)
Ridley M (2003) Evolution. Bleckwell, ISBN: 978-1405103459
Flegr J (2009) Evoluční biologie. Academia, ISBN: 978-80-200-1767-3 (in Czech)
Basic sciences - Relax
EVOLUTIONARY BIOLOGY
Zimmer C (2001) Parasite Rex: Inside the Bizarre World of Nature's Most Dangerous Creatures. Atria Books, ISBN: 978-0743200110
Dawkins R (2006) The Selfish Gene. Oxford University Press, ISBN: 978-0199291151
Dawkins R (1999) The Extended Phenotype. Oxford Paperbacks, ISBN: 978-0192880512
Dawkins R (2010) The Greatest Show on Earth: The Evidence for Evolution. Free Press, ISBN: 978-1416594796
Ridley M (2003) The Red Queen. Harper Perennial, ISBN: 978-0060556570
Flegr J (2008) Frozen Evolution: Or, that's not the way it is, Mr. Darwin - Farewell to selfish gene. Univerzita Karlova, ISBN: 978-8086561738
Mihulka, Storch & Zrzavý (2004) Jak se dělá evoluce. Paseka, ISBN: 80-7185-578-2 (only in Czech)
Last update: Vinkler Michal, doc. RNDr., Ph.D. (20.09.2023)
Hlavní témata - Monografie
EVOLUTIONARY IMMUNOLOGY
Schmid-Hempel P (2021) Evolutionary Parasitology: The Integrated Study of Infections, Immunology, Ecology, and Genetics. Oxford University Press, ISBN: 9780198832140
Stearns SC, Koella JC (2008) Evolution in Health and Disease. Oxford University Press, ISBN: 978-0199207466
Gluckman P (2009) Principles of evolutionary medicine. Oxford University Press, ISBN: 978-0199236398
Perlman RL (2013) Evolution and medicine. Oxford University Press, ISBN: 978-0199661725
Thomas F, Guégan JF, Renaud F (2009) Ecology and Evolution of Parasitism: Hosts to Ecosystems. Oxford University Press, ISBN: 978-0199535330
Clayton DH, Moore J (1997) Host-Parasite Evolution: General Principles and Avian Models. Oxford University Press, ISBN: 978-0198548928
MOLECULAR EVOLUTION
Patthy L (2008) Protein Evolution. Bleckwell, ISBN: 978-1405151665
Lesk AM (2008) Introduction to Bioinformatics. Oxford University Press, ISBN: 978-0199208043
Yang Z (2014) Molecular Evolution: a Statistical Approach. Oxford University Press, ISBN: 978-0199602612
ECOLOGICAL IMMUNOLOGY
Malagoli D, Ottaviani E (2014) Eco-immunology: Evolutive Aspects and Future Perspectives. Springer, ISBN: 978-9401787116
Demas G, Nelson R (2011) Ecoimmunology. Oxford University Press, ISBN: 978-0199737345
Collinge SK, Ray C (2006) Disease Ecology: Community Structure and Pathogen Dynamics. Oxford University Press, ISBN: 978-0198567080
Morand S, Krasnov BR (2010) Biogeography of Host-Parasite Interactions. Oxford University Press, ISBN: 978-0199561346
Základní discipliny - Učebnice
IMMUNOLOGY
Murphy K (2011) Janeway’s Immunobiology. Garland Science, ISBN: 978-0815342434
Abbas AK (2014) Basic immunology: functions and disorders of the immune system. Elsevier, ISBN: 9781455707072
Callahan GN, Yates RM (2014) Basic Veterinary Immunology. University Press of Colorado, ISBN: 978-1607322184
Male D, Brostoff J, Roth D, Roitt I (2006) Immunology. Mosby, ISBN: 978-0323033992
Hořejší V, Bartůňková J (2011) Základy imunologe. Triton, ISBN: 978-80-7387-280-9 (in Czech)
Ridley M (2003) Evolution. Bleckwell, ISBN: 978-1405103459
Flegr J (2009) Evoluční biologie. Academia, ISBN: 978-80-200-1767-3 (in Czech)
Základní discipliny - Relaxační čtení
EVOLUTIONARY BIOLOGY
Zimmer C (2001) Parasite Rex: Inside the Bizarre World of Nature's Most Dangerous Creatures. Atria Books, ISBN: 978-0743200110
Dawkins R (2006) The Selfish Gene. Oxford University Press, ISBN: 978-0199291151
Dawkins R (1999) The Extended Phenotype. Oxford Paperbacks, ISBN: 978-0192880512
Dawkins R (2010) The Greatest Show on Earth: The Evidence for Evolution. Free Press, ISBN: 978-1416594796
Ridley M (2003) The Red Queen. Harper Perennial, ISBN: 978-0060556570
Flegr J (2008) Frozen Evolution: Or, that's not the way it is, Mr. Darwin - Farewell to selfish gene. Univerzita Karlova, ISBN: 978-8086561738
Mihulka, Storch & Zrzavý (2004) Jak se dělá evoluce. Paseka, ISBN: 80-7185-578-2 (only in Czech)
Last update: Vinkler Michal, doc. RNDr., Ph.D. (20.09.2023)
Requirements to the exam -
The course ends with a final examination. This examination has two parts: a written one and an oral one. The main aim of the course is not to force students to memorise all details but to help them understand the general principles. Therefore, the written part will take form of an essay on a chosen topic (if possible concerning the professional interests of the particular student; 1-2 pages long with 1.5 line spacing, ca. 700 words in total). The oral part of the examination will follow the written part and will be held in form of a discussion on the topic of the essay, setting the information into a general context. The discussion is collective; students are requested to prepare short introductory presentation (1 slide, 2-3 minutes) summarizing the content of the essay. In cases of ordered or recommended distance learning, depending on actual guidelines, the examination may take the form of an online videoconference. In these cases, the instructions will be provided to students by the course guarantor through SIS (message to all enrolled students) in a week advance.
Last update: Vinkler Michal, doc. RNDr., Ph.D. (06.09.2022)
Předmět je ukončen zkouškou, která má písemnou a ústní část. Jelikož se nejedná o základní přednášku, u které by bylo důležité zapamatování všech podrobností, ale smyslem je spíše docílit pochopení obecných principů a jejich využití pro vlastní práci studenta, písemná část zkoušky bude probíhat ve formě eseje na vybrané téma (tak, aby pokud možno zapadalo do tématu vlastní práce studenta; délka 1-2 strany s řádkováním 1,5, celkem cca. 700 slov). Ústní část zkoušky následuje po písemné části a proběhne formou pohovoru na téma eseje a její začlenění do širšího kontextu. Pohovor je veden formou společné diskuse; student si na úvod připraví krátkou prezentaci (1 slide, 2-3 minuty) shrnující obsah eseje. V případě nařízené či doporučené distanční formy výuky může být v souladu s aktuálními doporučeními zkouška realizována prostřednictvím videokonference. V těchto případech poskytne studentům instrukce k průběhu zkoušky garant předmětu prostřednictvím SIS (zpráva všem zapsaným studentům), a to nejméně s týdenním předstihem.
Last update: Vinkler Michal, doc. RNDr., Ph.D. (06.09.2022)
Syllabus -
Lesson 1. Introduction to evolutionary thinking in immunology and biomedical research
Outline of the lecture
Evolution in diseases and its implications for biomedical research
Definition of basic terms in evolutionary biology, immunology, epidemiology and parasitology that are needed to begin
Brief recapitulation of basic evolutionary principles
Evolutionary forces posing on the parasite
Interaction of parasite with host population
Basics of epidemiology and disease ecology
Lesson 2. Immune system as a complex system of protective layers
Immune system structure
Anti-parasite behaviour
Immune system s.str. (principles and mechanisms)
Brief phylogeny of immunological mechanisms
Strategies of immune defence
Specificity and adaptivity
Lesson 3. Immunologically relevant variation in animal genomes
Sources and types of genetic variability
What can be learnt from individual molecular markers
Human genetic variability
Interspecific and intraspecific genetic variability
Strategie imunologické obrany (optimální obrana, specifická vs. obecná imunita, konstitutivní vs. indukovaná obrana, optimální paměť, vliv délky života hostitele)
Specificita a adaptivita
3. Imunologicky relevantní variabilita v živočišných genomech
Zdroje a typy genetické variability
Co lze zjistit z jednotlivých molekulárních markerů
Lidská genetická variabilita
Mezidruhová a vnitrodruhová genetická variabilita
Variabilita mezi inbredními kmeny
Somatická genetická variabilita
Variabilita v adaptivní imunitě
Rakovina jako mikroevoluční proces
4. Koevoluce hostitel-parazit: drift a selekce
Heritabilita imunity
Genetický drift
Parazity zprostředkovaný přírodní výběr
Model Červené královny
Závody ve zbrojení
Podmínky koevoluce hostitele a parazita
Testování selekce
Selekce na ztrátu znaku
Koevoluce uvnitř proteinů a na dálku
Evoluční omezení
5. Koevoluce hostitel-parazit: udržování variability v imunitních genech
Polymorfismus v imunitních genech
Parazity zprostředkovaný přírodní výběr
Balancující selekce a její typy
Gene-for-gene model, Matching alleles model a kontinuum mezi nimi
Koncept kvalitativní a kvantitativní rezistence
Trans-species polymorfismus
6. Rovnováha mezi imunitou a imunopatologií
Parazity vyvolaná patogeneze - typy
Zánět
Vyčerpání odpovědi
Parazity indukovaná imunopatologie
Evoluční důsledky imunopatologie
Vztah mezi genotypem a imunopatologiemi
Evoluční příčiny imunopatologie a autoimunitních chorob
Princip trade-off a imunopatologie
Autoimunita a molekulární mimikry
Hygienická hypotéza vzniku alergií
7. Speciace, hybridizace a evoluce imunity
Typy speciace
Tlak parazitů na rozrůznění adaptací populací
Mezidruhová variabilita v imunologické obraně
Vztah hostitel-parazit ve fylogenezi
Efekt hybridizace
Konvergence v imunitě
8. Ekologická imunologie
Ekologické faktory ovlivňující imunitní funkci
Negenetická variabilita v imunitních funkcích (prostředí, maternální efekty)
Nákladnost imunologické obrany
Obligátní a fakultativní náklady
Rezistence vs. tolerance
Imunologické trade-offs
Imunokompetence
9. Fyziologické faktory ovlivňující imunitní funkce
Neuro-imunologické vztahy
Přímé a nepřímé efekty imunity na chování
Mikrobiota
Horečka
Hormony a imunita
Melatonin a biorytmy
Stres a pokles imunitní odpovídavosti
Testosteron
Imunologické rozdíly mezi pohlavími
10. Pohlavní výběr a evoluce anti-parazitární rezistence
Hypotézy "Dobrých genů" vs. "Komplementárních genů"
Výběr partnera na základě MHC
Hypotézy evoluce MHC variability
11. Vztah vnějších fenotypových znaků, zdraví a imunogenetiky
Čestnost signalizace zdraví
Ornamenty založené na karotenoidech jako modelový systém
Hypotézy o významu ornamentace v evoluci rezistence proti chorobám
Fyziologické dráhy spojující ornamenty se zdravím (Foraging ability hypothesis, Carotenoid trade-off hypothesis, Immunocompetence handicap hypothesis, Antioxidant role hypothesis, Oxidation handicap hypothesis, ‘Red herring‘ hypothesis, Carotenoid maintenance handicap hypothesis)
12. Evoluční kontext stárnutí a degenerativních chorob
Ontogeneze imunity
Fyziologické příčiny stárnutí
Stárnutí a imunosenescence
Možné evoluční příčiny stárnutí
Význam stárnutí a imunosenescence pro reprodukci
Terminal investment hypothesis
13. Závěrečný seminář
krátké prezentace studentských esejí a diskuse o nich
Předmět je vyučován za podpory projektu Zvýšení kvality vzdělávání na UK a jeho relevance pro potřeby trhu práce, reg.č. CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_015/0002362.
Last update: Vinkler Michal, doc. RNDr., Ph.D. (03.01.2026)
Learning outcomes -
After successful completion of this course, students will be able to:
Define and correctly use key terminology from evolutionary biology, immunology, epidemiology, parasitology, and disease ecology relevant to the study of host–parasite interactions.
Explain how evolutionary principles shape infectious disease dynamics and evaluate the importance of evolutionary thinking for biomedical, veterinary, and conservation research within the One Health framework.
Describe the immune system as a multilayered defence system and compare major immune strategies across vertebrate taxa in an explicit phylogenetic context.
Identify and distinguish different sources of immunologically relevant genetic variation, including germline, somatic, intraspecific, and interspecific variability, and assess their evolutionary significance.
Explain the roles of genetic drift and parasite-mediated natural selection in host–parasite coevolution and describe basic methods used to detect selection acting on immune-related genes.
Describe and contrast mechanisms maintaining immune gene polymorphism, types of balancing selection, including negative frequency-dependent selection, and trans-species polymorphism, and interpret gene-for-gene and matching-alleles models of host-parasite interactions.
Evaluate the evolutionary trade-offs between immune defence and immunopathology, shaping key immune processes including inflammation, autoimmunity, and tolerance to infections, and explain their relevance for host fitness and disease outcomes.
Discuss how speciation, hybridisation, and phylogenetic history influence immune system evolution and host–parasite interactions, including cases of convergence and divergence in immune traits.
Analyse how ecological and environmental factors shape immune function and distinguish between resistance and tolerance, explain the term immunocompetence within an eco-immunological framework.
Explain the interactions between the immune, nervous, and endocrine systems and assess how physiological factors such as stress, hormones, behaviour, and microbiota modulate and respond to immune responses.
Describe and evaluate models of parasite-mediated sexual selection, including good-genes and complementary-genes hypotheses, and explain the role of immunogenetic variation (e.g. MHC) in mate choice.
Critically assess hypotheses linking external phenotypic traits (ornamentation) to immune function and health, and integrate physiological, immunological, and evolutionary perspectives.
Explain the evolutionary context of ageing and immunosenescence, including life-history trade-offs, terminal investment, and the role of immunity and microbiota in ageing processes.
Integrate concepts from evolutionary biology, immunology, ecology, and physiology to critically interpret empirical studies and theoretical models in evolutionary and ecological immunology.
Last update: Vinkler Michal, doc. RNDr., Ph.D. (03.01.2026)
Po úspěšném absolvování tohoto kurzu budou studenti schopni:
Definovat a správně používat klíčovou terminologii z evoluční biologie, imunologie, epidemiologie, parazitologie a ekologie nemocí relevantní pro studium interakcí hostitel–parazit.
Vysvětlit, jak evoluční principy formují dynamiku infekčních onemocnění, a zhodnotit význam evolučního myšlení pro biomedicínský, veterinární a ochranářský výzkum v rámci konceptu One Health.
Popsat imunitní systém jako vícevrstevný obranný systém a porovnat hlavní imunitní strategie napříč taxony obratlovců v explicitním fylogenetickém kontextu.
Identifikovat a rozlišit různé zdroje imunologicky relevantní genetické variability, včetně variability germinální, somatické, vnitrodruhové a mezidruhové, a posoudit jejich evoluční význam.
Vysvětlit roli genetického driftu a parazity zprostředkovaného přírodního výběru v koevoluci hostitele a parazita a popsat základní metody používané k detekci selekce působící na geny související s imunitou.
Popsat a porovnat mechanismy udržující polymorfismus imunitních genů, typy balancující selekce, včetně negativně frekvenčně závislé selekce a mezidruhového polymorfismu, a interpretovat modely interakcí hostitel-parazit gen-for-gen a matching-alleles.
Zhodnotit evoluční trade-offs mezi imunitní obranou a imunopatologií, které formují klíčové imunitní procesy včetně zánětu, autoimunity a tolerance k infekcím, a vysvětlit jejich význam pro fitness hostitele a průběh onemocnění.
Diskutovat, jak speciace, hybridizace a fylogenetická historie ovlivňují evoluci imunitního systému a interakce hostitel–parazit, včetně případů konvergence a divergence imunitních znaků.
Analyzovat, jak ekologické a environmentální faktory formují imunitní funkce, rozlišit mezi rezistencí a tolerancí a vysvětlit pojem imunokompetence v rámci ekoimunologického přístupu.
Vysvětlit interakce mezi imunitním, nervovým a endokrinním systémem a posoudit, jak fyziologické faktory, jako jsou stres, hormony, chování a mikrobiota, modulují imunitní odpovědi a reagují na ně.
Popsat a zhodnotit modely parazitem zprostředkované pohlavní selekce, včetně hypotéz „dobrých genů“ a „komplementárních genů“, a vysvětlit roli imunogenetické variability (např. MHC) ve výběru partnera.
Kriticky posoudit hypotézy propojující vnější fenotypové znaky (ornamentaci) s imunitní funkcí a zdravotním stavem a integrovat fyziologické, imunologické a evoluční perspektivy.
Vysvětlit evoluční kontext stárnutí a imunosenescence, včetně trade-offs životních strategií, terminální investice a role imunity a mikrobioty v procesech stárnutí.
Integrovat koncepty evoluční biologie, imunologie, ekologie a fyziologie ke kritické interpretaci empirických studií a teoretických modelů v evoluční a ekologické imunologii.
Last update: Vinkler Michal, doc. RNDr., Ph.D. (03.01.2026)