Dlaczego organizmy zaczęły uprawiać seks, a nie po prostu rozmnażały się bezpłciowo, tak jak życie przez miliardy lat - i nadal tak jest, w przypadku organizmów jednokomórkowych oraz niektórych roślin i grzybów - jest nieco tajemnicą. Rozmnażanie płciowe ewoluowało około miliarda lat temu lub więcej, pomimo wymaganej dodatkowej energii i pozornej trudności w znalezieniu odpowiedniego partnera. W powszechnych teoriach płeć stała się dominującą formą rozmnażania ze względu na korzyści wynikające z większej różnorodności genetycznej, umożliwiając potomstwu dostosowanie się do zmieniającego się środowiska i utrzymywanie gatunku o krok przed pasożytami, które ewoluowały, by nękać rodziców.
Ale w nowym artykule w PLOS Biology zespół naukowców kierowany przez University of Montpellier we Francji i Deakin University w Australii sugeruje inny powód, dla którego życie zaczęło się i nadal uprawia seks: groźba przenośnych, rakowych freeloaderów.
„Sugerujemy, aby rozmnażanie płciowe ewoluowało, aby zapobiec inwazji przenośnych samolubnych komórek nowotworowych oszustów, odtąd nazywanych przenośnymi komórkami rakowymi”, mówi Frederic Thomas, biolog ewolucyjny na Uniwersytecie w Montpellier i główny autor badania, w e-mailu. „Według naszej wiedzy, ten selektywny scenariusz początkowej ewolucji seksu w drzewie życia jest nowatorski”.
Rak nie stanowił problemu dla najwcześniejszych form życia, prokariontów ani jednokomórkowych organizmów pozbawionych jądra komórkowego, takich jak bakterie i archeony. Te stworzenia rozmnażają się bezpłciowo, robiąc kopię swojego pojedynczego chromosomu i zasadniczo klonując się.
Ale sytuacja zmieniła się wraz z ewolucją eukariontów ponad 2, 5 miliarda lat temu. Organizmy te zawierają jądra centralne obejmujące ich genomy w zestawie chromosomów. Grupy eukariotów połączyły się, tworząc pierwsze organizmy wielokomórkowe - poprzednicy wszystkich złożonych form życia na Ziemi, od roślin po owady i gady po ssaki. Kiedy te organizmy rozmnażają się, materiał genetyczny pochodzi od dwóch partnerów, tworząc genetycznie wyjątkowe potomstwo.
„Wydaje się, że seks towarzyszył, bezpośrednio poprzedzał lub faktycznie oznaczał przejście do życia eukariotycznego”, mówi Maurine Neiman, profesor biologii na University of Iowa, który bada reprodukcję płciową, ale nie był zaangażowany w nowe badanie. Wielkie pytanie w biologii ewolucyjnej, jak mówi, brzmi: dlaczego.
Seks jest naprawdę skomplikowany i nieefektywny. Wiele organizmów musi inwestować zasoby biologiczne w cechy, które służą wyłącznie przyciąganiu partnera, takie jak pawie pióra. Nawet sam akt kopulacji niesie ze sobą ryzyko. „Organizmy często dosłownie utknęły razem i nie jest to naprawdę świetna sytuacja” - mówi Neiman. Pomysł, że stworzenie, które osiągnęło dojrzałość reprodukcyjną, chciałoby zepsuć formułę genetyczną, jest również dziwne. „Jesteś pewny, jeśli dorastałeś i odniosłeś sukces. Dlaczego miałbyś pójść i uczynić dziecko innym od ciebie? ”
Poprzez połączenie genetyki rozmnażanie płciowe powoduje większą różnorodność genetyczną w populacji, ograniczając przenoszenie komórek rakowych przez poszczególne osoby w populacji. (Thomas i wsp. / PLOS Biology 10.1371) Jedna z wiodących teorii znana jest jako hipoteza Czerwonej Królowej. Pomysł sugeruje, że wraz z ewolucją życia wielokomórkowego rozwijały się pasożyty i patogeny, które go nękały. Używając seksu do tworzenia potomstwa o unikalnych cechach genetycznych, niektóre potomstwo może uzyskać odporność na robaki, które w innym przypadku zagroziłyby całemu gatunkowi. Rozmnażanie płciowe służy jako sposób na wyprzedzenie ewolucyjnego wyścigu zbrojeń. (Nazwa tej hipotezy pochodzi od oświadczenia Czerwonej Królowej do Alicji w książce Lewisa Carrolla „ Po drugiej stronie lustra ”: „Widzisz, tutaj wszystko, co możesz zrobić, to utrzymać wszystko w tym samym miejscu”. )
Nowe badanie sugeruje, że komórki rakowe można uznać za inną formę pasożyta. Ponieważ wczesne komórki połączyły się, tworząc pojedyncze, eukariotyczne organizmy, organizmy te musiałyby chronić się przed komórkami członkowskimi, które odmówiły podporządkowania się całości - „wewnętrznym komórkom oszustów” lub komórkom rakowym. Wczesne organizmy wielokomórkowe musiałyby również rozwijać obronę przed inwazją złośliwych komórek z innych organizmów lub przenośnych nowotworów.
Taki wczesny układ odpornościowy miałby łatwiej odróżnić zdrowe komórki od nowotworów złośliwych, jak dowodzą badania, gdyby reprodukcja płciowa stworzyła potomstwo, które jest genetycznie różne od organizmów otaczających. Celowanie w komórki rakowe mogłoby wytworzyć ewolucyjną presję na seks, podobną do presji ze strony pasożytów i innych patogenów.
„Komórki złośliwe - przynajmniej naszym zdaniem - mają takie samo znaczenie w biologii ewolucyjnej i ekologii, jak pasożyty inne niż ja, i dlatego powinny być uważane za tak samo ważne jak pasożyty i mikroflora”, mówi Thomas. „Rak to nie tylko choroba, to siła ewolucyjna”.
Pomysł ten może być nowym, silnym sposobem myślenia o ewolucji, według Steve Johnsona, biologa badającego ewolucję interakcji między seksem a pasożytem na Uniwersytecie w Nowym Orleanie. „Im więcej o tym myślę, tym bardziej uważam, że może to być bardzo ważne nowe podejście”, mówi w e-mailu. „Szczególnie podoba mi się ich połączenie modelowania Czerwonej Królowej z ideą, że rozmnażanie płciowe ogranicza unikalny rodzaj pasożyta, przenośnych komórek rakowych”.
„Możesz myśleć o raku jako o egoistycznym zjawisku, które umiera wraz z jednostką”, dodaje Neiman. „Ale co jeśli nie? Jak to zmieni krajobraz ewolucyjny? ”
W artykule Thomas i koledzy przedstawiają niektóre zmiany w krajobrazie ewolucyjnym, których oczekują, czy ich hipoteza jest prawidłowa. Na przykład nowotwory zakaźne byłyby rzadkie u gatunków rozmnażających się płciowo, i tak jest w rzeczywistości. Istnieje tylko kilka przykładów, takich jak zmiany twarzy diabła tasmańskiego i białaczka w niektórych małżach.
Zespół przewiduje również, że większość gatunków rozmnażających się bezpłciowo byłaby albo stosunkowo młoda, albo specjalnie przystosowana do zwalczania raka. I rzeczywiście odkryli, że około połowa znanych linii bezpłciowych jest szacowana na mniej niż 500 000 lat. „Pozostałe 50 procent linii składa się z ewolucyjnie skandalicznych” organizmów, o których wiadomo, że są odporne na mutageny. Takie organizmy, mówi Thomas, mogłyby być warte studiowania, aby dowiedzieć się więcej o ich przeciwnowotworowych ochronach do użytku medycznego.
Ale jest powód, dla którego pochodzenie seksu jest uważane za trudny problem w biologii ewolucyjnej. W ocenie Neimana istnieją elementy nowej teorii, które nie do końca się sumują - a przynajmniej jeszcze nie. Na przykład rzadkość przenośnych nowotworów wśród dzisiejszych stworzeń może nie poprzeć tej nowej teorii.
„Wszechświat, w którym rak wyjaśniał seks, wymagałby, aby te zakaźne nowotwory były naprawdę dość powszechne”, mówi Neiman. Zastanawia się także nad jednym z głównych założeń teorii, że genetyczna odmienność rodziców i potomstwa rzeczywiście byłaby czynnikiem skutecznie zwalczającym infekcję nowotworową. „Nie jestem pewien, czy został dobrze przetestowany i jest to bardzo kluczowe założenie”.
Thomas przyznaje, że hipotezę jego zespołu należy zweryfikować poprzez eksperymenty, których w tym momencie brakuje. „Proponujemy w tym dokumencie kilka kierunków, najbardziej elegancki byłby klonowanie zwierząt w celu oceny ryzyka przeniesienia komórek rakowych związanego z rozmnażaniem bezpłciowym”, mówi. Jeśli nowa teoria rozmnażania płciowego jest poprawna, prawdopodobieństwo, że matka przekazuje komórki rakowe swojemu potomstwu, powinno być wyższe, jeśli zarodek jest wszczepionym klonem matki, a nie genetycznie odrębnym zarodkiem.
Zespół pracuje również z klonowanymi hydrami, organizmami morskimi, które mogą rozmnażać się zarówno płciowo, jak i bezpłciowo, w zależności od warunków środowiskowych. Według Thomasa Madsena, naukowca z Deakin University i współautora nowego badania, celem jest „próba„ zarażenia ”zdrowych klonów komórkami rakowymi i zbadanie ich ewolucyjnej odpowiedzi”. Jeśli nowa teoria seksu jest poprawna, zarażone hydrole powinny wybrać rozmnażanie płciowe zamiast bezpłciowego.
Ale pochodzenie seksu zawsze było brudne, a Neiman wierzy, że tak pozostanie. „Myślę, że złożoność i nieuporządkowana biologia często będą wymagały tego, co nazywamy pluralistycznym lub wielokrotnym wyjaśnieniem”, mówi. „Nie sądzę, aby kiedykolwiek istniało ogólne, eleganckie, pojedyncze, proste rozwiązanie”.
