|
||||||||||||
A szexuális szaporodás elõnyei és hátrányai, valamint alternatívái
A lényeg : |
A szexuális szaporodás hátrányai
Ivaros szaporodásnak azt tekintjük, ha az utódok létrehozása során a két elõdgenom rekombinációval keveredik. Ez a szaporodási mód (és a persze a bináris ivari rendszer) általánosan elterjedt jelenség az élővilágban (az összes faj kb 99.9%-a csak ílyen módon szaporodik, a kevés kivételrõl késõbb lesz szó). A génkutyulás formái sokfélék lehetnek, a legelterjedtebb ezek közül az, mikor két genom fuzionál (szingámia), majd szeparálódik (meiózis), újra megfelezve (és rekombinálva) a fúziókor duplává vált génállományt. Az ilyen szimmetrikus szexuális folyamat csak eukariótáknál ismert. Aszimmetrikus szexuális folyamatok prokariótáknál is léteznek, de általában ritkán fordulnak elõ. Ekkor a genom egy része valamilyen módon átvivõdik egy másik genomba, de ez egyirányú folyamat, nem igazi génkicsierélõdés. Ilyen pl. a transzdukció (vírus vagy fág visz genomrészt sejtbõl sejtbe), a transzformáció (baktérium genomot vesz fel a környezetbõl) és a konjugáció (génátadás direkt sejt-sejt kontaktussal). Eukariótáknál nagyon kevés esetben ismert az aszimmetrikus szex.
Az ivarosan szaporodó
élõlényeknek mégis számos igen komoly hátránnyal
kell szembenézni a szexualitást nem alkalmazókkal szemben.
Éspedig:
1. Bizonyos folyamatok energiaigényesek (meiózis, udvarlás,
harc, stb.).
2. A szexuális szelekció vezethet maladaptív jellegekhez
(pl. gyilkos fegyverek, más tekintetben hátrányos tulajdonságok)
vagy destruktív kompetícióhoz.
3. A fertõzõ patogének, paraziták számára
a szexuális folyamatok (megtermékenyülés, párzás)
új horizontális terjedési utat jelentenek.
4. Párkeresés ára nagy lehet szórványos
populációkban (fele akkora esély van szaporodni, mintha
mindenkivel párba lehetne állni).
5. A rekombináció hamarabb, nagyobb eséllyel "tör
fel" bizonyos elõnyös gén-konstellációkat,
mint ahogy ilyeneket létrehozna. Poliploid és többszörösen
heterozigóta genomok a rekombináció és meiózis
miatt nem jöhetnek létre.
6. "A meiózis dupla költsége". Szexuálisan szaporodva
a genetikai elemek csak 1/2 arányban öröklõdnek
(az utód a szülõ génjeit csak fele arányban
tartalmazza, míg ivartalan úton 100% a genetikai egyezés
utód és szülõ között). Ez a költség
tehát egyedi szinten jelentkezik, és lényegében
a fitness "megfelezését" jelenti.
7. "A hímek dupla költsége".
Ha csak nõstényekbõl áll a populáció,
akkor ezek szûznemzéssel dupla annyi utódot tudnak potenciálisan
létrehozni, mint amikor hímek is vannak és szexuálisan
szaporodnak (és egyenlõ az ivararány), mivel ekkor fele
annyi nõivarsejt (és ezzel potenciális utód) van
a populációban.
Egy szexuálisan, rekombinálódó módon szaporodó
populáció tehát igen komoly hátrányban
lehet az aszexuális élõlényekkel szemben. Mégis,
az élõlények túlnyomó többsége
ivaros úton hozza létre utódait. Vagyis a szex drága,
mégis alig van, aki ne élne vele. Ez a jelenség "a
szex paradoxonja". Ez esetben nagyon nagy egyéb elõnyökkel
kell szolgálnia a szexuális szaporodásnak, hogy ezeket
a hátrányokat ellensúlyozza. Számos teória
(genetikai és ökológiai okokat hangsúlyozó)
született a probléma megválaszolására, melyek
közül a következõk a legfontosabbak:
A szexualitás elõnyeinek teóriái
1. A változás és alkalmazkodás elõsegítése (irányító szelekció esetén)
Genetikai
megközelítésben:
Az egyes allélek sikere nagyban függ a genom többi
részének sikerességétől (vagyis a háttér-fitness-től).
Aszexuális populációban a mutációk nem
kombinálódhatnak, így egy esetleges előnyös
allél be van "szorulva" a szomszédai közé, melyek
befolyásolják az õ túlélését
és örökítõdését is. A rekombináció
segíthet "megszökni" a jó allélnek az esetleges
rossz háttér-fitnessű genetikai környezetből,
és más "jó" allélekkel együtt felhalmozódni
egyes egyedekben. A rekombináció hasznos lehet ha a populáció
elég nagy, az elõnyös mutációk (beneficial
mutations) ritkák, additívak, és együtt vagy külön
is elõnyösek. Az "allélkutyulás" így lehetõvé
teszi új genotípusok létrehozását és
elterjedését, a rátermett allélek koncentrálódását
egyes egyedekben, valamint az új génkombinációkkal
a változó környezethez történõ hatékony
alkalmazkodást (adaptív radiáció).
Az elmélet ökológia megközelítése:
Ha a populáció állandó környezetben él,
úgy a radiáció lassú. De ha a népességben
a mortalitás fõ oka valamilyen gyors változás,
abban az esetben a szexualitás, és az ezzel járó
gyors válaszképesség a környezet változásaira
igen elõnyös lehet. Lehetnek olyan jellegek, melyek az adott pillanatban
nem adaptívak az élõlénynek, de a gyors környezetváltozás
következtében késõbb azok lehetnek, ezért
nem érdemes semmit kidobni. A rekombináció ezeket is
segít megõrizni, újrakeverni a jövõnek
A rekombinációra a sorsjegyek analógiáját lehet hozni: minél többféle módon töltöm ki a lottószelvényeimet, annál nagyob esélyem arra, hogy a megfelelõ kombinációt eltalálom. Az aszexuális játékos hiába vesz sok szelvényt, mindegyiken ugyanazok a számok vannak beixelve (hiszen az ilyen módon keletkező élőlények őseik tökéletes másolatai, klónok). |
A Vörös Királynõ
Lewis Carroll regényében Alice Tükörországban
járva találkozott a Vörös
Királynõvel is, akinek az országában mindenkinek
rohannia kellett, hogy egy helyben maradhasson. Hamilton ezt az analógiát
alkalmazta Red Queen elméletében, amely szerint a paraziták
(vírusoktól férgekig mindenféle) alapvetõ
hatással voltak és vannak a szexualitás kialakulására
és fenntartására. Ezeknek ugyanis sikerességük
érdekében állandóan alkalmazkodni kell gazdájuk,
mint legszûkebb környezetük ökológiájához
és megújuló védekezõrendszeréhez.
Így a paraziták jelenthetik a gyorsan változó
környezetet (egy gazdageneráció alatt általában
sokkal több parazita-generáció nõ fel) gazdáik
számára, és megfelelõ szelekciós nyomást
biztosíthathatnak egy olyan hatékony ellenszer kifejlesztéséhez,
mint a szexuális rekombináció, mely állandó
változásokkal (futás) lehetõvé teszi a
a megfelelõ védekezést és túlélést
(egy helyben maradás). Az elmélet szerint a paraziták okozta teher alól
való kibújás nagyobb haszon, mint a szexualitás
miatti reprodukcióspotenciál- csökkenés.
Ennek bizonyítékaként értelmezhetõ, hogy
bizonyos immunfehérjék (pl. MHC-komplex, immunoglobulinok) génjei
nagyobb változási rátát mutatnak más enzimfehérje-génekhez
képest, így evolúciójuk gyorsabb.
2. A változás megakadályozása, a status quo fenntartása (stabilizáló szelekció)
Lényege: A rekombináció
megakadályozza a káros mutációk (deleterious mutations)
felhalmozódását, hatékonyabbá téve
eltávolításukat a genomból.
Az immungénekkel szemben az élõlények génjeinek
nagy többsége nem irányító, hanem stablizáló
szelekció alatt áll. Egy már kifejlõdött
és elõnyösnek bizonyult jelleg megváltozása
nagy fitness-hátrányt jelenthet az élõlénynek,
ezért szelekció hat a megőrzésére. A szexualitás
-és az ezzel járó rekombináció- egyes értelmezések
szerint kifejlõdhetett a genomban fellépõ káros
mutációk hatékony eltávolítása céljából
is. Kétféle modellel közelítik meg a jelenséget:
Sztochasztikus modell: A Müller-féle
"racsni" (Müller's ratchet, 1964)
Ez az elmélet csak kisméretû populációkra
használható, melyben a random hatások (pl. genetikai
sodródás) igen meghatározók lehetnek. Vegyünk
egy aszexuálisan szaporodó populációt (utódok
szüleikkel genetikailag azonosak). A modell feltételezi, hogy
a káros mutációk hatásának erõssége
nem azok számától függ (nincs addíció),
valamint azt, hogy nincs mutációmentes egyed a populációban.
Ilyen körülmények között a legfittebb egyedeknek
van, mondjuk, 1 káros mutációja. Ezek utódai is
örökítik az egy mutációt, és természetesen
szerezhetnek is hozzá még. Az utódgenerációban
is ők a legfittebbek, a többmutációsok utódai
szintén többmutációsok, és így kevésbé
jók. A véletlen hatások miatt eléggé valószínû,
hogy az összes egymutációs (tehát legfittebb) genomú
egyed elpusztul (kevesen vannak). Ekkor a populációban a legrátermettebb
egyedek már a kétmutációsok lesznek. A racsni
fordul egyet, a pop. átlagfitnesse csökken. (A racsni akkor fordul
egy foknyit, ha minden éppen legfittebb egyed eltûnik a populációból.
Azért pont a racsni a hasonlat, mert ez olyan fogaskerék, amely
csak egy irányban képes forogni, a visszafelé forgást
egy pöcök megakadályozza). A populáció megy
"lefelé a lejtõn", a legjobb fitnessû egyedek egyre rosszabbak.
A szexuális szaporodás (rekombináció) segíthet
ezt a problémát kiküszöbölni (nem csak a legfittebbnek
lehet legfittebb utódja, a jó allélek más jó
allélekhez szökhetnek).
Determinisztikus modell: A mutációsteher-csökkentés
teóriája (Kondrashov)
Mutációs tehernek hívják
a populáció génállományában felhalmozódó
káros mutációk áltai fitness-csökkenést.
Ez a modell nagy populációkra is mûködik, nem feltételez
random hatásokat (a nagy populációméret ezeket
nagyrészt semlegesíti). Feltételezi, hogy a mutációk
hatása elõfordulásuktól és frekvenciától
függ, ezek enyhe hatású és additív mutációk
(hatásuk összaadódik). Bizonyos számú mutáció
felett az õket hordozó egyed fitnesse zéró (elpusztul
vagy steril), alatta nem mutatkozik hatásuk a fitnessre. Ez esetben
nyesõ (trunkációs) szelekció hat azokra, akik
a küszöb felett vannak (szelektív halál, csak a küszöb
alattiak maradnak meg). Aszexuális populációban az egyedek
változatlan számban öröklik felmenõik káros
mutációit, esetleg új mutációkat szereznek.
A küszöb felé kerülés így a mutációk
lassú halmozódásával lehetséges. Szexuális
szaporodású populációban a fitness-variancia nagy,
a káros mutációk a rekombináció miatt felhalmozódhatnak
egyes zigótákban, akár jóval a küszöb
feletti számban is (és persze más zigótákban
sokkal kevesebb lesz, mint szüleikben). Így egy küszöb
feletti mutáció-számot hordozó egyed nagy eséllyel
jóval a küszöb feletti számban hordozhat káros
mutációkat. Ezek szelektív halálával (a
trunkáció ezeket éri) nagyobb lesz a tisztító
hatás, mint aszexuális populációkban. A rosszak
kiszelektálódásával a fitness-variancia csökken,
de a rekombináció a kutyulással újra megnöveli,
mert újra lehetõvé teszi, hogy néhány egyedbe
kerüljön sok káros mutáció. Itt a szex (rekombináció) elõnye a mutációsteher-variabilitás
megnövelésében áll, az így szaporodó
populációból egy-egy szelektív halállal
jóval több káros mutáció tûnik el,
mint aszexuálisban (mivel ott a fitness-variancia kicsi, az egyedek
kevésbé különböznek károsmutáció-számukat
illetően).
3. Egyéb teóriák a szex elõnyeinek megvilágítására
(csak vázlatosan, sok más hipotézis is van, ezek
részben átfednek).
2. Fejlõdési genetikai program újrabeállításait lehetõvé teszi.
3. Megelõzi a túl gyors evolúciót a rekombinációval. Eszerint a túl gyors alkalmazkodás káros lehet, mivel a rövid távú elõnyök lehetnek sokkal kevésbé adaptívak, mint a hosszú távúak. A rekombináció az új génösszeállítások széttörésével megakadályozza a helyi, rövid idejû adaptációt.
4. Hickey és Rose hipotézise (1988)
Ez a hipotézis egy kicsit összeesküvés-elmélet
hangulatú. Központi gondolata az, hogy a szexuális szaporodás
kezdeti formája (így a sejtfúzió és a
rekombináció) az önzõ genetikai elemek következtében
alakult ki, és kialakulása semmilyen elõnnyel nem jár
az õt hordozó élõlény számára,
kizárólag csak az önző elemnek kedvez. Egy adott
genetikai elem eredetileg az õt hordozó gazdasejtek vertikális
szaporodásának korlátai közé van szorítva,
szülő-utód vonalon adódhat csak át, az utódsejtekben
örökíthetõdik. Egy mutáns elem, mely kifejleszti
saját horizontális (adott generáción belüli)
átvitelének lehetõségét más sejttel
történõ fúzió által a generáció
egyedei között is, az lehetõvé teszi saját
maga sokkal gyorsabb elterjedését. Az önzõ elem
számára mindegy, hogy ez hordozója fitnessét
hogyan befolyásolja, ha az õ terjedését elősegíti
(történhet akár a gazdasejt kárára is,
parazitikusan).
Ilyen
önzõ elemnek mutatkozik az E. Coli baktérium F-plazmidjának néhány génje.
Ezek a gének olyan fehérjéket kódolnak,
melyek csak saját terjedésüket segítik (reproduktív
pilus növesztését, melyen átjutnak egy másik
baciba, és a génátírást végzõ
fehérjéket). Ez esetben nem játszódik
le plazmidfúzió, mint a normális ivaros konjugációkor.
A Physarum multicephalum nyálkagomba (ennek diploid plazmódiumtelepei és izogám, haploid, amőboid ivarsejtjei vannak) mitokondriumainak mif plazmidja is hasonlóan viselkedik. Normálisan a két gaméta egyesülésekor keletkezõ zigótában a mitokondriumok nem fuzionálnak (plazma és a magok nem egyesülnek). Ha viszont az egyik féle mitokondrium-plazmid tartalmaz egy bizonyos allélt (mif+), a másik szülõé viszont nem (mif-), akkor a mitokondriumok egyesülnek, rekombinálódnak, és az utódmitokondriumok mindegyike mif+ lesz. Tehát az mif+ allél önzõ és fúziót indukál. Élesztõben is figyeltek meg hasonló jelenséget, ott a mitokondriális DNS-ben az omega lókusz, ami egy intron, viselkedik hasonlóan : omega- és omega+ mitokondriumok találkozásakor az utódsejtekben omega+ lókuszok lesznek. Itt is van rekombináció (és fúzió is persze). A Physarum multicephalum testi sejtjei (a plazmódiumban) között is játszódhat le fúzió (csak szomatikusan, rekombináció nincs), ha a nukleáris gének 4 bizonyos lókuszon egyeznek. Ha nem, akkor nincs fúzió, vagy egyesüléskor inkompatibilitási reakció játszódik le: bizonyos allélek jelenlétében (Killer+ genom) az ilyen alléleket nem tartalmazó genom (killer-) eliminálódik, így a killer+ alléleknek megnõ az esélyük a továbbadódásra, önző elemnek bizonyulnak. |
Egy lehetséges magyarázat lehet
a rekombináció kialakulására, hogy az az ilyen
inkompatibilitási reakciók során lezajló eliminálódás
ellen fejlõdött ki a killer- genom menekülése (szétszeparálása)
érdekében, a magok kompeticióját és az
ebbõl eredõ esetleges végzetes következményeket
megakadályozandó. (Habár a fúzió magában
még nem feltételez kötelezõen rekombinációt,
attól az önzõ elem még terjedhet).
Az említett elméletek a szexuális szaporodásnak
mind csak egy-egy speciális elõnyét próbálták
bizonyítani. Más kutatók szerint egyfajta elõny
nem lehet elegendõ a szexszel járó sok és súlyos
hátrány ledolgozásásra, és a pluralisztikus
szemléletet hangsúlyozzák, mely szerint a különbözõ
elõnyök kombinációja vezethet az ily módon
szaporodó populációk nagyfokú sikerességhez.
Aszexuális populációk
A szex elõnyeinek bizonyítása alapvetõen kétféle módon kiveitelezhetõ: modellezéssel, vagy a filogenenetikus kapcsolatok feltárásával. A legegyszerûbb ugyanis összehasonlítani az aszexuális (szûznemzõ, klonális) és szexuális organizmusokat.
Az aszexuálisan szaporodó populációkban a mutációk nem kombinálódhatnak, egy adott elõnyös mutáns allél sikere nagymértékben a szomszéd génektõl (háttér-fitness) függ. Az imént taglalt rekombinációs elõnyöket tehát nem élvezhetik. Számos taxonban találtak szûznemzéssel szaporodó populációkat, viszont ezeknek a populációknak a filogenetikai mintázata jellegzetesen "ágvégi" (twiggy). Vagyis a partenogenetikus fajok a törzsfaágak végén találhatók, egymástól távol, szexuális fajok leszármazottjaiként, és szexuális szomszédokkal. Ebbõl arra lehet következtetni, hogy a szûznemzõ populációk ivaros populációkból alakultak ki (általában hibridizációval vagy poliploidizálódással), de hamarabb kihalnak, minthogy diverzifikálódjanak, egész aszexuális ágat hozva létre. A szûznemzés valószínûleg tehát nem jó hosszú távú stratégia (rövid távon nagy előnyei lehetnek, lásd ezüstkárász merospermiája vagy a levéltetvek nemzedékváltakozása). A aszexuális ágak gyakran különleges ökológiai szituációban jönnek létre, de ökológiai potenciáljuk általában kicsi (alkalmazkodóképességük, tûrésük alacsony).
A csak szûznemzõ levéltetvek nem képesek téli petét (ivaros szakasz) csinálni, így csak fagymentes élõhelyeket tudnak meghódítani, szemben az ivaros alakot is csináló télipetés fajokkal. |
Az ausztrál sivatagban különös gyakorisággal fordulnak elõ szûznemzõ fajok (pl. Acacia aneura fák, Senna genusba tartozó füvek, vagy az ezeket is fogyasztó Warramaba szöcskék és Sipyloidea botsáskák, valamint Menetia gyíkok.) Ezek általában szintén ivaros rokonaikból, hibridizációval jöttek létre. A szélsõséges körülmények kedvezhetnek a szûznemzõ populációk kialakulásának, mivel a biotikus interakciók száma itt limitált, a kompetitorok, predátorok és paraziták kicsi száma miatt a koevolúciós verseny is redukált lehet, aszexuális versenyzõknek is lehet így esélyük. |
A legtöbb szûznemzõ populáció tehát
idõleges, más, partenogenetikusnak gondolt fajoknál
megtalálták a hímeket, van viszont néhány
taxon, mely makacs módon permanensen aszexuálisnak bizonyult,
és nagyon nem illik be a teóriákba. (Maynard-Smith
"Aszexuális botrányok"-nak nevezte őket).
A Bdelloidea kerekesféreg-családban pl. 360 (jó morfológiai elkülönülést mutató) faj így szaporodik, és a genetikai vizsgálatok 80-100 millió éve nem rekombinálódó genomot mutatnak náluk. Darwinula ostracoda rákok fosszíliáiban kb. 100 millió évre visszamenõleg nem találtak hím egyedet. |
Ha egy kizárólag aszexuálisan mûködõ
populáció megoldja a mutációk és a paraziták
problémáját, akkor elõnyben van szexuális
versenytársaival szemben a nagyobb reproduktív potenciál
miatt.
1. Rövid genom és kis mutációs
ráta esetén kicsi a mutációs felület, így
megúszhatjáka káros mutációk felhelmozódását..
2. Kompenzációs mutációkkal kijavíthatják
a káros mutációkat.
3. Poliploidia lehet náluk, ami csökkenti a mutációs
veszélyt.
Aszexuális populációk és a mutációs
teher
1. Ezek ellen védekezhetnek úgy, hogy nem fejlesztenek javító
mechanizmust, ami azzal járhat, hogy a mutációk fellépése
letális az egyedre nézve, de így az nem tudja örökíteni
a javított, de még így is esetlegesen kicsit káros
hatást. A káros mutáció az egyed halálával
így a populációból eltûnik, a mutációs
teher nem nő.
2. A genom olyan részében (hot spots) növelhetik a mutációs
rátát, ahol a hasznos mutációk esélye nagyobb.
Mennyi szex optimális?
A szexuális és aszexuális szaporodás nem obligát,
ismertek populációk, ahol mindkét forma elõfordul.
A két szaporodási mód között sokféle
átmenet is lehetséges. A megfelelő szintű genetikai
variabilitáshoz ugyanis elegendõ, ha utódok csak kis
része produkálódik szexuális úton, térben
vagy idõben elkülönülve a szûznemzõ egyedektõl,
ezzel a szex költségeit nagymértékben lehet csökkenteni.
A költségek lefaragása megvalósulhat pl. a
hímek dupla költségének csökkentésével,
a hímek arányának csökkentése által.
Erre érdekes példa a Caenorhabdis briggsae hengeresféreg ivari determinációja.
A két ivari kromoszómájú egyedek (XX)
hermafroditák, az egy ivari kromoszómások (Xo) hímek, nőstény
ivar nincsen. A hermafroditák haploid
petesejteket (X kromoszómával) és hímivarsejteket
is (szintén X kromoszómával) termelnek, a hímeknek
pedig kétféle (X-es vagy o-ás) hímivarsejtjeik
vannak. A Caenorhabditis
elegans féregnél a keletkezõ utódok
50%-a hím és 50%-a hermafrodita. Ezzel szemben a Caenorhabdis
briggsae-nél csak 10% a "haszontalan" hímek
aránya, 90 %hermafrodita. Ezt úgy tudják megvalósítani,
hogy a hímtõl származó X-es spermium spermakompetícióban
legyõzi a hermafrodita X-es spermiumját (nincs önmegtermékenyítés),
és a hím o-ás spermiumját is, amibõl
következõen a zigóták nagy része
XX lesz. (X kromoszóma önzõ genetikai elem, a o
gének rovására növeli ezzel terjedési
esélyeit). Ezáltal biztosítva van a nagyszámú
nõivarsejt a sok hermafrodita által, de a rekombinációkhoz
szükséges hímek is jelen vannak, csak jóval
kisebb (de így is elegendõ) számban. Az
önző genetikai elemkről később még
lesz szó. |
Egy
másféle költségcsökkentés az,
ha a populációban csak bizonyos idõszakonként
jelennek meg ivaros alakok. A levéltetvek
nemzedékváltakozásánál (lásd
a definícióknál) is azt látjuk,
hogy a szaporodási szezon döntő része ivartalanul
(a "haszontalan" hímek mellőzésével)
folyik, ami lehetõvé biztosítja a nagy reprodukciós
potenciált. Csak egy rövid varos szakasz van (a téli
petét látrehozó formák, és a téli
petéből kikelő fundatrix), ez viszont biztosítja
a genetikai variabilitást a populációban. Hasonló
ciklikus partenogenezist mutat még rengeteg faj (pl. gubacsdarazsak,
cladocera rákok, stb.) |
Ennek ellenére a legtöbb élõlénynél kizárólagos a szexuális szaporodás. Úgy vélik ez azért van, mert ha egy populáció váltogatja a kétféle módot, úgy az instabilitást okozhat a populációban, pl. (mutációs ráta megnövekedésével) és ez kedvez a szexualitás állandósulásának. Így lehet, hogy "egyirányú utca" a szexualitás. Aki rálépett az útra, előbb-utóbb teljesen benne találja magát.
|
||||||||||||