Szex vs. patogének

A biológia nagy kérdéseinek egyike, hogy a szex az vajon miért is jó (evolúciós szempontból, természetesen). A válasz nem triviális hiszen egy önmegtermékenyítő faj látszólag előnyben van a két nemet is tartalmazókkal szemben, ahol csak a populáció fele képes utódokat létrehozni. Magyarán, ha nem lenne valamilyen előnye, akkor a szex egyszerűen megszűnne létezni, hiszen ha egy-egy fajban megjelennének az önmegtermékenyítő egyedek, valamilyen mutációnak köszönhetően, néhány generáció alatt kiszorítanák a szexuálisan szaporodókat.

A biológia nagy kérdéseinek egyike, hogy a szex az vajon miért is jó (evolúciós szempontból, természetesen). A válasz nem triviális hiszen egy önmegtermékenyítő faj látszólag előnyben van a két nemet is tartalmazókkal szemben, ahol csak a populáció fele képes utódokat létrehozni. Magyarán, ha nem lenne valamilyen előnye, akkor a szex egyszerűen megszűnne létezni, hiszen ha egy-egy fajban megjelennének az önmegtermékenyítő egyedek, valamilyen mutációnak köszönhetően, néhány generáció alatt kiszorítanák a szexuálisan szaporodókat.

Így aztán nem kevés fejtörést okozott a szex puszta léte az evolúcióbiológia nagyágyúinak is, és mára két elfogadott magyarázat látszik körvonalazódni. Mindkettő megértésének az a kulcsa, hogy a szexuális szaporodás során az apai és anyai, illetve nagyapai és nagyanyai genomok keveredése történik (s így alakul ki a minden kromoszómából két párt hordozó diploid genom). Előbbit könnyebb megérteni, hiszen az anyából és az apából származó haploid (vagyis egy-egy pár kromoszóma helyett, csak egy-egy kromoszómát hordozó) ivarsejtek egyesülése hozza végül létre a diploid utód-genomot. Viszont az ivarsejtek létrejötte során a szülők, saját szüleiktől örökölt genomja is keveredik: az (nagy)apai és (nagy)anyai kromoszómák egymás közt cserélik ki részeiket a meiózisnak nevezett folyamat során.

Ez a fajta genom keveredés ellentétben van az aszexuálisan szaporodó állatok esetével, ahol minden utód gyakorlatilag a szülő klónja, plusz esetleges újonnan megjelenő mutációk.

De visszatérve a szexualitás két lehetséges előnyére: egyrészt az esetleges káros mutációk könnyebben kiszóródhatnak, ha a szülők megkeverik a genetikai anyagukat (míg a klonálisan szaporodó aszexuálisok esetében, a káros mutáció minden utódban megmarad). Másrészt, és mai történetünk szempontjából ez lesz az izgalmas, a fent vázolt folyamattal a hasznos mutációk is könnyebben elterjedhetnek: A, B és C hasznos mutáció könnyebben összekerül egy szexuálisan szaporodó populációban, mint egy szexet nélkülözőben, ahol az egyetlen lehetőség együttes megjelenésükre, hogy egymás után kialakuljanak.

Hogy konkrét példát is nézzünk, ilyen “előny” lehet a paraziták elleni védekezés. A természetben folyamatos “fegyverkezési versenyek” zajlanak ragadozók és prédák, illetve paraziták és gazdáik közt, amely során, ha az egyik fél pillanatnyi előnyhöz jut egy új tulajdonság megjelenése folytán, akkor a másik vagy maga is változással válaszol erre, vagy a kipusztulás fenyegeti. (Ez az ún. “Red Queen hipotézis“, amely Lewis Caroll “Alice tükörországban” című művére utal, ahol a Vörös királyné birodalmában tiszta erőből kellett rohanni ahhoz, hogy egy helyben maradjanak.)

A genetikusok egyik kedvenc modell szervezete, a Caenorhabditis elegans nevű fonalféreg ideális alanya, hogy leteszteljük a szexualitás hasznáról szóló predikciókat. Ugyanis nem hímeket és nőstényeket lelünk az egyedek között, hanem hímeket és önmegtermékenyítésre (is) képes hermafroditákat. Mutációk révén pedig csak önmegtermékenyítő, ill. csak szexuálisan szaporodó csoportokat is elő tudunk állítani, azaz már csak egy jó kis parazitára van szükség, hogy megnézzük mi is a helyzet, előnyös lehet-e a szex.

A Serratia marcescens nevű bakteriális patogén pont megteszi, hiszen a fonalférgek ezt elfogyasztva megbetegednek és gyakran el is pusztulnak, ugyanakkor már azt is tudtuk eddig, hogy a féreg képes valamilyen immunitást kifejleszteni a baktériummal szemben.

Egy átlagos, patogénnel nem sújtott, kontroll C. elegans populációban 20% körül van a szexuális szaporodás aránya. Amikor azonban patogént adunk a táptalajukhoz, ez az arány látványosan megugrik, akár 80%-ot is elérhet az első pár generáció során. Ha az egymást követő generációkat mindig ugyanazzal a baktérium törzzsel “lepjük meg”, akkor az látható, hogy a szexualitás aránya hamarosan ismét csökkenni fog a populációban (“Evolution” feliratú görbe a baloldali ábrán). A jelenség jól korrelál az immunitás megjelenésével és elterjedésével. Ha azonban hagyjuk, hogy a baktérium is evolválódjon a féreggel, vagyis nem mindig az eredeti baktérium törzset vesszük elő, akkor azt tapasztaljuk, hogy a szexualitás magas aránya állandó marad a populációban (“Coevolution”)! Ebben az esetben a féreg immunitására a baktérium is változással reagál, ami miatt a folyamatos változás kényszere továbbra is fennmarad.

A dolog még látványosabb, ha a kísérletek különböző pillanataiban lefagyasztott féreg és baktérium törzseket engedjük össze. Látható pl., hogy egy kizárólag önmegtermékenyítésen alapuló (“obligately selfing”) féreg populáció egyre kiszolgáltatottabbá válik a patogénnel szemben, magas mortalitást találunk, különösen, ha egy koevolválódó baktériummal tesszük össze és általában pár generáció után kipusztul. Ezzel szemben egy vad típusú, vegyes szaporodású (“wildtype – mixed mating”) és egy önmegtermékenyítésre képtelen (“obligately outcrossing”) populáció nem hogy nem mutat növekvő mortalitást, de koevolválódó egyedeik gyakran kifejezetten jobban túlélnek, mint a kísérlet elején élt őseik.

Vagyis a szexuális szaporodásra való készség kifejezett előnyt jelentett a patogénnel való harcban. S hogy akkor miért is, vannak mégis hermafroditák a férgek között? Mert, a szexualitás felé ható szelekciós nyomás csak olyan közegben él, ahol jelen van a szelekciós ágens, a koevolválódó patogén. Ennek hiányában, mint azt a kezdetben is láttuk, a hangsúly a több utód létrehozására helyeződik, ebben pedig az önmegtermékenyítő egyedek a jobbak.

Morran LT, Schmidt OG, Gelarden IA, Parrish RC 2nd, Lively CM (2011) Running with the Red Queen: host-parasite coevolution selects for biparental sex. Science 333: 216-8.