Od pewnego czasu wiadomo, że wiele gatunków, włącznie z kilkoma kręgowcami, może rozmnażać się bezpłciowo. Oczywiście jednak, żeby to zobaczyć, trzeba trzymać zwierzęta w laboratorium i zobaczyć, czy mają potomstwo bez uprzedniego kojarzenia się. Ale
nowy artykuł w “Current Biology” Andrew Fieldsa i in. (odnośnik poniżej, link tylko do streszczenia) jest pierwszym doniesieniem o kręgowcach, które zrobiły to
w stanie dzikim.
Najpierw krótka uwaga. Biolodzy nie rozumieją właściwie, dlaczego zwierzęta w ogóle mają seks, bo w większości warunków osobnik zostawiłby więcej genów, rozmnażając się
partenogenetycznie(bez seksu), niż przez rozmnażanie płciowe. Jeśli wypączkowujesz organizm diploidalny (taki, który ma wszystkie pary twoich chromosomów) zamiast tworzyć jajeczko lub plemnik (mające tylko połowę twoich chromosomów) do zlania się z inną gametą, pozostawiasz potomstwo, które ma wszystkie twoje geny. To samo, kiedy produkujesz potomstwo z niezapłodnionego jajeczka, które ma wszystkie twoje chromosomy, zamiast tylko połowę.
Jeśli jednak masz seks, rozcieńczasz swój genetyczny wkład o połowę: potomstwo ma połowę genów od ciebie i połowę od twojego partnera.
Tak więc, każdy gen, który skłania cię do partenogenezy, pozostawi znacznie więcej swoich kopii niż taki, który skłania cię do rozmnażania płciowego. W rzeczywistości pozostawiłby dwukrotnie więcej kopii i zalałby populację. Populacja składałaby się tylko z osobników rozmnażających się bezpłciowo. Ten genetyczny deficyt nazywa się „dwukrotnym kosztem seksu”.
Ponieważ jednak olbrzymia większość gatunków, które nie są mikrobami, rozmnaża się płciowo, to dlaczego to robią? Musi istnieć olbrzymia korzyść (przynajmniej dwukrotna w stosunku do partenogenezy), by wyjaśnić powszechność rozmnażania płciowego.
Istnieje kilka hipotez, a niektóre z nich mają poparcie empiryczne; na przykład, koncepcja, że rozmnażanie płciowe, dzięki mieszaniu genów dwóch osobników, daje elastyczność genetyczną, by przeciwdziałać ewolucji innych organizmów, takich jak pasożyty, które nieustannie adaptują się do pasożytowania. Korzyść z tego musi być jednak, jak powiedziałem, ogromna, żeby przeciwważyć podwójny koszt rozmnażania płciowego. Inne wyjaśnienie mówi, że po prostu gatunek przodków przezwyciężył ten problem, a kiedy raz zaczynasz rozmnażać się płciowo, bardzo jest trudno powrócić do partenogenezy pod względem fizjologicznym i rozwojowym. (Na przykład ludzie w żaden wyobrażalny sposób nie mogą rozmnażać się bezpłciowo – oczywiście poza jedną mityczną kobietą!)
Jedno zastrzeżenie: jeśli produkujesz haploidalne potomstwo, które ma tylko połowę twoich genów (odpowiednik niezapłodnionego jajeczka), to nie zyskujesz reprodukcyjnych korzyści (według tego, co wiem). Takie potomstwo jest genetycznie takie samo – pod względem potencjału genetycznego – jak potomstwo przy rozmnażaniu płciowym, ponieważ każdy potomek ma tylko połowę twojego genomu.
Nie sądzę, by ludzie zdawali sobie sprawę z tego, że rozmnażanie płciowe jest właściwie zagadką ewolucyjną – jedną z największych zagadek, jakie mamy. Wiemy jednak, że pewne organizmy, które normalnie rozmnażają się płciowo, mogą w pewnych warunkach przejść na partenogenezę. Artykuł Fielda i in. podaje streszczenie danych:
Partenogeneza fakultatywna – zdolność rozmnażających się płciowo gatunków do sporadycznego wyprodukowania potomka bezpłciowo – znana jest u szerokiego wachlarza kręgowców w niewoli, które normalnie rozmnażają się płciowo, włącznie z ptakami, gadami i rekinami. Mimo tego nigdy nie zaobserwowano partenogenezy u żadnego z tych taksonów w stanie dzikim, chociaż niedawno odkryto dwa wolno żyjące węże, z których każdy miał jednego partenogenetycznego potomka – jednego mokasyna miedzianogłowca (Agkistrodon contortrix) i jednego mokasyna błotnego (Agkistrodon piscivorus).
Łatwo zobaczyć, że jeśli potrafisz przejść od rozmnażania płciowego do bezpłciowego, mądrze byłoby to zrobić, kiedy gęstość populacji jest niska i możesz mieć kłopoty ze znalezieniem partnera. W ten sposób pozostawisz jednak jakieś geny. Jeśli jednak potrafisz to robić, to po co w ogóle zawracać sobie głowę seksem? Musi istnieć jakaś korzyść rozmnażania płciowego, której nie znamy.
Wróćmy jednak do artykułu. Autorzy badali bardzo rzadką rybę piłę drobnozębną (Pristin pectinata), subtropikalną rybę Atlantyku i Morze Śródziemnego, która jest krytycznie zagrożona wyginięciem. Tutaj jest ta ryba z Wikipedii z Georgia Aquarium:
Są duże, czasami dochodzą do 7 metrów długości. Na diabła im jednak ta piła (rostrum)? Według Wikipedii służy ona jako narzędzie do wykrywania i manewrowania zdobyczą, jak również do obrony przed atakiem:
Niedawne badania pokazały jednak, że piła drobnozębna używa swojego rostrum zarówno do wyczuwania, jak manewrowania zdobyczą.
Piła piły drobnozębnej składa się z tysięcy narządów czuciowych, które pozwalają rybom na wykrycie i monitorowanie ruchów innych organizmów przez mierzenie wydzielanego przez nie pola elektrycznego. Te narządy czuciowe, zwane także ampułkami Lorenziniego, są upakowane najgęściej na grzbietowej części piły. Pozwala to rybie tworzyć trójwymiarowy obszar ponad sobą, nawet w wodach o niskiej widzialności. Dostarcza to wsparcia zachowaniom żyjącym przy dnie pił drobnozębnym. Używając swoich pił jako wysuniętego narzędzia, piły drobnozębne mogą „oglądać” całe swoje otoczenie przez zachowywanie pozycji nisko przy dnie morskim.
Piła drobnozębna odsłania żyjące w piasku skorupiaki i mięczaki, dwa typowe rodzaje zdobyczy, używając swojej wyjątkowej struktury anatomicznej jako narzędzia do kopania i grzebania w piasku lub błocie.
Dlaczego są one zagrożone, skoro nikt ich nie je? Wikipedia informuje: „Piły drobnozębne są niezmiernie wrażliwe na nadmierne połowy ze względu na ich skłonność do zaplątywania się w sieci, ograniczone siedliska i niskie tempo wzrostu populacji”.
Choć obserwowano je, jak rozmnażały się płciowo w akwariach, autorzy odkryli badając dzikie piły drobnozębne, że mogą także rozmnażać się przez partenogenezę. Mogą to robić na dwa sposoby genetyczne: wydając haploidalnego potomka (prawdopodobnie niezapłodnione jajeczko, które rozwija się w dorosłego osobnika) i diploidalnego potomka (co może być wynikiem zlania się dwóch z czterech wytworów mejozy, dając diploidalne jajeczko, które także dorasta do dorosłości).
W jaki sposób odkryli to? Nie przez obserwację, ponieważ mieli do czynienia z dzikimi osobnikami, ale dzięki genetyce. Schwytali 190 ryb na wybrzeżach Florydy i uwolnili je po pobraniu próbek krwi lub tkanki.
Badali 40 zmiennych genów (genów V) i sprawdzali, czy każdy osobnik miał dwie kopie (tj. dwa różne „allele” lub postaci genu w tym miejscu) czy tylko jedną. W populacji rozmnażającej się płciowo bez chowu wsobnego, jednostki często mają różne postaci genów w pewnych loci („heterozygotyczne”), a niektóre tę samą postać genu („homozygotyczne”). Na przykład te, które mają grupę krwi AB mają dwa różne allele na locus grupy krwi Landsteinera, podczas gdy te, które mają grupę krwi 0, mają dwa podobne allele.
Podobieństwo genów w każdym osobniku wyrażono przez miarę IR (“internal relatedness” – wewnętrznego spokrewnienia), która byłaby bliska zeru, jeśli rodzice tego osobnika są genetycznie niespokrewnieni (u potomstwa będzie mnóstwo heterozygotyczności), ale bliska 1, jeśli osobnik jest albo haploidalny (ma tylko jedną kopię każdego genu, więc heterozygotyczność jest zerowa) lub jeśli rodzice są bardzo blisko spokrewnieni, jak zdarzy się po wielu pokoleniach intensywnego chowu wsobnego, co jest bardzo mało prawdopodobne u tej ryby.
Oto co odkryli z histogramem wartości IR poniżej zdjęcia ryby:
Proszę zauważyć, że wykres jest bimodalny: olbrzymia większość wartości IR jest niska, ale siedem osobników (w ramkach po prawej stronie) ma bardzo wysokie wartości IR. Dwa z nich nie wykazały żadnej zmienności genetycznej, pozostałych pięć miały zmienność tylko w jednym lub dwóch genach, jakie badano. Wszystkie te osobniki o wysokiej wartości IR były samicami, jak oczekuje się przy partenogenezie (nie wiem, jak determinowana jest płeć u tej ryby, ale jeśli jest jak inne systemy XY, ryby musiałyby być samicami, bo byłyby albo XX, albo X0, ponieważ partenogenetyczny rodzic, samica, nie miała chromosomu Y.)
Autorzy wnioskują, że dwie ryby całkowicie bez zmienności są haploidalnym wynikiem partenogenezy, co byłoby pierwszym znakiem (patrz powyżej) kręgowca rozmnażającego się w stanie dzikim bez seksu. (Jest kilka ryb, które rozmnażają się przez partenogenezę, ale wymagają zapłodnienia od samca, chociaż plemniki mają funkcję czysto rozwojową i jego chromosomy nie wchodzą do potomstwa.)
A co z tymi pięcioma rybami, które były homozygotyczne pod względem niemal wszystkich swoich genów, ale zmienne w jednym lub dwóch? Autorzy stawiają hipotezę, że jest to partenogeneza automiktyczna: matka miała pewne geny heterozygotyczne i kiedy wyprodukowała jajeczka (co normalnie obejmuje wytworzenie czterech haploidalnych prekursorów jaj, dwa z nich zlały się, by wytworzyć haploidalne jajeczko. Te dwa, które zlały się, były niemal identyczne, ponieważ były złączonym produktem prostego podziału komórkowego jednej komórki haploidalnej, ale mogła tam nastąpić rzadka „rekombinacja” z nieidentycznym ciałkiem biegunowym przed tym zlaniem się.
Tak więc ten kręgowiec czasami rozmnaża się bezpłciowo. Oczywiście, byłoby to adaptacyjne u gatunków nisko zagęszczonych, jak ten, bo lepiej jest pozostawić jakieś geny niż żadne.
Czy autorzy mają rację zakładając, że odkryli rozmnażanie bezpłciowe po prostu oglądając geny potomstwa? Biorąc pod uwagę bimodalność powyższego wykresu i żadnych oznak chowu wsobnego w tym gatunku (w takim wypadku wszystkie osobniki miałyby wysoką wartość IR) sądzę, że mają rację. Otwiera to możliwość - jeśli bada się wiele zmiennych genów – zobaczenia, jak często rozmnażanie bezpłciowe zdarza się w naturze i czy, jak się oczekuje, zdarza się częściej w populacjach o niskim zagęszczeniu.
Pragnąłbym, by autorzy zrobili jedną rzecz, która jest trudna i prawdopodobnie niemożliwa w tym gatunku, a jest to analiza chromosomowa komórek. Te przypuszczalnie haploidalne osobniki miałyby tylko połowę normalnej liczby chromosomów, podczas gdy diploidalne miałyby normalną liczbę chromosomów. To uczyniłoby ich tezę niepodważalną, ale i tak uważam, że ich wnioski są solidne.
Jedynym pozostającym pytaniem dla tej grupy jest, czy Maria mogła rozmnożyć się w tej sposób – nie sądzę, by jakiś szalony religiant użył tego jako przykładu wyjaśnienia, jak dziewica może mieć potomka. Problemem, oczywiście, pozostaje to, że gdyby Maria rozmnożyła się w ten sposób, Jezus musiałby albo być płci żeńskiej, albo haploidalnym osobnikiem z chromosomami XO, co daje niską kobietę z dysgenezją gonad (co powoduje sterylność) i z płetwiastością szyi. (W tym wypadku litera „H” w Jesus H. Christ mogłaby oznaczać “haploid”). Ponieważ Nowy Testament nie wspomina o żadnej takiej deformacji, historia Jezusa jest mitem.
_______
Fields, A. T. et al. 2015. Facultative parthenogenesis in a critically endangered wild vertebrate. Current Biology 25:R446-447.
A miracle sawfish born of a virgin mother
Why Evolution Is True, 4 czerwca 2015
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
