Αυγοπαραγωγή ή ζωντανή γέννηση:Πώς επιλέγει η εξέλιξη
Ο παλιός γρίφος, «Ποιο ήρθε πρώτο, το κοτόπουλο ή το αυγό;» είναι σχετικά εύκολο να απαντηθεί ως ερώτηση σχετικά με την εξέλιξη της γέννησης στα ζώα. Η ωοτοκία ήταν σχεδόν βέβαιο ότι προηγήθηκε της ζωντανής γέννησης. τα θωρακισμένα ψάρια που κατοικούσαν στους ωκεανούς πριν από μισό δισεκατομμύριο χρόνια και ήταν πρόγονοι όλων των σπονδυλωτών της ξηράς φαίνεται ότι είχαν γεννήσει αυγά. Αλλά το υπόλοιπο της ιστορίας απέχει πολύ από το να είναι ξεκάθαρο.
Για χιλιετίες εξέλιξης, η φύση έχει βρει μόνο δύο τρόπους για να έρθει στον κόσμο ένα νεογέννητο ζώο. Είτε η μητέρα του το γεννά σε ένα αυγό, όπου μπορεί να συνεχίσει να αναπτύσσεται πριν από την εκκόλαψη, είτε μένει μέσα στη μητέρα του μέχρι να εμφανιστεί ως ένα πιο πλήρως σχηματισμένο νεογέννητο που στριμώχνεται. "Έχουμε αυτή την πραγματικά θεμελιώδη διαίρεση", δήλωσε η Camilla Whittington, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ.
Υπάρχει κάποιος αρχέγονος λόγος για αυτήν την αυστηρή αναπαραγωγική διχοτόμηση μεταξύ ωοτοκίας (ωογένεση) και ζωντανής γέννησης (ζωογένεια); Πότε και γιατί εξελίχθηκε η ζωντανή γέννηση; Αυτά είναι μερικά μόνο από τα ερωτήματα που διερευνά η νέα έρευνα - συμπεριλαμβανομένων των μελετών μιας αξιοσημείωτης σαύρας που μπορεί να γεννήσει αυγά και να φέρει ζωντανά νεαρά ταυτόχρονα -, υπογραμμίζοντας ταυτόχρονα την τεράστια πολυπλοκότητα και τη μεταβλητότητα της σεξουαλικής αναπαραγωγής.
Μια στρατηγική επιλογή
Τα πρώιμα θηλυκά ζώα γεννούσαν αυγά με την έννοια ότι απελευθέρωσαν τα ωάρια τους στον κόσμο, συχνά χιλιάδες κάθε φορά. Το σπέρμα που απελευθερώθηκε από τα αρσενικά στη συνέχεια γονιμοποίησε μερικά από αυτά τα ωάρια με τον τρόπο που θα χτυπηθεί ή θα χαθεί και τα προκύπτοντα έμβρυα πήραν τις πιθανότητες να επιβιώσουν στον εχθρικό κόσμο μέχρι να εκκολαφθούν. Πολλά πλάσματα, ιδιαίτερα μικρά, απλά, εξακολουθούν να αναπαράγονται με αυτόν τον τρόπο.
Αλλά καθώς τα ζώα έγιναν πιο περίπλοκα, τα είδη σπονδυλωτών - συμπεριλαμβανομένων πολλών αμφιβίων, ερπετών και ακόμη και μερικών ψαριών, όπως οι καρχαρίες - στράφηκαν σε μια λιγότερο τυχαία στρατηγική:την εσωτερική γονιμοποίηση. Τα θηλυκά θα μπορούσαν στη συνέχεια να εξασφαλίσουν ότι θα γονιμοποιούνταν μεγαλύτερο ποσοστό των αυγών τους και θα μπορούσαν να είναι πιο επιλεκτικά σχετικά με τα αρσενικά με τα οποία θα αναπαραχθούν. Το έμβρυο θα μπορούσε να αναπτυχθεί με ασφάλεια μέσα στη μητέρα του μέχρι να το απελευθερώσει τελικά μέσα σε ένα προστατευτικό κέλυφος.
Η ζωντανή γέννηση εξελίχθηκε αργότερα — και περισσότερες από μία φορές. Μόνο στα ερπετά, έχει εξελιχθεί τουλάχιστον 121 ξεχωριστές φορές. Και παρόλο που οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν πότε ακριβώς αναδύθηκε το πρώτο ζωντανό ζώο από τη μητέρα του, γνωρίζουν ποιες δυνάμεις μπορεί να οδήγησαν τη μετάβαση από την ωοτοκία και ποια εξελικτικά βήματα μπορεί να έχουν προηγηθεί.
Και οι δύο μέθοδοι γέννησης κάνουν τη δουλειά, φυσικά, αλλά παρουσιάζουν αντίθετα πλεονεκτήματα και δυσκολίες. Το σημαντικό είναι ότι οι μητέρες που γεννούν αυγά μπορούν να απαλλαγούν σωματικά από τους απογόνους τους νωρίτερα. Τα πουλιά, για παράδειγμα, δεν εξελίχθηκαν ποτέ ζωντανά, πιθανώς επειδή το ενεργειακό κόστος της πτήσης κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης δεν μπορεί να υποστηριχθεί. Τα στρώματα αυγών μπορούν επίσης γενικά να έχουν περισσότερους απογόνους σε μία μόνο γέννα, καθώς το μέγεθος του σώματος της μητέρας δεν αποτελεί περιορισμό. Αυτό το πλεονέκτημα μπορεί να αντισταθμίσει εν μέρει τους κινδύνους να αφήσουν τα αυγά εκτεθειμένα σε θήραμα και τα στοιχεία.
Οι ζωντανές μητέρες, από την άλλη πλευρά, μπορούν να στεγάσουν τα έμβρυά τους και να τα προστατεύσουν από τα αρπακτικά και τους περιβαλλοντικούς κινδύνους για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Αλλά το κάνουν με δικό τους κίνδυνο:Η εγκυμοσύνη τα εκθέτει σε περισσότερη θήρευση και τα θέτει σε σημαντικό κίνδυνο από το ίδιο το έμβρυο. «Το έμβρυο είναι εν μέρει ξένο και οι ιστοί του εισβάλλουν στους ιστούς μιας μαμάς», είπε ο Κρις Όργκαν, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Μοντάνα. «Είναι άγριο να το σκέφτεσαι». Κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης της, η μητέρα ισορροπεί σε ένα τεντωμένο σκοινί, εκτρέποντας τους πόρους σε ένα ξένο ον ενώ διατηρεί τον εαυτό της υγιή.
Η κύρια διαφορά μεταξύ της ωογένειας και της ζωογονιμότητας επικεντρώνεται επομένως σε μια στρατηγική εξελικτική απόφαση σχετικά με το πότε η μητέρα πρέπει να εναποθέσει τα έμβρυά της. Αν τα εναποθέσει νωρίς, είναι ένα στρώμα αυγού, και αν τα καταθέσει αργά, είναι ζωντανή. Τα περισσότερα ερπετά, για παράδειγμα, εναποθέτουν τα έμβρυά τους μόλις το ένα τρίτο της ανάπτυξής τους.
«Μεταξύ της πραγματικής ωοτοκίας και της ζωντανής ωοτοκίας υπάρχει μια ολόκληρη σειρά πιθανών χρόνων [για την εναπόθεση του εμβρύου], αλλά μάλλον είναι μειονέκτημα να γίνει αυτό», είπε ο Whittington. «Το ονομάζουμε κοιλάδα γυμναστικής». Τα ζώα που προσπαθούν να γεννήσουν κάπου σε αυτήν την κοιλάδα φυσικής κατάστασης μπορεί να διατρέχουν όλους τους κινδύνους της ωοτοκίας και της ζωντανής ωοτοκίας χωρίς να αποκομίσουν τα οφέλη από τα δύο. «Πιστεύουμε ότι, εξελικτικά, αυτό είναι αρκετά μειονέκτημα», είπε.
(Τα μαρσιποφόρα βρήκαν μια νέα λύση για την εξισορρόπηση αυτών των κινδύνων:Τα μικρά που γεννούν είναι πρακτικά έμβρυα στην ανωριμότητά τους, αλλά στη συνέχεια τελειώνουν την ανάπτυξή τους μέσα στο σάκο της μητέρας τους. Με αυτόν τον τρόπο, η μητέρα μπορεί να προσφέρει τα προστατευτικά πλεονεκτήματα της μεταφοράς των παιδιών της μέχρι την ολοκλήρωση χωρίς να χρειάζεται να φιλοξενήσει ένα νεογέννητο πλήρους μεγέθους μέσα στο σώμα του.)
Η σωστή θερμοκρασία για τους άντρες
Οι επιστήμονες εξακολουθούν να μαθαίνουν για τους αναπτυξιακούς περιορισμούς και τις απαιτήσεις αυτών των στρατηγικών γέννησης. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, το πάχος ενός κελύφους αυγού. Επειδή το οξυγόνο πρέπει να περάσει από την κυκλοφορία του αίματος της μητέρας και να εισέλθει στο αυγό, ένα λεπτό κέλυφος είναι πλεονεκτικό πριν από την ωοτοκία. Στον έξω κόσμο, ωστόσο, ένα παχύτερο κέλυφος είναι χρήσιμο για την προστασία από τα αρπακτικά. Ένα αυγό που γεννιέται πολύ νωρίς, λοιπόν, μπορεί να είναι πολύ λεπτό για να επιβιώσει και ένα που γεννιέται πολύ αργά μπορεί να είναι πολύ παχύ για να καλύψει τις εκθετικά αυξανόμενες απαιτήσεις οξυγόνου του εμβρύου. Είναι μια καλά συντονισμένη ισορροπία.
Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Nature το 2009, ο Organ και οι συνεργάτες του απέδειξαν ότι πριν ένα είδος μπορέσει να εξελιχθεί ζωντανή γέννηση, πιθανότατα έπρεπε να αναπτύξει την ικανότητα να προσδιορίζει το φύλο των απογόνων του γενετικά. Το φύλο πολλών πλασμάτων είναι περιστασιακό:Περιβαλλοντικοί παράγοντες, ιδιαίτερα η θερμοκρασία, μπορούν να καθορίσουν εάν το έμβρυο αναπτύσσεται ως αρσενικό ή θηλυκό. Η ομάδα του Organ έδειξε μια ισχυρή στατιστική συσχέτιση μεταξύ της χρήσης γονιδίων για τον προσδιορισμό του φύλου και της γέννησης ζωντανών νέων. "Είναι κάτι που οι βιολόγοι γνώριζαν με παρατηρητικό τρόπο, αλλά δεν είχαν ποτέ δοκιμαστεί αυστηρά", είπε η Organ.
Σκεφτείτε τις θαλάσσιες χελώνες. «Μπορούν μετά βίας να κυκλοφορούν στη στεριά, αλλά εξακολουθούν να έρχονται στην παραλία για να γεννήσουν αυγά», είπε. Εάν γεννούσαν όλα τα αυγά τους στο νερό, θα ήταν λιγότερο πιθανό να πάρουν μια ποικιλία από αρσενικά και θηλυκά, επειδή η διαβάθμιση θερμοκρασίας εκεί είναι πολύ μικρότερη από ό,τι στην ξηρά.
Αλλά από τη στιγμή που ένα θαλάσσιο είδος έχει εξελίξει την ικανότητα να προσδιορίζει το φύλο μέσω γονιδίων, δεν χρειάζεται πλέον να βγαίνει στη στεριά και μπορεί να προσαρμοστεί πλήρως στην υδρόβια ζωή του. Όπως έγραψαν ο Organ και οι συν-συγγραφείς του στην εργασία τους:«Απαλλαγμένοι από την ανάγκη να μετακινούνται και να φωλιάζουν στη στεριά, σε κάθε ομάδα αναπτύχθηκαν ακραίες φυσικές προσαρμογές σε έναν πελαγικό τρόπο ζωής, όπως οι ουρές, τα ραχιαία πτερύγια και τα άκρα σε σχήμα φτερού. ιχθυόσαυροι [ομάδα προϊστορικών θαλάσσιων ερπετών].»
Την εποχή εκείνης της δημοσίευσης, οι επιστήμονες πίστευαν ότι η ζωντανή γέννηση μπορεί να είχε εξελιχθεί μεταξύ των ερπετοειδών προγόνων των ιχθυόσαυρων μόνο αφού μετακινήθηκαν από τη στεριά στη θάλασσα. Αλλά η ανακάλυψη ενός απολιθώματος 248 εκατομμυρίων ετών το άλλαξε. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο PLOS ONE το 2014, οι ερευνητές περιγράφουν το απολίθωμα ενός ιχθυόσαυρου που πέθανε ενώ γεννούσε. Παραδόξως, το απολίθωμα κατέγραψε την ακριβή στιγμή που το νεογέννητο βγήκε από τη λεκάνη της μητέρας του με το κεφάλι. Αυτή η θέση είναι ενδεικτική:Τα περισσότερα ζωοτόκα θαλάσσια ερπετά γεννιούνται πρώτα στην ουρά, ώστε να μπορούν να συνεχίσουν να αντλούν οξυγόνο από τη μητέρα τους κατά τη διάρκεια του τοκετού. Η θέση γέννησης με το κεφάλι δείχνει ότι ο ιχθυόσαυρος κληρονόμησε τη ζωντανή γέννηση από έναν ακόμη πιο αρχαίο χερσαίο πρόγονο. Ως εκ τούτου, τα ερπετά της ξηράς μπορεί να γεννούν ζωντανά νέα για τουλάχιστον 250 εκατομμύρια χρόνια, αν και το παλαιότερο απολίθωμα ζωντανής γέννησης σε ξηρά δεν χρονολογείται τόσο πολύ πίσω.
Αυγά, μωρά ή και τα δύο
Η γέννηση ζωντανών ή η ωοτοκία μπορεί να φαίνονται ως μια οριστική επιλογή είτε-ή είτε για ένα είδος, αλλά παραδόξως, αυτό δεν συμβαίνει πάντα. Η Whittington και η ομάδα της μελετούν το αυστραλιανό skink με τρία δάχτυλα (Saiphosqualis ), μια σαύρα με την αξιοσημείωτη διάκριση ότι μπορεί και να γεννήσει αυγά και να γεννήσει ζωντανά μικρά. Είναι γνωστό ότι μερικά άλλα είδη σαύρας τα κάνουν και τα δύο, συνήθως σε διαφορετικά περιβάλλοντα, αλλά στο εργαστήριο του Whittington, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι ένα δέρμα με τρία δάχτυλα παράγει μια γέννα που αποτελείται από τρία αυγά και ένα ζωντανό μωρό. «Ήμασταν απολύτως έκπληκτοι», είπε ο Whittington.
Πρόσφατα στη Μοριακή Οικολογία , η Whittington και η ομάδα της περιγράφουν τις διαφορές στη γονιδιακή έκφραση — ποια γονίδια ενεργοποιούνται ή απενεργοποιούνται — μεταξύ μιας μητέρας σαύρας που γεννά αυγά και μιας μητέρας που γεννά ζωντανά νέα. Μέσα σε ένα μόνο είδος, υπάρχουν χιλιάδες τέτοιες διαφορές μεταξύ ενός θηλυκού με αυγό και ενός χωρίς αυγό. Αυτό συμβαίνει επειδή ορισμένα γονίδια ενεργοποιούνται όταν είναι η ώρα να φιλοξενήσει η μήτρα ένα ωάριο. Το ίδιο ισχύει για μια μήτρα που προστατεύει ένα έμβρυο. Είναι πολύ σημαντικό ότι τα συγκεκριμένα γονίδια που ενεργοποιούνται σε αυτές τις περιπτώσεις είναι πολύ διαφορετικά.
Αλλά στα δέρματα με τρία δάκτυλα, πολλά από τα γονίδια που ενεργοποιούνται όταν μια μητέρα κάνει ένα ωάριο ενεργοποιούνται και σε μητέρες με έμβρυα. Το εύρημα υποδηλώνει ότι αυτή η σαύρα βρίσκεται σε μια μεταβατική κατάσταση μεταξύ της ωοτοκίας και της ζωντανής ωοτοκίας.
Ο τρόπος με τον οποίο εξελίσσεται η σαύρα είναι αδύνατο να πούμε και μπορεί να είναι ακόμα απροσδιόριστο. «Η εξέλιξη είναι μια τυχαία διαδικασία αντί να κατευθύνεται», είπε ο Whittington. "Με περιβαλλοντικές αλλαγές, θα μπορούσε να αλλάξει την κατεύθυνση της επιλογής και να την ωθήσει προς τα πίσω."
Η ιδέα ότι το skink θα μπορούσε να απομακρυνθεί από τη ζωντανή ωοτοκία και να επιστρέψει στην ωοτοκία είναι μια σχετικά νέα εξέλιξη στον τομέα. «Πριν από είκοσι χρόνια πιστεύαμε ότι ήταν δύσκολο ή αδύνατο να εξελιχθεί εκ νέου η ωοτοκία», είπε ο Whittington. Αλλά ένας αυξανόμενος όγκος ερευνών από τότε έχει δείξει ότι μπορεί να είναι αρκετά συνηθισμένο. Πρόσφατες αναλύσεις των γενετικών σχέσεων μεταξύ των ειδών αποκάλυψαν ότι ορισμένα στρώματα αυγών είναι βαθιά φωλιασμένα μέσα σε ένα εξελικτικό δέντρο ζωντανών γειτόνων.
Το έργο του Whittington καθοδηγείται από την επιθυμία να κατανοήσει τι κοινό έχουν τα διαφορετικά ζωντανά είδη. «Ποιο είναι το γενετικό πακέτο εργαλείων που επέτρεψε τη γέννηση ζωντανών;» ρώτησε. «Υπάρχουν θεμελιώδεις κανόνες σχετικά με τη ζωτικότητα; Χρησιμοποιεί τις ίδιες γενετικές οδηγίες όταν εξελίχθηκε; Έχουν τα ίδια προβλήματα [διαφορετικά είδη];»
Το τρίδαχτυλο skink δεν είναι το μόνο αξιόλογο πλάσμα που μελετά καθώς αναζητά απαντήσεις. Τα θαλάσσια άλογα είναι τα μόνα γνωστά ζώα στα οποία τα αρσενικά μένουν έγκυες:Μια θηλυκή μεταφέρει το ωάριο της στη θήκη του συντρόφου της για γονιμοποίηση και ανάπτυξη. Η δουλειά του Whittington με τα θαλάσσια άλογα έχει αποκαλύψει ότι τα αρσενικά ενεργοποιούν τα ίδια γονίδια που κάνουν τα θηλυκά πολλών άλλων ειδών για να γεννήσουν ζωντανά μικρά, κάτι που ο Whittington υποστηρίζει ότι είναι αξιοσημείωτο. «Μιλάμε για διαφορετικά φύλα. Μιλάμε για εντελώς διαφορετικούς ιστούς. Μιλάμε ότι αυτό το χαρακτηριστικό έχει εξελιχθεί σε εντελώς διαφορετικά είδη και με διαφορά εκατομμυρίων ετών», είπε. "Είναι σαν να έχουμε αυτά τα εκπληκτικά πειράματα εξέλιξης που αναπαράγονται με φυσικό τρόπο, τα οποία εκτελούνται εδώ και εκατομμύρια χρόνια."
