Jedną z tajemnic biologii ewolucyjnej jest istnienie grup
eukariotycznych zwierząt (zwierząt z prawdziwymi komórkami), które wydają się rozmnażać bezpłciowo. Wśród nich, jak opowiada pierwszy z pokazanych poniżej artykułów, który opublikowano w zeszłym roku, są niektóre
małżoraczki, roztocze i straszyki.
Największą jednak tajemnicą ze wszystkich jest grupa, którą badano od lat (pierwszego osobnika opisał w 1677 roku van Leewenhoek): wrotki bdelloidea, podgrupa wrotków (wrotki stanowią typ), o których sądzono, że nigdy nie uprawiają seksu. Laine i in., autorzy drugiego artykułu poniżej, oceniają, że przez lata biolodzy zbadali co najmniej pół miliona osobników i nie znaleźli ani jednego samca. Ani nie widziano kopulacji, ani też niczego, co wyglądało jak seks. Wszystkie osobniki w tej grupie są samicami, które produkują jaja przez partenogenezę (rozmnażanie bezpłciowe). Ta grupa liczy sobie około dziesięciu milionów lat i seks był własnością jej przodków, co widzimy, ponieważ wszyscy ich krewni rozmnażają się płciowo, a więc można wywnioskować, że wrotki bdelloidy utraciły seks. Ale dlaczego? Kto wie? Tutaj zajmujemy się sprawą, czy naprawdę są – jak twierdzą wszystkie podręczniki - całkowicie aseksualne.
Wrotki są małe, ale wielokomórkowe i posiadają, mimo że dochodzą do zaledwie kilku dziesiątych milimetra długości, “zwoje nerwowe, mięśnie, układy trawienny, reprodukcyjny i wydalniczy; światłoczułe i dotykowe narządy zmysłów i struktury do czołgania się, żerowania i pływania”. (z Laine et al.)
Tak wyglądają – jest to osobnik Adineta vaga, przedmiot pierwszego badania wymienionego poniżej:
Czy są rzeczywiście całkowicie aseksualne? Gdyby tak było, byłaby to ewolucyjna zagadka , jeśli bowiem nie możesz rozmnażać się przez mieszanie genów z genami innych osobników, nie możesz łączyć adaptacji zachodzących w różnych osobnikach, a to hamuje ewolucję. Załóżmy, że jedna samica ma mutację na tolerowanie gorąca, a inny osobnik na tolerancję soli. Jeśli twoje środowisko stanie się gorące i słone, płciowe jednostki mogą kojarzyć się i otrzymać potomstwo z obydwoma genami; ta kombinacja nie może się jednak zdarzyć pod nieobecność seksu.
Sądzi się więc, że aseksualność jest ewolucyjnym “ślepym zaułkiem” i większość takich linii nie prosperowała zbyt dobrze w czasie ewolucyjnym, zazwyczaj wymierając. (pochodzenie płci jest także tajemnicą, bo jeśli rozmnażasz się przez partenogenezę, możesz zostawić dwukrotnie więcej potomstwa niż ci, którzy przekazują potomstwu tylko połowę swoich genów. Tę zagadkę, nazywaną “kosztem płci”, zostawimy jednak na boku.)
Faktem jest, że niemal wszystkie gatunki zwierząt i większość roślin mają płeć, a kiedy raz już ją masz, ewolucyjnie jest sensowne trzymać się tego.
Dlaczego jednak bdelloidy przetrwały tak długo?
Jedną propozycją jest ta, którą popierają pewne dane genetyczne sprzed około dziesięciu lat, że w rzeczywistości uprawiają seks potajemnie – są, by zaczerpnąć terminologii od ewolucjonisty, Johna Maynarda Smitha, “ukradkowymi seksmaniakami”. Problem polega na tym, że jeśli to jest prawda, jak te dwa nowe artykuły sugerują, to GDZIE SĄ TE CHOLERNE SAMCE? No cóż, nie wiemy i nie wiedzą tego również autorzy obu artykułów.
W obu pracach (drugi artykuł jeszcze nie jest opublikowany) użyto sekwencjonowania DNA, by zobaczyć ślady płci w genomie. W pierwszej (kliknij na link pod zrzutem z ekranu, pdf jest tutaj) zsekwencjonowano pełne genomy 11 osobników A. vaga.
W drugim, z bioRχiv (pdf jest tutaj), zrobiono to samo, ale użyto mniej izolatów i badano inny gatunek wrotków: Macrotrachella quadricornifera. Może rozpoznajecie nazwisko ostatniego autora, Matta Meselsona, bardzo słynnego biologa, którego praca z 1958 r. razem z Frankiem Stahlem (nazywana “najpiękniejszym eksperymentem w biologii”) pokazała, że DNA replikuje się przez rozwinięcie i zsyntetyzowanie nowej pojedynczej nici na każdej z nierozwiniętych, oryginalnych nici („semikonserwatywna replikacja”). Powinni byli za to dostać Nagrodę Nobla i nie rozumiem, dlaczego nie dostali.
A teraz jest o 63 lata później i Matt (niesłychanie miły facet) nadal działa, ale teraz bada płeć wrotków jako nową dziedzinę. Płodne umysły znajdują płodne dziedziny badań.
Oba badania sugerują, każde w inny sposób, że wrotki jednak uprawiają seks, bowiem genetyczne wzory wskazują, że różne osobniki rekombinowały swoje geny. Ukradkowy seks nie jest częsty – raz na 10 do 100 pokoleń, jak oceniono w pierwszym badaniu, i przynajmniej jedno seksualne wydarzenie w ostatnich 100-200 pokoleń w drugiej próbie.
Genetyczne dane sugerujące mejozę (tworzenie się gamet) i rekombinację, które są cechami płciowego rozmnażania, obejmują te obserwacje:
a.) Występowanie genotypów (kombinacji genów) w proporcjach “Hardy’ego-Weinberga”, co może zdarzyć się tylko przy płciowym rozmnażaniu.
b.) Wzór mieszania genów wzdłuż chromosomów tak, że im dwa geny są dalej od siebie na chromosomie, tym większe prawdopodobieństwo, że nie są związane ze sobą. To jest wzór, jakiego można oczekiwać przy płciowym rozmnażaniu, bo klony pokazują pełen związek genów wzdłuż chromosomu, jako że nie zachodzi rekombinacja. Rekombinacja rozłamuje geny na chromosomie i im dalej od siebie są geny, tym częściej to dzieje się.
c.) Różne kombinacje genów pokazują inne “drzewa rodowe”, czego nie wyjaśnia rozmnażanie przez klony, ponieważ skoro wszystkie geny są trwale zamrożone w jednym genomie, powinny wszystkie ewoluować przez mutacje i dobór, a więc pokazywać to samo drzewo rodowe.
d.) W drugiej pracy, pojawienie się wzorów genetycznego zróżnicowania, które czyni, że różne klony wydają się być genetycznymi krewnymi stworzonymi przez rozmnażanie płciowe. Ten wzór: wrotki z różnych miejsc podzielają duże odcinki DNA w wielu miejscach w genomie, ale nie w wielu innych miejscach, którego to wzoru oczekujemy przy rekombinacji podczas seksu, ale nie przy rozmnażaniu przez klony.
Istnieją jeszcze dwa inne procesy, które w zasadzie mogą dawać pozory rozmnażania płciowego: horyzontalny transfer genów (HGT), w którym wektory takie jak wirusy lub bakterie przenoszą DNA od jednego osobnika do drugiego. To może tworzyć wzory wskazujące na seks, ale nie ma w tym tworzenia gamet i łączenia się ich w zygoty.
Drugim procesem jest konwersja genów, w której jeden gen może zamienić drugą swoją kopię na siostrzanym chromosomie we własny typ. Nie będę wchodził we wszystkie drastyczne szczegóły, ale autorzy obu prac mają dość mocne argumenty o tym, jak te dwa nie seksualne procesy NIE MOGĄ wyjaśnić danych w sekwencjach DNA.
Ta grupa nie jest podobna do zwierząt, które muszą mieć seks w każdym pokoleniu: wrotki bdelloidy zazwyczaj rozmnażają się przez klonowanie, ale wydaje się że z rzadka uprawiają seks. Wielkim pytaniem, postawionym powyżej, jest: jeśli rzeczywiście mają seks, a na to wygląda, to gdzie są samce? Czy istnieje jakiś ukryty sposób, w który może zachodzić seks bez tego, byśmy byli w stanie znaleźć samce? Laine i in. mówią, że samce mogą pojawiać się bardzo rzadko, może “tylko w krótkich okresach rozkwitu [szybkiej ekspansji] populacji, co wymaga częstego pobierania próbek, by je wykryć”.
Tak więc, jak to często zdarza się, tajemnica pogłębiła się. Nadal nie wiemy dlaczego te wrotki rozmnażają się głównie przez klonowanie i nadal nie widzieliśmy samców, ale sądzimy, że od czasu do czasu uprawiają seks. Po prostu nie wiemy, jak. ALBO może istnieć jakiś tajemniczy sposób mieszania genów z innymi osobnikami bez HGT lub konwencjonalnego seksu.
Jeśli chodzi o bezpłciowe małżoraczki, roztocze i straszyki, no cóż, nikt ich tak dokładnie nie badał.
________________
Vakhrusheva, O.A., Mnatsakanova, E.A., Galimov, Y.R. et al. Genomic signatures of recombination in a natural population of the bdelloid rotifer Adineta vaga. Nat Commun 11, 6421 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19614-y
Why Evolution Is True, 18 kwietnia 2021
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
