Twoja wyszukiwarka

JERZY KLAG
PO CO NAM PŁEĆ?
Wiedza i Życie nr 11/1999
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 11/1999

ISTNIENIE DWU PŁCI U LUDZI WYDAJE SIĘ OCZYWISTE. JEDNAK ODPOWIEDŹ NA PYTANIE, JAKĄ ROLĘ W EWOLUCJIODGRYWA ROZMNAŻANIE PŁCIOWE, OD DZIESIĄTKÓW LAT NURTUJE NAUKOWCÓW.

Fot. Corel

Dla ludzi rozmnażanie płciowe jest jedynym sposobem, aby mieć dzieci, i, jak się wydaje, taki jest cel wszystkich biologicznych zjawisk, zwanych płciowością. Ponieważ fakt ten wydaje się oczywisty, dopiero pod koniec XIX w. zauważono, że z rozmnażaniem wiążą się pewne zagadki. Wynikały one z tego, iż poznano wiele lepszych, wydajniejszych sposobów reprodukcji. Pierwotniaki rozmnażają się przez podział na dwie komórki potomne; robaki pączkują czy rozdzielają się na wiele fragmentów; truskawki wyrastają z rozmnóżek; wierzby rosną z odszczepionych gałązek, mniszek lekarski wytwarza bez procesu płciowego nasiona; dziewicze mszyce rodzą dziewicze córki, które są już ciężarne w chwili urodzenia itd. ...

EWOLUCYJNY POKER

Na czym właściwie polega problem? Płciowość prowadzi do powstawania organizmów, mających nowe kombinacje genów. Mechanizmy, będące podstawą zjawiska płciowości, tasują talię genów danego gatunku, tak jak gracz tasuje talię kart. Płciowość nie jest równoznaczna z rozmnażaniem. Różnicę pomiędzy tymi pojęciami najlepiej można zrozumieć, obserwując orzęski. Proces płciowy tych pierwotniaków zachodzi najczęściej w trakcie tzw. koniugacji, kiedy to łączą się ze sobą dwa osobniki i wymieniają nawzajem materiał genetyczny. Po zakończeniu tej wymiany, czyli po procesie płciowym, orzęski oddzielają się i każdy udaje się w swoją stronę. Nie mamy tutaj do czynienia z rozmnażaniem, ponieważ po takim chwilowym połączeniu liczba osobników nie zwiększa się. Koniugację rozpoczynają i kończą te same dwa osobniki. Te same, ale nie takie same. Na tym przykładzie widać, że płciowość powoduje zmianę w jakości komórek, podczas gdy rozmnażanie zwiększa ich liczbę.

U zwierząt wielokomórkowych płciowość łączy się jednak z rozmnażaniem bardzo ściśle i dlatego zgódźmy się mówić o rozmnażaniu płciowym, jeśli w jego efekcie następuje mieszanie genów, i o rozmnażaniu bezpłciowym, jeśli mieszanie genów nie występuje.

RODZAJE ROZMNAŻANIA

Skoro tak wiele gatunków rozmnaża się płciowo, tzn., że jest to cechakorzystna. Spróbujmy się więc zastanowić, dlaczego?

Przez ostatnie 100 lat nauczano, że mieszanie genów jest korzystne dla ewolucji, ponieważ zapewnia różnorodność wśród osobników danego gatunku. Uważano, że rozmnażanie płciowe przyspiesza ewolucję, pozwalając na szybkie przystosowanie się gatunku do zmiennych warunków środowiska. Angielski biolog Graham Bell nazwał ten sposób wytłumaczenia przewagi rozmnażania płciowego nad bezpłciowym teorią "wikariusza z Bray". Wikariusz, o którym mowa, odznaczył się tym, że kilkakrotnie zmieniał religię w zależności od wyznawanej przez panującego władcę. Owa teoria ewolucji płciowości bardzo długo była uważana za prawdziwą. Dopiero w latach trzydziestych zaczęto sobie zdawać sprawę, że jest błędna. Traktuje ona ewolucję jak konieczność, jakby gatunki istniały po to, by ewoluować, jakby ewolucja była celem istnienia. Teraz wiemy, że to nieprawda. Ewolucja jest czymś, co przytrafia się gatunkowi. To jest proces bezkierunkowy, w wyniku którego pojawiają się osobniki bardziej skomplikowane, a czasami uproszczone, a najczęściej nie zmieniają się wcale.

Pytanie, do czego służy rozmnażanie płciowe, od wielu lat nurtuje naukowców. Problem nabiera szczególnego znaczenia, jeśli zdamy sobie sprawę, jak wiele organizmów może efektywnie rozmnażać się na drodze bezpłciowej, np. pokazane na zdjęciach pierwotniaki, truskawki czy wierzby

Fot. Paweł Słomczyński

Niemniej jednak bezustannie starano się wykazać, że ewolucja jest jednak bardzo istotna dla gatunku. I tak w 1965 roku Crew i Kimura stworzyli matematyczny model i obliczyli, o ile szybciej korzystne mutacje rozprzestrzenią się w populacji dwupłciowej niż w rozmnażającej się bezpłciowo. Pokazali oni, iż rozmnażanie płciowe daje przewagę nad bezpłciowym, pod warunkiem, że liczba osobników przekroczy 1000. Wszystko zostało pięknie udowodnione i sprawę zamknięto.

W kilka lat później jednakże niektórzy badacze zaczęli wracać do samej idei Darwina, który wprawdzie pisał o przeżywaniu najlepszych ras, ale uważał, że dobór "pracuje" na poziomie jednostek, a nie gatunków czy populacji. Wychowywani na teorii "wikariusza z Bray" nauczyliśmy się myśleć o walce o byt w kategoriach współzawodniczących zespołów. Wydaje nam się, że walka o byt to walka pomiędzy dinozaurami a ssakami, niedźwiedziami polarnymi a fokami. Tymczasem to nie gatunki walczą pomiędzy sobą, ale poszczególne osobniki. Te sprawniejsze lepiej sobie radzą w życiu i zostawiają więcej potomstwa, innym natomiast gorzej się powodzi i mają mniej potomstwa albo nie posiadają go wcale. Dzięki temu geny osobników sprawniejszych są przekazywane dalszym pokoleniom w większej liczbie kopii.

Jeśli antylopa nie chce być zjedzona przez geparda, to przed nim ucieka, ale dla przetrwania wystarczy, że jest szybsza i zwinniejsza od innych antylop, a niekoniecznie od geparda.

Tak więc najostrzejsza walka o byt toczy się wśród przedstawicieli tego samego gatunku. Większość biologów zgadza się też z poglądem, że w przyrodzie nie ma zwierząt poświęcających się dla dobra gatunku. Jeśli jakaś cecha sprawia, iż osobnikowi posiadającemu tę cechę powodzi się lepiej, tzn., że jest ona korzystna i będzie liczniej reprezentowana w następnych pokoleniach.

CZY WARTO MIEĆ PŁEĆ?

Czy rzeczywiście seksualnym osobnikom powodzi się lepiej niż aseksualnym? Jeśli nie, tzn., że płciowości nie da się wyjaśnić selekcją indywidualną. Tradycyjne wytłumaczenie dla istnienia płciowości, jaką stanowi teoria "wikariusza z Bray", opiera się na doborze grupowym. Według niego, osobnik musi altruistycznie podzielić się połową swoich genów z innym osobnikiem przy rozmnażaniu, bo w przeciwnym razie gatunek nie będzie miał szansy ewoluowania i po jakimś czasie zostanie wyparty przez gatunek, który składa się z osobników dzielących się nawzajem swymi genami. Im dłużej uczeni nad tym się zastanawiali, tym bardziej nie mogli dopasować płciowości do doboru osobniczego.

Problem polega na tym, że osobniki aseksualne rozmnażają się dwa razy wydajniej niż płciowe. Wyobraźmy sobie dwie samice, z których jedna przeszła mutację, w wyniku której jej jaja rozwijają się bez zapłodnienia w płodne samice (czyli zaczęła się rozmnażać dzieworodnie), a druga składa jaja w tradycyjny sposób, po zapłodnieniu przez samca. Obie składają po 4 jaja. Samica seksualna zostawiła więc czterech potomków; zgodnie z rozkładem statystycznym najczęściej będą to 2 samce i 2 samice. Samica bezpłciowa ma też czterech potomków wyłącznie (samice). W kolejnych pokoleniach będzie tak samo. Zatem w drugim pokoleniu samica rozmnażająca się płciowo wyda na świat 8 potomków, w tym tylko połowę samic, natomiast samica rozmnażająca się bez-płciowo wyda 16 sztuk wyłącznie żeńskiego potomstwa. Partenogenetyczny mutant powiela więc swoje geny dwa razy szybciej niż samica płciowa.

KOSZTY PŁCIOWOŚCI

Niektórzy teoretycy ewolucjonizmu twierdzą, że zwierzęta rozmnażają się płciowo są w trudniejszej sytuacji, gdyż muszą ponosić koszt produkcji samców, w wyniku czego zmniejsza się do połowy liczba wyprodukowanych samic. George C. Williams widzi natomiast upośledzenie płciowości w tzw. kosztach mejozy. Według tego uczonego, seksualna samica przegrywa, tracąc połowę swych genów przy wytwarzaniu komórek rozrodczych w procesie mejozy (ramka: Jak mieszają się geny? powyżej) w porównaniu do bezpłciowej samicy, która produkuje jajo zawierające komplet jej genów. Dlaczego samica "woli" produkować swoje potomstwo, noszące tylko połowę jej genów? Gdy się zastanowimy, zauważymy także inne koszty związane z rozmnażaniem dzięki dwóm płciom. Wprawdzie trudny do sklasyfikowania, ale bezwzględnie ważny jest koszt rekombinacji. Proces płciowy rozbija nawet świetnie dostosowane kombinacje genów (genotypy) i doprowadza do powstawania zupełnie nowych genotypów. Jakkolwiek świetne byłyby zestawy genów w organizmie rozmnażającym się płciowo, zostaną one rozbite w procesie dojrzewania gamet. Pojawia się też groźba stwarzania wyjątkowo niekorzystnych układów genów. W komórkach organizmów diploidalnych, a więc np. u ludzi, każdy gen występuje w dwu kopiach, z których jedna pochodzi od ojca, a druga od matki. Możliwa jest zatem sytuacja, że potomek otrzyma od obydwu rodziców niekorzystne wersje genów. Sławnym przypadkiem jest rozprzestrzeniona w Afryce choroba genetyczna, anemia sierpowata, która jest śmiertelna w sytuacji, gdy chory posiada obydwie kopie odpowiedzialnego za nią genu w postaci uszkodzonej (czyli, jak mówią genetycy, jest homozygotą pod względem tej wersji genu).

Cena, jaką ludzie płacą za luksus rozmnażania płciowego, jest czasami wysoka. Część potomstwa zdrowej i odpornej na malarię matki (która w swoim garniturze genetycznym ma jeden gen odpowiedzialny za anemię sierpowatą, a jeden prawidłowy) może cierpieć na ciężką chorobę, o ile od ojca otrzyma także uszkodzony gen. Na zdjęciu powyżej widać prawidłowe czerwone krwinki

Ludzie posiadający dwie zdrowe kopie genu są z kolei wrażliwi na malarię, na którą często chorują i umierają. Jedynie ci, którzy mają jedną zdrową kopię tego genu i jedną uszkodzoną (czyli są heterozygotami pod względem tego genu), nie chorują na anemię sierpowatą, a ponadto są odporni na malarię. Gdyby heterozygotyczna matka rozmnażała się bezpłciowo, całe jej potomstwo byłoby zdrowe i odporne na malarię. Tymczasem tylko połowa potomstwa posiądzie optymalny zestaw genów dla tamtego środowiska.

TYLE HIPOTEZ, ILU BADACZY

W naszych rozważaniach nie bez znaczenia jest także koszt zdobywania partnera. Organizmy rozmnażające się płciowo wkładają wiele czasu i energii w wyszukanie partnera. W tym celu np. produkują i rozprzestrzeniają specjalne substancje wabiące (tzw. feromony płciowe), podejmują ryzykowne wędrówki itp. Zachowania godowe zwierząt wiążą się często ze sporym ryzykiem narażenia się na atak drapieżników lub pasożytów.

Ostatnio naukowcy ponownie przychylają się do tezy, że dobór naturalny nie działa na poziomie populacji, ale na poziomie poszczególnych osobników. Antylopa uciekająca przed gepardem nie musi być od niego szybsza, wystarczy, że jest szybsza od swoich sióstr z tego samego gatunku

Fot. PhotoDisc

Tak więc widzimy, że rozmnażanie z udziałem dwu płci jest upośledzeniem w stosunku do rozmnażania bezpłciowego. Dlaczego więc osobniki seksualne nie są eliminowane ze środowiska? Istnieje wiele hipotez próbujących ten paradoks wytłumaczyć. Jedną z nich, opartą na zasadzie doboru grupowego, teorię "wikariusza z Bray", już poznaliśmy. Są też inne teorie oparte na zasadzie selekcji grupowej, na przykład teoria zwana "zapadką Müllera". W populacji aseksualnej gromadzą się coraz liczniejsze szkodliwe mutacje, których osobniki nie są w stanie pozbyć się przy rozmnażaniu bezpłciowym. Po pewnym czasie obciążenie mutacyjne populacji jest tak wielkie, że populacja ginie. Według tej hipotezy płciowość działa jak miotła wymiatająca szkodliwe mutacje z populacji. W hipotezie "zapchanego banku" płciowość ma być korzystna w bardzo różnorodnym środowisku i urozmaiconym w przestrzeni, ponieważ umożliwiałaby szybkie przystosowanie się populacji do odmiennych elementów środowiska i do lepszej jego eksploatacji. Hipoteza "geniusza" (the Best Man) zakłada, że płciowość jest korzystna przy drastycznych zmianach środowiska. W przypadku takich zmian tylko jednostki o wyjątkowo korzystnych kombinacjach genów mogą przeżyć. Takie jednostki nie mogą się pojawić wśród potomstwa powstałego z rozmnażania bezpłciowego. Jednakże takie drastyczne zmiany występują bardzo rzadko, mutanty wśród osobników rozmnażających się partenogenetycznie zaś pojawiają się znacznie częściej. Dlaczego jednak przegrywają one z formami seksualnymi?

Biolodzy zwykle przeceniali wagę czynników fizycznych jako przyczyny śmiertelności zwierząt i roślin. Prawie każda praca na temat ewolucji za głównych przeciwników życia uznawała skrajne wartości czynników, takich jak temperatura, wilgotność, ciśnienie i różnego rodzaju kataklizmy wynikające z gwałtownych zmian wartości takich czynników, jak mróz, opady, gwałtowne zmiany temperatury, niespodziewana susza, powódź itd. Uczono nas, że największym wysiłkiem gatunków jest przystosowanie się do tych warunków. Pierwsze hipotezy wyjaśniające istnienie płciowości zakładały przystosowanie się gatunków do takich warunków środowiskowych. Ostatnio coraz więcej badaczy przyjmuje, że to czynniki biotyczne, a nie fizyczne, mają decydujący wpływ na ewolucję płciowości. Czynniki, które zabijają zwierzęta albo przeszkadzają im w rozrodzie, rzadko mają naturę fizyczną. Najczęściej przyczyną tych kłopotów są inne stworzenia - pasożyty, drapieżniki i konkurenci.

Kiedy w lesie przewraca się drzewo, to najczęściej dlatego, bo zostało wcześniej osłabione przez grzyby pasożytnicze. Kiedy ginie szprotka, to najczęściej w paszczy innej ryby albo w sieci. I wojna światowa zabiła 25 mln ludzi w cztery lata, epidemia grypy, zwanej hiszpanką, która nastąpiła po niej, zabiła 25 mln ludzi w cztery miesiące. Z czasem biolodzy zaczęli zwracać coraz większą uwagę na dynamikę środowiska biologicznego i znaczenie jego zmian dla ewolucji.

CZERWONA KRÓLOWA

Jednym z dziwnych przeżyć doświadczonych przez Alicję, bohaterkę książki Alicja po drugiej stronie lustra, było jej spotkanie z damą kier (Czerwoną Królową). W czasie rozmowy królowa nagle chwyciła Alicję za rękę i rzuciła się z nią do szaleńczego biegu. Kiedy się zatrzymały, Alicja stwierdziła, że są dokładnie w tym samym miejscu, z którego wystartowały. Zdziwionej Alicji królowa wyjaśniła, iż cały ten bieg służy tylko po to, żeby utrzymać się w tym samym miejscu.

Jeszcze do niedawna w niemal każdej pracy na temat ewolucji przypisywano ogromną rolę czynnikom fizycznym, takim jak temperatura, opady, wilgotność, i związanym z nimi kataklizmom, np. klimatycznym

Fot. PhotoDisc

Według paleontologa Leigha Van Valena, podobną sytuację znajdujemy i w naszym świecie. Van Valen widzi ewolucję całych zbiorowisk organizmów żywych jako rodzaj współzawodnictwa pomiędzy różnymi istotami, jako grę, w której, jeśli ktoś wygrywa, inny musi przegrać, ale tylko do następnej rundy. Ponieważ jedne organizmy zjadają, a inne starają się uniknąć pożarcia, oddziałują wzajemnie na siebie. Każdy ewolucyjny postęp jednego stanowi zniszczenie środowiska drugiego albo wielu innych. Poprawa sprawności biegu antylopy jest ciosem dla lwa. Tak samo usprawnienie polowania na antylopy przez hienę jest ciosem dla antylopy, ale też i dla lwa. Rzecz w tym, że każdy gatunek bierze udział w antagonistycznym, koewolucyjnym wyścigu ze swoimi drapieżnikami, ofiarami, pasożytami, żywicielami i z każdym gatunkiem, który w dowolny sposób konkuruje o jakikolwiek składnik jego niszy ekologicznej. Jest to ciągły wyścig zbrojeń. Tak jak Alicja po drugiej stronie lustra, każdy gatunek musi cały czas "biec", czyli bez przerwy się zmieniać, by utrzymać swą pozycję. Hipoteza "Czerwonej Królowej" sugeruje, że środowisko biotyczne zmienia się wystarczająco szybko, by żądać ciągle nowych kombinacji genów, które mogą być dostarczone tylko w procesach płciowych.

ROLA PATOGENÓW

Szczególnie ważne jest to zjawisko w przypadku koewolucyjnych antagonistów takich, jak patogenne bakterie i wirusy. Patogeny są pasożytami o krótkim okresie życia, ale ogromnych populacjach w stosunku do pojedynczego osobnika, w którym i na koszt którego żyją. Zarazki mogą przeżyć tysiące pokoleń w jednym żywicielu, ewoluując cały czas, by przystosować do jego genomu w celu jak najlepszej eksploatacji jego biochemii. Partenogenetyczna matka daje swojej córce raczej marny posag, przekazując jej cały swój genom wraz z patogenami, doskonale do jego eksploatacji dostosowanymi. W takiej sytuacji potomstwo matki rozmnażającej się płciowo, wyposażone w kombinacje genów, z którymi pasożyty jeszcze się nigdy nie spotkały, będzie w sytuacji o wiele lepszej. Osobnikom tym lepiej będzie się żyło, będą zdrowsze i zostawią więcej potomstwa, niż to wynikało z naszych teoretycznych obliczeń.

Organizmy rozmnażające się partenogenetycznie (czyli bezpłciowo) mają trudności z ucieczką przed pasożytami (tak jak np. widoczne na zdjęciu mszyce), gdyż partenogenetyczna matka przekazuje swemu potomstwu wraz z kompletem genów również pasożyty doskonale do niego przystosowane

Fot. Michał Kozłowski

Z powyższego przeglądu teorii tłumaczących szerokie rozpowszechnienie płciowości wynika, że hipoteza "Czerwonej Królowej" wydaje się najlepiej tłumaczyć korzyści wynikające z rozmnażania płciowego. Niestety, musimy jednak pamiętać, że istnieją fakty, których i ona nie tłumaczy. Chodzi mianowicie o istnienie gatunków rozmnażających się bez procesów płciowych przez setki milionów pokoleń. Istnienie takich zwierząt, do których należy wiele gatunków wrotków czy małżoraczków, wielki ewolucjonista John Maynard Smith nazwał jednym z największych ewolucyjnych skandali. Być może uda się istnienie tych gatunków wyjaśnić w ramach koncepcji "Czerwonej Królowej", a być może trzeba będzie wymyślić inną, doskonalszą teorię.

Prof. dr hab. JERZY KLAG kieruje Katedrą Histologii i Embriologii Zwierząt Uniwersytetu Śląskiego.