Gdy samiec jest zbędny

Menażeria organizmów stosujących dzieworództwo jest przebogata. Czy to możliwe u ludzi?

06.02.2018

Czyta się kilka minut

U rozwielitek partenogeneza jest po prostu stałą częścią ich cyklu życiowego. / ISTOCK / GETTY IMAGES
U rozwielitek partenogeneza jest po prostu stałą częścią ich cyklu życiowego. / ISTOCK / GETTY IMAGES

Seks jest nie tylko powszechny – jest wręcz wszechobecny! Wykorzystują go nawet nasi najdalsi, pierwotni kuzyni: bakterie. Seks bakteryjny oczywiście w niczym nie przypomina zwierzęcego czy roślinnego, polegającego na zapłodnieniu komórki jajowej, z której powstaje zarodek. Przede wszystkim – w jego wyniku nie tworzy się nowa, potomna bakteria. Bakteryjny seks prowadzi jednak do tego samego, co rozród płciowy zwierząt i roślin: wymiany materiału genetycznego i jego rekombinacji, czyli powstania nowych wersji programu genetycznego osobnika, będących wypadkową genów dostarczanych przez osobniki/komórki rodzicielskie.

Ta wymiana informacji genetycznej i jej mieszanie się w komórkach powstających w wyniku rozrodu płciowego są uważane za jeden z podstawowych powodów powszechności i wszędobylskości seksu w świecie ożywionym. Tylko bowiem „miksowanie” informacji genetycznej może prowadzić do powstania nowych, wcześniej niespotykanych wersji informacji genetycznej.

A nowość jest w cenie! Każdy taki nowy wariant to nowe możliwości w radzeniu sobie z przeciwnościami biologicznego losu – np. zaskoczenie pasożyta czy drapieżnika nowym zestawem zdolności obronnych.

Korzyści płynące z ciągłego tasowania genów matek i ojców są prawdopodobnie ogromne. Rachunek jest prosty: organizm bezpłciowy w każdej chwili może wyprodukować swoją kopię (sklonować się), samodzielnie i bez udziału drugiego osobnika – podczas gdy amator seksu potrzebuje do tego zawsze „drugiej połówki”. „Bezpłciowcy” szybko by zdominowali świat, gdyby dobór naturalny zwracał uwagę wyłącznie na liczbę produkowanego potomstwa.

Dzieworództwo u niedziewic

Ewolucja biologiczna dała początek pierwszym organizmom rozmnażającym się płciowo najpewniej ponad 1,2 mld lat temu. Preferencyjne wykorzystanie seksu odziedziczyliśmy w spadku po naszym bliżej nieokreślonym, jednokomórkowym prapraprzodku. Jak to zwykle bywa z dobrymi rozwiązaniami – sprawdzają się one zawsze, z wyjątkiem sytuacji, w których się nie sprawdzają. Seks był majstersztykiem – z czasem jednak niektórym zaczął ciążyć.

Partenogeneza, czyli dzieworództwo, (parthenos znaczy po grecku „dziewica”) bywa jedynym sensownym rozwiązaniem. Nie zawsze jest ona stricte produkcją potomstwa przez dziewicze samice. U niektórych organizmów partenogeneza może następować naprzemiennie ze zwykłym seksem – samice ją wykorzystujące niekoniecznie więc są „dziewicze”. Dzieworództwo nie jest bowiem jednorodnym typem rozmnażania – jest to raczej grupa procesów, w których komórka jajowa daje początek nowemu osobnikowi bez konieczności łączenia się z męskim plemnikiem.

Sam fakt pominięcia plemnika, choć wydaje się trywialny, ma kilka dość poważnych konsekwencji, z którymi samice rozmnażające się partenogenetycznie muszą sobie poradzić. Najważniejsza jest tzw. ploidalność komórek – czyli to, ile zawierają one kopii każdego swojego genu. Ogromna większość organizmów żywych ma komórki diploidalne – zawierające dwie kopie każdego genu. Jest to prosta konsekwencja istnienia seksu: nowo powstały zarodek połowę swoich genów otrzymuje od ojca, a połowę od matki. Aby to było możliwe – plemniki i komórki jajowe powstają na drodze bardzo specyficznego procesu, tzw. mejozy. To rodzaj podziału komórki – tyle że w przeciwieństwie do zwykłego powielenia materiału genetycznego i wytworzenia kopii komórki, mejoza redukuje liczbę kopii każdego genu, pozostawiając w potomnych komórkach tylko jedną z dwóch kopii (plemniki i komórki jajowe są więc haploidalne). Nie musi to jednak oznaczać, że samice wybierające partenogenezę produkują osobniki haploidalne (bo nieotrzymujące drugiej połowy swoich genów od ojca).

Mrówcze półklony

W rzadkich przypadkach haploidalne jaja faktycznie rozwijają się w haploidalne osobniki – niosące tylko połowę genów swoich rodzicielek. Osobniki takie są więc połowicznymi klonami swoich matek. Najbardziej znanym przykładem takich „półklonów” są trutnie pszczół miodnych i samce mrówek. Jedne i drugie powstają z niezapłodnionych jaj składanych przez królowe (jaja zapłodnione dają samice – nowe królowe lub robotnice). Jest to bardzo specyficzny przykład partenogenezy, umożliwiającej tym owadom socjalnym tworzenie kooperujących, złożonych społeczności. Biologiczną ironią losu jest to, że królowe tych gatunków potrzebują wyprodukowanych bezpłciowo samców, aby ci dostarczyli im plemników i tym samym pozwolili na produkcję samic-robotnic poprzez całkowicie normalne zapłodnienie.

W przypadku większości rozmnażających się partenogenetycznie samic produkcja potomstwa haploidalnego nie wchodzi w grę. Posiadanie jednego zestawu genów prowadzi najczęściej do nieprawidłowości rozwojowych i poważnego upośledzenia funkcji organizmu. Większość takich haploidalnych zarodków zwyczajnie przestaje się rozwijać i nie rodzi się albo nie wykluwa. W jaki zatem sposób samice radzą sobie z zapewnieniem potomstwu dwóch zestawów genów, produkując jednocześnie haploidalne jaja (pamiętajmy o mejozie!)?

Najprostszym rozwiązaniem jest oczywiście produkcja jaj... diploidalnych! Okazuje się, że komórka jajowa może powstać w sposób analogiczny do tego, w jaki powstają kopie wszystkich innych komórek organizmu. Nasze ciało w każdej sekundzie produkuje setki tysięcy kopii swoich komórek – czy to rosnąc, czy zastępując uszkodzone komórki lub gojąc zranienia. W takich „codziennych” podziałach komórkowych nie dochodzi do redukcji liczby kopii genów posiadanych przez komórkę – w końcu naszemu ciału zależy na skopiowaniu w pełni funkcjonalnej komórki, z całym zestawem posiadanych przez nią genów. Na podobnej zasadzie partenogenetyczne samice mogą produkować komórki przejmujące rolę komórek jajowych, tyle że już na samym początku posiadających komplet dwóch kopii swojego materiału genetycznego. Taka diploidalna komórka jajowa nie musi ulegać zapłodnieniu i po prostu zaczyna w pewnym momencie dzielić się, dając początek nowemu organizmowi.

Zmienne rozwielitki

Świetnym przykładem tego typu dzieworództwa są dafnie, czyli rozwielitki – mikroskopijne skorupiaki żyjące w jeziorach i kałużach na całym świecie. Przez większość roku rozwielitki urządzają sobie pełnoprawną „seksmisję” – ich populacje składają się wyłącznie z samic, a produkowane przez nie jaja są diploidalne i rozwijają się w nowe osobniki bez zapłodnienia. Strategia taka pozwala w trakcie sezonu wegetacyjnego, w stabilnych i przewidywalnych warunkach szybko i efektywnie wyprodukować setki tysięcy potomnych osobników, pomijając w tym procesie czasochłonne poszukiwanie partnera i zaloty. Naukowcy uwielbiają tę cechę dafni – w końcu tworząc swoje diploidalne jaja rozwielitka produkuje tysiące swoich klonów. Hodując oddzielnie pojedyncze rozwielitki możemy więc bardzo łatwo stworzyć w laboratorium genetycznie czyste linie, bardzo przydatne w wielu eksperymentach ekologicznych.

Przy czym rozwielitka utrzymuje swój wielotysięczny „babiniec” do czasu, gdy warunki środowiskowe zaczynają się drastycznie zmieniać. Kiedy zbliża się zima lub zajmowany przez rozwielitki zbiornik wodny wysycha, dafnia wraca do starego i sprawdzonego sposobu radzenia sobie z nieprzewidywalnym środowiskiem, czyli do seksu. Pod wpływem stresu niektóre produkowane partenogenetycznie dafnie rozwijają się w samce. Wytwarzane przez nie plemniki zapładniają jaja (tym razem haploidalne) samic, które jako tzw. jaja spoczynkowe opadają na dno zbiornika, chronione twardą, odporną otoczką. W kolejnym sezonie, gdy wracają sprzyjające warunki środowiskowe, zimowe jaja wykluwają się i powstaje z nich nowa generacja czysto partenogenetycznych samic.

U rozwielitek partenogeneza jest po prostu stałą częścią ich cyklu życiowego. Ewolucyjnie świetnie poradziły sobie one z balansowaniem na granicy między seksem i bezpłciowością: gdy seks jest im potrzebny (bo rekombinacja i mieszanie genów pomagają walczyć z surowym środowiskiem), rozwielitki wskakują w tryb dwupłciowy. We wszystkich innych sytuacjach – czyli kiedy środowisko jest przewidywalne i łaskawe – nie rozdrabniają się one na subtelności seksualnego trybu życia i po prostu klonują swoje ciała, produkując miliony podskakujących w toni wodnej osobników.

Lekarstwo na pomyłkę ewolucji

Dzieworództwo u wielu innych gatunków jest znacznie bardziej efemeryczne niż u dafni.

Wiele stwierdzonych w dzikim środowisku czy też w hodowli przypadków dzieworództwa to tak naprawdę sytuacje wyjątkowe, traktowane raczej jako błędy mejozy prowadzące do powstania diploidalnych komórek jajowych. Taki status ma wiele obserwacji dzieworództwa u ryb (np. rekinów czy płaszczek) oraz gadów (najbardziej znany przypadek to warany z Komodo, u których sporadycznie obserwuje się płodne i w pełni rozwinięte osobniki pochodzące z partenogenezy). Przypadki tego typu powstają najczęściej poprzez tzw. automiksję, czyli błąd mejozy polegający na zlaniu się w jedną komórkę powstających w czasie podziału mejotycznego komórek potomnych. Prowadzi to do powstania nietypowej, diploidalnej komórki posiadającej wyłącznie materiał genetyczny matki.

Są jednak i organizmy, które w temacie partenogenezy poszły na całość i uczyniły z niej swój jedyny sposób na rozmnażanie. Co więcej, stało się to wielokrotnie w ewolucyjnej historii życia. Obligatoryjnie dzieworodnymi gatunkami jest m.in. wiele jaszczurek z rodzaju Cnemidophorus – m.in. gatunek będący oficjalną gadzią maskotką stanu Nowy Meksyk w USA. U jaszczurek tych nie występują samce, a samice produkują swoje potomstwo na drodze automiksji, czyli zlewania się komórek w czasie mejozy – co prowadzi do powstania diploidalnych jaj.

Co ciekawe, – mimo że jaszczurki te nie mają samców, angażują się one w przypominające zaloty zachowania, w których jedna samica przyjmuje rolę samicy, a druga zalecającego się do niej samca. Takie inscenizowane kojarzenia mają na celu stymulację układu hormonalnego samic składających jaja i wyraźnie polepszają ich płodność oraz kondycję powstającego potomstwa.

Badacze długo spierali się, jak powstał taki całkowicie żeński gatunek. Najprawdopodobniej doszło do tego, gdy dwa blisko spokrewnione ze sobą gatunki skrzyżowały się, dając początek jaszczurzemu mieszańcowi. Takie krzyżówki często mają problemy z tradycyjnym rozmnażaniem płciowym – przede wszystkim dlatego, że niekompatybilne zestawy chromosomów pochodzące od dwóch gatunków rodzicielskich mogą utrudniać mejozę i uniemożliwiać powstanie normalnych haploidalnych jaj i plemników. Rozwiązaniem w takiej sytuacji okazała się partenogeneza, eliminująca konieczność zapłodnienia. W tym przypadku dzieworództwo stało się więc lekarstwem na pomyłkę ewolucji i doprowadziło do powstania kilku nowych, całkowicie żeńskich gatunków.

Strategie wrotków

Znacznie ciekawsza jest obligatoryjna partenogeneza innych, mniej okazałych zwierząt – wrotków, będących mikroskopijnymi bezkręgowcami.

Po pierwsze, jest to jedna z najstarszych ewolucyjnie strategii tego typu – tzw. wrotki bdelloidalne rozmnażają się z udziałem wyłącznie samic przynajmniej od 25 milionów lat! Po drugie, wrotki znalazły bardzo ciekawe rozwiązanie problemu, z jakim na pewnym etapie muszą borykać się wszystkie partenogenetyczne organizmy: problemu zmienności genetycznej.

Jak pamiętamy, seks wyewoluował m.in. jako sposób na wprowadzanie do populacji dodatkowej (obok przypadkowych mutacji) zmienności genetycznej, wynikającej z mieszania rodzicielskich genów w nowe, niepowtarzalne kombinacje.

Organizmy całkowicie bezpłciowe nie mogą korzystać z tego rozwiązania. Bez możliwości wynajdywania nowych wariantów genetycznych odpornych na wcześniej nieznane zagrożenia narażają się one na ryzyko wymarcia.

Próbując tego uniknąć, wrotki bdelloidalne wykształciły wyjątkową, znaną do tej pory jedynie u niektórych bakterii i wirusów, strategię – w razie potrzeby potrafią one pobrać DNA wchłaniane ze środowiska (np. z pożywieniem) i wbudować je we własny materiał genetyczny. Badania wskazują, że wrotki w swojej ewolucyjnej historii wiele razy korzystały z takiego podkradania genów innych organizmów, co pozwoliło im zachować swoją bezwzględną bezpłciowość, korzystając jednocześnie od czasu do czasu z możliwości wzbogacania swoich genów o nowe, użyteczne warianty.

Z partenogenezy uczyniły one niemalże sztukę, w pełni korzystając z szybkości rozmnażania bezpłciowego i jednocześnie nie rezygnując z drogocennej rekombinacji genetycznej.

Czy grozi nam „Seksmisja”

Menażeria organizmów stosujących partenogenezę jest przebogata – i pewnie wiele jeszcze gatunków stosujących taką strategię czeka na odkrycie. Co jednak ze ssakami? Czy nasi najbliżsi krewni mogą rozmnażać się partenogenetycznie? Czy my, ludzie, moglibyśmy, przynajmniej teoretycznie, produkować dzieci bez realnego udziału ojców? Najkrótsza odpowiedź brzmi: raczej nie.

Istnieją udokumentowane przypadki powstania partenogenetycznego potomstwa u królików, myszy czy małp – jednak zawsze były to, naturalne lub sztucznie wygenerowane, anomalie. Największym problemem u ssaków jest tzw. imprinting genów, czyli zjawisko inaktywacji pewnych konkretnych genów u ojca oraz u matki. Do prawidłowego rozwoju zarodek ssaka potrzebuje zarówno ojcowskiego, jak i matczynego zestawu genetycznego – tylko w ten sposób posiada komplet działających genów, łącznie z tymi, które u jednego z rodziców uległy imprintingowi. Naturalna partenogeneza jest więc u ludzi praktycznie niemożliwa. Nie oznacza to jednak, że jest zawsze wykluczona.

W 2006 r. amerykańscy naukowcy stworzyli, właśnie na drodze partenogenezy z niezapłodnionej ludzkiej komórki jajowej, ludzkie komórki macierzyste (czyli takie, które mogą rozwinąć się w dowolną wyspecjalizowaną komórkę ciała). Rok później okazało się, że południowokoreański biolog, Hwang Woo-suk, oskarżony w 2006 r. o naukowe oszustwo dotyczące klonowania ludzkich komórek macierzystych, nieświadomie już w 2004 r. stworzył partenogenetyczne komórki macierzyste z ludzkich komórek jajowych.

Chociaż „Seksmisja” nam nie grozi, dzieworództwo może tylnymi drzwiami wejść do nowoczesnej medycyny, dając potencjalnie niewyczerpane i bardzo wydajne źródło komórek macierzystych, będących jedną z nadziei medycyny regeneracyjnej przyszłości.©

Autor jest doktorem biologii, pracownikiem Instytutu Nauk o Środowisku UJ i Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Sydney. Współzałożyciel Stowarzyszenia Rzecznicy Nauki, współpracuje z „Tygodnikiem” i Centrum Kopernika.

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]

Artykuł pochodzi z numeru Nr 7/2018