Forteca z niepozornej skorupki

Wyobraźmy sobie fortecę. Ochrania ją mur zbudowany tak sprytnie, że działające na niego siły są równomiernie rozprowadzane wzdłuż konstrukcji. Przebicie się do środka to nie lada wyzwanie! Wewnątrz znajduje się fosa – ale nie byle jaka. Jej zawartość może służyć jako źródło pitnej wody, a jednocześnie pływa w niej śmiercionośny środek, zdolny rozpuścić większość intruzów, którzy zdołają sforsować mur. Wewnątrz fosy leży centralny skarbiec – majstersztyk inżynierii. Jego ściany są bardzo delikatne – dlatego zawieszony jest na odpornych na zerwanie sprężynach. Nawet potężne trzęsienie ziemi nie będzie w stanie go roztrzaskać.

Wnętrze skarbca mieści wszystkie najcenniejsze kruszce, ale choć są one ze sobą wymieszane, bez problemu możemy wyciągnąć dokładnie to, czego w danej chwili potrzebujemy. W dodatku sam skarbiec nie potrzebuje żadnych strażników: jego ściana działa jak najlepszy ochroniarz. Wpuszcza do środka i wyrzuca na zewnątrz tylko to, co w danej chwili powinno przekroczyć barierę skarbca.Brzmi jak science fiction? Być może – ale taki skarbiec istnieje naprawdę. Nie znajdziecie go w nawet najlepszym banku – ale za topewnie każdy ma kilka takich w swojej lodówce.

Kurze jajo to chyba jedna z ostatnich rzeczy, które posądzilibyśmy o takie cudowne właściwości. Albo ogólnie jajo jako takie – musimy bowiem pamiętać, że jaja to nie jest czysto ptasi wynalazek. Bardzo podobne składają gady oraz nieliczne ssaki (tzw. stekowce, czyli żyjące w Australii kolczatki i dziobaki). Inne zwierzęta także składają jaja, choć już mniej przypominające te ptasie: płazy produkują galaretowaty skrzek, ryby – maleńkie kuleczki zwane ikrą. Jaja występują u większości bezkręgowców, produkują je nawet – choć już w nieco innej postaci – także niektóre glony.

Ptasie jaja nie mają również wyłączności w kuchni. W kilku miejscach świata skosztować można gadzich jaj – krokodyla, żółwia czy węża. Rarytasem osiągającym niebotyczne ceny są jaja jesiotra, składnik drogiego kawioru. W Japonii zjecie sushi z jajami ośmiornicy, w Birmie – smażone jaja mrówek zmieszane z ryżem. Francuska kuchnia może uraczyć was wyjątkowym przysmakiem, jakim jest kawior z jaj winniczka, a w Indonezji spróbujecie potrawy przyrządzonej z podsmażonych jaj, worków rezonacyjnych i krtani pewnej żaby, zapakowanych w podgrzany liść bananowca.

Jaja nie tylko więc królują w świecie zwierząt, ale także opanowały naszą kuchnię. Nic dziwnego. Jajo jest pojemnikiem przechowującym najcenniejsze substancje odżywcze i wszelkie związki chemiczne, jakich potrzebować może rozwijający się w nim zarodek. Jest więc niejako zaprojektowane, by być odżywczą bombą.

Jak jednak jajo stało się w ogóle potrzebne? Czy istniał świat bez jaj? Co „zmotywowało” organizmy do wynalezienia swoich małych jajowatych fortec – i jak, z galaretowatych jaj owadów czy żab, przekształciły się one w majstersztyk ewolucji: ptasie jaja?

Wina seksu

Z punktu widzenia biologii jajo jest niczym innym jak wielką komórką jajową, czyli gametą wytwarzaną przez osobniki żeńskie. Nawet strusie jaja, największy tego typu twór u współcześnie żyjących ptaków, to także wielka komórka jajowa, której większość stanowi magazyn substancji odżywczych – żółtko. Na drugim końcu tej skali wielkości znajdują się plemniki, czyli mikroskopijne komórki produkowane przez osobniki męskie. Plemniki nie posiadają prawie niczego: nie mają żadnych zasobów pokarmowych, które mogłyby dostarczyć rozwijającemu się zarodkowi. Są grudką materiału genetycznego ojca, zaopatrzoną w „silnik” pozwalający im dostać się w pobliże żeńskiej komórki jajowej. Taki układ, w którym mamy dwie bardzo różniące się wielkością gamety – wielkie, produkowane w niewielkiej liczbie komórki jajowe oraz maleńkie, produkowane w miliardach kopii plemniki – nazywamy anizogamią. To właśnie anizogamia odpowiada za istnienie jaj – ale co w takim razie doprowadziło do narodzin anizogamii?

Najprawdopodobniej wykształciła się ona jako konsekwencja seksu, czyli rozmnażania płciowego. Kluczowym momentem każdego rozrodu płciowego jest zapłodnienie, czyli połączenie się komórki jajowej i plemnika. Pierwotnie zachodziło ono pomiędzy dwiema bardzo podobnymi wielkościowo gametami. Obecnie taki typ zapłodnienia (określany jako izogamia – biolodzy na wszystko mają nazwy) spotykamy np. u niektórych grzybów i glonów.

Osobniki produkujące identyczne gamety rozpoczęły swego rodzaju wyścig zbrojeń, napędzany ewolucyjną żądzą jak największego sukcesu reprodukcyjnego. Niektórzy przyjęli strategię „na ilość” – próbując zwiększyć swój sukces, produkują jak najwięcej gamet, co musiało doprowadzić do ich zmniejszenia (ograniczoną ilość zasobów można przeznaczyć na wiele małych produktów lub mniej dużych). Z kolei inni zainwestowali wszystko w duże, opasłe gamety pełne odżywczych zapasów, by zwiększyć szansę przeżycia tak zaopatrzonego potomstwa. Doszło do czegoś, co biolodzy nazywają selekcją rozrywającą – zamiast puli identycznych gamet w kolejnych pokoleniach pojawiały się komórki o coraz bardziej różniących się rozmiarach.

Sytuację podgrzało jeszcze jedno zjawisko. W czasie zapłodnienia z udziałem dwóch identycznych gamet dochodziło do mieszania się nie tylko samego materiału genetycznego rodziców, ale też wszelkich innych składników ich gamet, w tym organelli komórkowych (takich jak mitochondria czy chloroplasty). Wiele organelli pływających wewnątrz komórki to egoiści sami w sobie: mitochondria posiadają np. swój własny materiał genetyczny i mogą nawet zwalczać napotkane mitochondria innego osobnika! Dochodziło więc do konfliktów między organellami dwóch różnych, połączonych w czasie zapłodnienia gamet. Aby ich uniknąć, ewolucja jeszcze bardziej promowała zapłodnienie z udziałem gamety dużej – dostarczającej wszystkie organelle – oraz gamety małej, niedającej absolutnie nic poza materiałem genetycznym (dlatego wszystkie twoje mitochondria pochodzą właśnie od matki).Seks oraz związany z nim konflikt doprowadził więc do powstania komórek jajowych, które z czasem dały początek ptasim (i nie ty

lko) jajom. Co ciekawe, bez tego przejścia (od dużej, ale wciąż delikatnej komórki jajowej do jaja, jakie znamy u ptaków, gadów czy owadów) nie byłoby kolonizacji lądu!

Ewolucja twierdzy

Zapewnienie rozwijającemu się zarodkowi substancji odżywczych początkowo było jedynym zadaniem komórek jajowych. Organizmy żyły bowiem w wodzie i wszystko inne – oddychanie czy nawadnianie zarodka – odbywało się bezpośrednio dzięki wymianie tlenu i wody ze środowiskiem. W taki sposób nie można jednak funkcjonować, jeśli chcemy podbić suchy ląd.

Wynalazkiem, który to umożliwił wielu grupom zwierząt, było właśnie jajo. Oczywiście nie jest to jedyne rozwiązanie – ssaki np. poradziły sobie inaczej (dzięki ewolucji ciąży i uzależnieniu rozwoju zarodka od jego połączenia z organizmem matki). Pamiętajmy jednak, że to jajo było pionierem: ssaki wyewoluowały z jajorodnych gadów, czego ślad widzimy zresztą w postaci wspomnianych dziobaków i kolczatek.

Jajo uniezależniło od wody rozwój gadów (a później ptaków – choć technicznie to też gady, a ściślej rzecz biorąc: dinozaury) dzięki kilku kluczowym cechom. Po pierwsze – skorupa. U gadów jest ona wprawdzie miękka i skórzasta, ale już tutaj chroni przed parowaniem wody. U ptaków jest inżynieryjnym cudem: przesycona węglanem wapnia, zbudowana z mikrokryształów aragonitu zanurzonych w białkowej macierzy. Wyposażona w mikroskopijne pory, jednak na tyle duże, że umożliwiają jaju (i rosnącemu w nim zarodkowi) oddychanie oraz parowanie wody (szczególnie istotne tuż przed wykluciem, gdy zarodek traci jej sporo). Sferyczny kształt skorupy idealnie rozprowadza wszelkie naprężenia (stanowiąc mur jajecznej fortecy).

Wykonaj proste doświadczenie: świeże kurze jajo połóż na otwartej dłoni (uważaj, żeby zdjąć wszelkie pierścionki czy obrączki), a następnie zawiń wokół niego palce i spróbuj ścisnąć. Jajko nie pęknie nawet przy użyciu znacznej siły! Jeszcze większej siły będziemy mogli użyć, jeśli spróbujemy ścisnąć jajo dwiema otwartymi dłońmi wzdłuż długiej osi jaja.

Odporność jaj na zgniatanie przydaje się oczywiście w sytuacjach ekstremalnych (np. wypadnięcia jaja z gniazda), ale także podczas składania jaja, kiedy musi ono przecisnąć się przez wąską kloakę samicy.

Do swego rodzaju ekstremum swoje jaja doprowadził w tym względzie ptak kiwi. Jego jajo (jednorazowo składa tylko jedno) jest ogromne – wykluwa się bowiem z niego niemalże całkowicie uformowany, opierzony ptak niewiele mniejszy od dorosłego osobnika. Już samo spojrzenie na zdjęcie rentgenowskie ptaka kiwi z jajem w środku robi wrażenie – a ten mały jegomość musi takie jajo znieść! Jest to możliwe nie tylko dzięki niezwykle elastycznej miednicy kiwi, ale też właśnie ogromnej wytrzymałości skorupy na zgniatanie.

U ptaków ta wytrzymałość skorupy nie zależy od kształtu jaja – nie wszystkie jaja są jajowate. Sowy np. znoszą niemal kuliste jaja. Z kolei jaja alek czy siewek są bardzo zaostrzone (jeden koniec mają szeroki, drugi wąski), dzięki czemu łatwo ustawić je w „gwiazdkę”, zaostrzonymi końcami do środka, co ma ogromne znaczenie przy ich inkubacji na gołej ziemi czy skale. Co ciekawe, taki stożkowaty kształt jaj ma jeszcze jedną zaletę: jeśli matka alki musi na chwilę uciec z gniazda (np. spostrzegłszy drapieżnika), poruszone stożkowate jaja zwykle toczą się w kółko, a nie w linii prostej (co przy gnieżdżeniu się na stromym, wysokim klifie może uratować je przed stoczeniem się w przepaść).

Pod skorupą znajduje się gruba warstwa białka – jest to w zasadzie zbiornik wody dla rozwijającego się zarodka oraz swoisty ściek, gdzie trafia wiele produktów przemiany materii zarodka. Białko zawiera także lizozym – specjalny enzym potrafiący rozpuszczać ściany komórkowe bakterii próbujących sforsować taką „fosę”. Samo żółtko, znajdujące się w centrum jaja, zawieszone jest na tzw. sznurach białkowych – skręconych, przypominających sprężyny strukturach, odpowiedzialnych za amortyzację delikatnego żółtka i leżącego na jego powierzchni zarodka.

Klucze do bramy

Pokonanie zabezpieczeń ptasiego jaja to dla wrogich sił przyrody (czy to w postaci chorobotwórczych bakterii, czy niekorzystnej pogody) nie lada wyzwanie. Zdarza się jednak, że ta forteca uchyla wrota – i robi ten wyjątek tylko dla jednego gościa.

Dostęp do wnętrza jaja – i związane z tym niezwykłe możliwości – ma oczywiście ptasia mama. Jajo może w jej drogach rodnych powstawać nawet przez kilka dni. Swoją wędrówkę rozpoczyna owulacją, czyli uwolnieniem maleńkiego żółtka z jajnika samicy. Przesuwając się przez jajowód, żółtko rośnie, następnie dochodzi do zapłodnienia komórki jajowej, a jajo otaczane jest białkiem i pancerną skorupą. W tym krótkim czasie, tuż przed zamknięciem jaj w skorupie, samica ma niezwykłe możliwości wpłynięcia na losy swojego potomstwa.

Dokonuje tego, deponując wewnątrz żółtka wiele substancji. Jeśli samica ma kontakt z jakimiś patogenami – może wyposażyć żółtko w zwiększone ilości przeciwciał (podobnie jak ludzkie matki przekazują niemowlętom przeciwciała w mleku) oraz antyutleniaczy. Ptasia samica potrafi jednak nawet zmienić płeć swojego potomstwa! Jeśli z jakiegoś powodu wyprodukowanie synów jest korzystniejsze, może za pomocą specjalnych hormonów „zmusić” zarodek do rozwinięcia się w samca. Np. jeśli spotka atrakcyjnego partnera, samica może dostarczyć do jaja duże ilości męskiego hormonu, testosteronu, który będzie wspierał rozwój synów. Dzięki temu będą oni mogli stać się równie atrakcyjni jak ich ojciec i odnieść sukces reprodukcyjny, przekazując dalej także część genów swojej matki. Tego rodzaju tzw. efekty matczyne – na pozór niepozorne, ale o spektakularnych rezultatach – mogą bardzo mocno wpłynąć na szanse przeżycia potomstwa i tym samym wynik ewolucyjnego wyścigu w nieprzyjaznym, pełnym pułapek środowisku.

Palma pierwszeństwa

Czy można w takim razie mieć wątpliwości, co było pierwsze: jajko czy kura? W końcu, jeśli to kura trzyma w swoich rękach (ściślej: w jajowodzie) pełną kontrolę nad losem jaj i rozwijającego się z nich potomstwa, to chyba oczywiste jest, że kura musiała być pierwsza.

Spójrzmy jednak na ten problem ewolucyjnie. Cofając się coraz bardziej w czasie i schodząc coraz niżej po gałęzi drzewa życia, na której „siedzą” ptaki, miniemy coraz starsze, składające jaja gatunki (w tym dinozaury, krokodyle), aż dojdziemy do pierwszych prekursorów lądowych gadów – organizmów przypominających połączenie wodnego płaza i jaszczura. To tutaj, gdzieś w drugiej połowie karbonu (ok. 310 mln lat temu), pojawiły się organizmy, które dzięki pewnej mutacji genetycznej zaczęły składać nie galaretowate, podatne na wysychanie jaja płaziego typu, ale osłonięte skórzastą otoczką jaja mogące przetrwać na lądzie. Przed jajem była więc... cóż, nie tyle kura, co raczej jej płazio-gadzia praprababka.

Jeśli jednak nie lubimy wspinać się po drzewach i interesuje nas wyłącznie kura domowa, czyli gatunek Gallus domesticus z rzędu kuraków, to odpowiedź na pytanie o pierwszeństwo będzie inna – z bardzo prostego powodu. Aby z jaja wykluła się kura – jajo to musi zostać najpierw złożone, mogłoby się wydawać, przez kurę. Tyle że zanim powstał znany nam obecnie gatunek „kura domowa”, jaja składane były przez jego bezpośredniego przodka. Był to prawdopodobnie ptak bardzo przypominający inne kuraki, zachowywał się pewnie też podobnie (łącznie z grzebaniem kurzą łapką w ziemi). Nie był on jednak kurą domową.

Pierwsza kura domowa, w procesie specjacji – czyli powstawania nowego gatunku – pojawiła się dzięki konkretnej zmianie genetycznej. Aby takie zmiany mogły przenosić się do kolejnych pokoleń, muszą zachodzić w komórkach linii płciowej, czyli plemnikach i komórkach jajowych. Pierwszy osobnik nowego gatunku, zwanego kurą domową, wykluł się z jaja, które zawierało tę konkretną zmianę genetyczną. Innego wyjścia nie ma – z jaja złożonego przez nie-kurę wykluła się kura.

Jak skomentowaliby to filozofowie? Nie mam pojęcia. Z punktu widzenia biologii pewne jest jedno: ptasie jaja to klejnoty ewolucji. Niejednokrotnie są one bardziej kolorowe niż ich ptasi rodzice: istnieją jaja zielone, niebieskie, różowe, w plamy, prążki czy esy-floresy (sama biologia pigmentów w skorupach jaj jest fascynująca – dość powiedzieć, że mają one działanie np. antybakteryjne lub usztywniające). Jaja są samowystarczalnymi inkubatorami, działającymi bezawaryjnie aż do wyklucia się pisklęcia, a dzięki swojej niezwykłej budowie mogą ptakom służyć jako narzędzie manipulacji (poprzez wspomniane efekty matczyne) czy nawet oszustwa – w końcu do tego wykorzystuje je kukułka, podrzucając swoje jaja innym ptakom. Jajem ptasim (i nie tylko) świat stoi! ©