Γιατί η φύση προτιμά τα ζευγάρια, ακόμα και για μαγιά

Έχουμε την τάση να σκεφτόμαστε δύο βιολογικά φύλα:αρσενικό και θηλυκό. Αλλά πριν από την εξέλιξη των ωαρίων και του σπέρματος - πριν αρχίσουν να αποκλίνουν τα σεξουαλικά κύτταρα σε μέγεθος και μορφή - οι οργανισμοί δεν μπορούσαν να ταξινομηθούν ανά φύλο. Το ίδιο ισχύει για πολλούς μύκητες, φύκια και πρωτόζωα σήμερα. Αντί για φύλα, αυτά τα είδη έχουν τύπους ζευγαρώματος, με σεξουαλικά κύτταρα που διαφέρουν σε μοριακό επίπεδο αλλά όχι ανατομικά. Και αυτοί οι τύποι ζευγαρώματος δεν είναι απαραίτητα σε ζευγάρια.

Πάρτε την κοινωνική αμοιβάδα Dictyostelium discoideum , που έχει τρία:Κάθε τύπος μπορεί να ζευγαρώσει με μέλη των άλλων δύο. Coprinellus disseminatus , ένα μανιτάρι με ασπροκάλυμμα, έχει 143, καθένα από τα οποία μπορεί να βρει έναν σύντροφο μεταξύ των 142 άλλων. Ο τριχωτός μύκητας σε σχήμα βεντάλιας Schizophyllum commune  διαθέτει περισσότερους από 23.000 τύπους ζευγαρώματος (αν και η πιο περίπλοκη αναπαραγωγική στρατηγική του σημαίνει ότι δεν μπορεί κάθε τύπος να ζευγαρώσει με τον άλλο).

Ωστόσο, τα περισσότερα είδη εξακολουθούν να έχουν μόνο δύο τύπους ζευγαρώματος. Ο George Constable, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Bath, και η Hanna Kokko, εξελικτική βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης, ήθελαν να μάθουν γιατί. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε τον περασμένο μήνα στο Nature Ecology &Evolution , ανέπτυξαν ένα μοντέλο που προβλέπει πόσοι τύποι ζευγαρώματος θα προκύψουν σε ένα είδος με βάση μόνο τρία θεμελιώδη οικολογικά στοιχεία:το ποσοστό μετάλλαξης (που εισάγει νέους τύπους), το μέγεθος του πληθυσμού και - ίσως το πιο εκπληκτικό - τη συχνότητα του φύλου. Το έργο τους όχι μόνο παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη βασική βιολογία αυτών των ειδών οργανισμών, αλλά θα μπορούσε επίσης να συμβάλει στην κατανόησή μας για το πώς τελικά εξελίχθηκε το αρσενικό και το θηλυκό φύλο.

Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι οι τύποι ζευγαρώματος εξελίχθηκαν νωρίς στην ιστορία της ζωής ως εμπόδιο ενάντια σε συμπεριφορές όπως η ενδογαμία που μπορεί να είναι επιβλαβείς για έναν πληθυσμό ή ένα είδος. Εάν ένας οργανισμός κάνει σεξ με έναν ασύμβατο τύπο ζευγαρώματος (συμπεριλαμβανομένου του δικού του τύπου ζευγαρώματος), τότε η ένωση γενικά δεν παράγει απογόνους.

Πέρα από αυτόν τον περιορισμό, η λογική υποδηλώνει ότι τα είδη πρέπει να επωφεληθούν από το να έχουν όσο το δυνατόν περισσότερους τύπους ζευγαρώματος. Με δύο τύπους, μόνο ο μισός πληθυσμός είναι επιλέξιμος ως σύντροφος για οποιοδήποτε άτομο. Με τρία, αυτό αυξάνεται στα δύο τρίτα — και ούτω καθεξής, καθώς περισσότεροι τύποι ζευγαρώματος εντάσσονται στο μείγμα. Εάν μια μετάλλαξη οδηγήσει στην εμφάνιση ενός νέου τύπου, δεν θα κολλήσει στο πρόβλημα της εύρεσης ενός σπάνιου ταίρι για τον εαυτό του στον πληθυσμό. Αντίθετα, θα μπορούσε να ζευγαρώσει με όλους τους άλλους, δημιουργώντας έτσι απογόνους πιο γρήγορα και αυξάνοντας τον αριθμό τους.

"Η διαισθητική προσδοκία είναι ότι αυτό θα πρέπει να συμβεί για όλο και μεγαλύτερους αριθμούς τύπων ζευγαρώματος, έως ότου έχετε χιλιάδες από αυτούς", είπε ο Constable.

Μέχρι σήμερα, οι υποθέσεις σχετικά με το γιατί ο αριθμός των τύπων ζευγαρώματος σπάνια φτάνει στα ύψη σε τεράστια ύψη περιστρέφονται γύρω από ζητήματα σταθερότητας. Η διατήρηση μόνο δύο τύπων μπορεί να είναι ο καλύτερος τρόπος:Επιτρέπει απλούστερα, πιο αποτελεσματικά δίκτυα σηματοδότησης φερομόνης και για ένα ευκολότερο σύστημα ταξινόμησης όταν πρόκειται για τη μετάδοση οργανιδίων από τα γονικά κύτταρα στα απογόνους. Αλλά αυτές οι θεωρίες δεν αντιπροσωπεύουν μια σειρά από εξαιρέσεις.

Τότε κάτι συνέβη στον Αστυφύλακα. «Συνειδητοποίησα ότι υποθέταμε ότι αυτά τα είδη κάνουν σεξ όλη την ώρα», είπε. Αυτή η υπόθεση έκανε τεράστια διαφορά στις προβλέψεις του σχετικά με το πώς θα εξελιχθούν οι πληθυσμοί, επειδή σε περιόδους χωρίς σεξ, ο τύπος ζευγαρώματος γίνεται ουδέτερο χαρακτηριστικό:Τα τυχαία γεγονότα υπαγορεύουν την κυριαρχία ορισμένων τύπων και την εξαφάνιση πολλών άλλων.

Σύμφωνα με το μοντέλο, μεγάλοι πληθυσμοί που βασίζονται σχετικά περισσότερο στο σεξ για να αναπαραχθούν μπορούν να διατηρήσουν μεγαλύτερο αριθμό τύπων ζευγαρώματος, ενώ εκείνοι που κάνουν λιγότερο σεξ όχι. Ο αστυφύλακας και ο Κόκκο αναρωτήθηκαν πόσο σπάνια θα έπρεπε να είναι η σεξουαλική αναπαραγωγή για να εξηγήσουν τόσο λίγους τύπους ζευγαρώματος. Πολύ, πολύ σπάνιο, όπως αποδείχθηκε:μόνο μία φορά κάθε μερικές χιλιάδες γενιές.

«Στην αρχή, ήμουν κάπως απογοητευμένος», είπε ο Constable. «Αυτό φαινόταν πολύ χαμηλό». Αλλά όταν αυτός και η Kokko στράφηκαν σε παραδείγματα από τη φύση, διαπίστωσαν ότι οι προβλέψεις του μοντέλου τους ίσχυαν καλά. «Αυτή είναι η ομορφιά του», είπε ο Bart Nieuwenhuis, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου. Οι αμοιβάδες, οι μύκητες και άλλοι οργανισμοί που έχουν δύο τύπους ζευγαρώματος τείνουν να κάνουν σεξ πολύ σπάνια, επιλέγοντας τις περισσότερες φορές την ταχύτερη, λιγότερο ενεργοβόρα διαδικασία της ασεξουαλικής αναπαραγωγής:Μερικά είδη ζύμης, για παράδειγμα, κάνουν σεξ μία φορά στους 1.000 έως 3.000 γενιές, όταν οι αγχωτικές περιβαλλοντικές συνθήκες καθιστούν πλεονεκτικό για αυτούς να αναμειγνύουν τα γονίδιά τους και να βελτιώνουν τις πιθανότητές τους να εξελίξουν νέα ευεργετικά χαρακτηριστικά.

Εν τω μεταξύ, εκείνα τα είδη που έχουν εκατοντάδες ή χιλιάδες τύπους ζευγαρώματος, είπε ο Constable, είναι γνωστά ως μερικοί από τους «πιο σεξουαλικούς μύκητες στο βασίλειο των μυκήτων». Το μοντέλο του φαίνεται επίσης να εξηγεί άλλα παρατηρούμενα σεξουαλικά πρότυπα, όπως την ικανότητα ορισμένων ειδών να αλλάζουν τον τύπο ζευγαρώματος ή να αναπαράγονται με μέλη του δικού τους τύπου.

«Χρειάζεται ένα μακροχρόνιο μυστήριο και προτείνει μια λύση που είναι πραγματικά πολύ απλή και που συνδέεται άμεσα με τη βιολογία αυτών των οργανισμών με σαφή τρόπο», δήλωσε ο Jussi Lehtonen, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ.

Κάνοντας αυτό, σύμφωνα με τον Kokko, τόνισε επίσης ότι αυτό που καταλαβαίνουμε για τη θεμελιώδη βιολογία, βασισμένο σε μόνο μια χούφτα μοντέλων οργανισμών (όπως ποντίκια, μύγες φρούτων ή E. coli ), αποτυγχάνει να συλλάβει την πραγματική ποικιλομορφία ακόμη και των πιο βασικών λειτουργιών που εμφανίζονται στη φύση. «Οι ερευνητές [μπορεί να είναι] λίγο μυωπικοί όταν πρόκειται για την κατανόηση της διαφορετικότητας. Δεν υπακούει όλη η ζωή στους πιο γνωστούς κανόνες», έγραψε ο Κόκκο σε ένα email. Ελπίζει ότι η έρευνά της θα εμπνεύσει περαιτέρω εμπειρική μελέτη αυτών των άλλων, λιγότερο ορθόδοξων ειδών. (Τέτοιες εργασίες θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν τους επιστήμονες να αναπτύξουν το μοντέλο της προσθέτοντας μηχανισμούς ειδικούς για τα είδη, όπως η σηματοδότηση φερομόνης και η κληρονομικότητα των οργανιδίων, που παραμένουν σημαντικά μέρη της ιστορίας.)

Οι φαινομενικά εσωτερικοί κανόνες με τους οποίους ζουν οι οργανισμοί μπορεί ακόμη και να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε χαρακτηριστικά που θεωρούμε οικεία. «Μπορούμε να δούμε την ύπαρξη δύο τύπων ζευγαρώματος ως έναυσμα για την εξέλιξη του αρσενικού και του θηλυκού φύλου» που προήλθε από αυτά, δήλωσε ο Sylvain Billiard, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Λιλ στη Γαλλία. Το μοντέλο του αστυφύλακα και του Κόκκο θα μπορούσε ενδεχομένως να δώσει μια αίσθηση των συνθηκών που χρειάζονταν για να τεθούν οι βάσεις για να συμβεί αυτό. Ο Nieuwenhuis υπέθεσε ότι, επειδή δύο τύποι ζευγαρώματος κυριαρχούν όταν ο ρυθμός σεξουαλικής αναπαραγωγής είναι χαμηλός, μπορεί να έχουν προκύψει καταστάσεις στις οποίες ήταν δύσκολο να βρεθεί σύντροφος. Αυτές οι συνθήκες θα μπορούσαν να είχαν επιλεγεί για εξειδικευμένους, μικρότερους γαμέτες ικανούς να φτάσουν πιο εύκολα σε έναν σύντροφο — ξεκινώντας τον δρόμο προς τα σημερινά φύλα.

Ο Nieuwenhuis προσπαθεί να δει μερικά από αυτά στο εργαστήριό του:Εργάζεται στη μαγιά σχάσης για να δημιουργήσει έναν τρίτο τύπο ζευγαρώματος ικανό να αναπαραχθεί με τους δύο τύπους που ήδη υπάρχουν. «Αλλά είναι πολύ δύσκολο», είπε, και μέχρι στιγμής δεν τα κατάφερε.

Ο Constable πιστεύει επίσης ότι το έργο θα μπορούσε να έχει πιο άμεσες εφαρμογές. Σε παθογόνους μύκητες που μολύνουν καλλιέργειες, ένας τύπος ζευγαρώματος είναι συχνά ιδιαίτερα καταστροφικός και τα γονίδια που καθορίζουν αυτόν τον τύπο μπορεί να συνδέονται, ας πούμε, με τη λοιμογόνο αντοχή του στα αντιμυκητιακά. Η κατανόηση του γιατί αυτά τα χαρακτηριστικά συνυπάρχουν μπορεί να βοηθήσει στον έλεγχο ή την πρόληψη των λοιμώξεων.

Το εύρημα του Αστυφύλακα και του Κόκκου, είπε η Ζήνα Χατζηβασιλείου, μεταδιδακτορική υπότροφος στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης, «κατά κάποιο τρόπο… ξεκινά με μια αρκετά απλή και διαισθητική ιδέα. Αλλά μερικές φορές τα ωραιότερα έργα προέρχονται από τέτοιου είδους εμπνεύσεις.”

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο ScientificAmerican.com.