To, że nie jesteśmy małpami, a małpy nie są lemurami, zaś lemury nie są… etc. zawdzięczamy – jak twierdzą uczeni z Rockefeller University – samczym jądrom. Choć zatem Y jest chromosomem ułomnym, słabym i na wymarciu, to w mosznie ukrywa się wiele niedocenianej dotąd, ewolucyjnej mocy. A wszystko za sprawą mutacji.

Zaczęło się od grochów-mutantów

Karol Darwin, choć z dzisiejszej perspektywy to się wydaje w zasadzie niemożliwe, opowiedział ludzkości teorię ewolucji nie korzystając ze słów: gen, DNA, mutacja. To tak, jakby ktoś doskonale wymyślił i opowiedział ludzkości co to jest i jak działa samochód, w ogóle nie posługując się terminami silnik czy paliwo. Darwin musiałby być jasnowidzem, i to biegle czytającym po niemiecku, by w roku 1859 w swym dziele „O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego” (gdzie wyjaśniał, że zróżnicowanie występujące w naturze wynika z dziedziczenia naturalnie powstających modyfikacji i następnie ich selekcji za sprawą doboru naturalnego) znać podłoże owych tajemniczych modyfikacji.

Albowiem Grzegorz Mendel, opat zakonu augustianów w Brnie na Morawach, dopiero siedem lat po książce Darwina opublikował drukiem wyniki swych wieloletnich badań nad dziedziczeniem cech u grochu, w stanowiącym absolutny fundament genetyki artykule „Versuche über Pflanzen-Hybriden” (Badania nad mieszańcami roślin). Mendel był tak skromny, czy zajęty, ma bowiem pewne osiągnięcia naukowe także w meteorologii, hydrogeologii i pszczelarstwie, że nawet nie wymyślił nazwy tych swoich „jednostek dziedziczenia”, które teraz, już nazwane genami (allelami) w „Dwóch Prawach”, musimy wydukać przy tablicy, najczęściej bez zrozumienia, ku satysfakcji profesorki od biologii w liceum. Pojęcie GEN zawdzięczamy bowiem Wilhelmowi Johannsenowi, który raz na zawsze wprowadził je do obiegu naukowego dopiero w roku 1909. I choć nieco czym innym jest „gen” ewolucyjnie, a czym innym „gen” molekularnie, oba są zbudowane z DNA, czego oczywiście Johannsen z kolei wiedzieć nie mógł[1].

Kolejny szalenie ważny dla tej opowieści uczony, którego zaistnienia Darwin przecież nie mógł przewidzieć formułując teorię ewolucji, to Hugo de Vries. Tenże, wraz z Carlem Corrensem i Erichem von Tschermak-Seyseneggiem, w Roku Pańskim 1900 niezależnie powtórnie odkryli zapoznane Prawa Mendla. Ów de Vries, botanik z Niderlandów, pracując na różnych gatunkach roślin sformułował pierwszy pojęcie „mutacji” genu. W jego bowiem rękach (uczciwy ambitniak, gdy odkrył prace Mendla, to chciał powtórzyć ich wyniki) matematycznie wychodziło nieco mniej idealnie, niż zakonnikowi z Czech. Czerwone grochowe kwiatki bywały czasem ekstraordynaryjnie różowe lub białe. Częstość zjawiska takiej „przemiany” była znikoma, ale… Dziś wiemy, że Mendel musiał był te bardzo nieliczne „niepokorne” roślinki – mutanty – usuwać ze skrzynek, aby mu się proporcje zgadzały w potomstwie krzyżówek.

De Vries nie wyrywał, więc dla opisania tych wyjątków ukuł wspomniane, najistotniejsze dla całej ewolucji w ogóle i w szczegółach, pojęcie MUTACJI, jako zmiany zapisu informacji genetycznej, stanowiącej pierwotne źródło zmienności genetycznej organizmów. Czyli rzekłszy prosto, to dzięki mutacjom w DNA nie jesteśmy nadal maleńkimi kulkami żyjącymi w praoceanie.

Skąd się biorą mutacje? Tu musimy zacząć od tego, jak odkryto, że geny leżą na chromosomach, a chromosomy zbudowane są z DNA. Gdyby bowiem nie mutacje, to tego – czyli tzw. chromosomowej teorii dziedziczenia autorstwa Thomasa Hunta Morgana – w ogóle by nie było.

Morgan miał szczęście[2]… co tam „szczęście”, po prostu gigantyczny i ekstraordynaryjny fart milenium, że za obiekt swych zainteresowań zmiennością organizmów obrał muszkę owocówkę (Drosophila melanogaster).

Wziąć muszkę dziewicę i dopuścić samca…

To ona – mucha robiąca z wina ocet (mouche de vinegre, zwana u nas owocówką, lub tak na poważnie, w entomologii: wywilżną karłowatą), która uczyniła Luisa Pasteura ojcem mikrobiologii – będzie największym bohaterem tej historii. Bo to właśnie dzięki precyzyjnej analizie jej maleńkich jąder i tworzonej tam spermy (a teraz zamknijmy oczy i wyobraźmy sobie sekcję muszki owocówki dla izolacji tychże jąder za pomocą dwóch pęset pod binokularem: robiłam to własnymi rękami dla pozyskania do badań jej jelit i to się nie da opowiedzieć słowami) uczeni z Rockefeller University w Nowym Jorku, kierowani przez profesora Li Zhao, mogli dziś ustalić, gdzie głównie zachodzą mutacje warunkujące ewolucję na naszej planecie. Przynajmniej odkąd występują na niej organizmy płciowe, czyli od mniej więcej 1,2 mld lat.

Znowu – potrzebujemy tu łyku historii, która jest nauczycielką życia. Luis Pasteur szukał w Strasbourgu niewidzialnej przyczyny zamiany wspaniałych alzackich Gewurztraminerów w ocet, a był za mądry, by wierzyć w jakieś flogistony i inne nonsensy. Wierzył za to mocno w Boga i Najświętszą Panienkę, nie rozstając się z różańcem. I w tym skwaśniałym winie znalazł bakterie, zwane dziś Acetobacter, które dominują we florze bakteryjnej jelit owada, mających ujście tam, gdzie i jajowody. Składając jaja na winogronach, muszka zakaża je jednocześnie bakteriami octowymi. Właściwie chodziło tylko o to, żeby wino nie kwaśniało, co wymagało… pasteryzacji. No to ją Pasteur opracował, z czego potem żył, bo proces to nader przydatny, a dawał utrzymanie pozwalające na zajmowanie się tacierzyństwem dla nowonarodzonej właśnie nauki o bakteriach i wirusach.

Dzisiejsze badania nad mikrobiomem muszki owocówki (prowadzi się takowe, a jakże!) pozwoliły stwierdzić, że w tym, jak i w wielu innych tematach – do czego zaraz wrócę – stanowi ona doskonały, bo tani, szybko się mnożący i mocno uproszczony MODEL Homo sapiens. Gdy bowiem porównywać jej florę jelitową z naszą, okazuje się być znacznie mniej liczna i zróżnicowana, ale jest i działa tak samo, jak u nas[3].

W muszce jest niemal wszystko co w nas, ale jest tam „prostsze” i dzięki temu łatwiejsze do zbadania. I tu pora wrócić do Thomasa Hunta Morgana z Columbia University. Gdy de Vries odkrył ponownie Mendla, zainspirował Amerykanina tak, że ów już w 1915 r. opracował i opublikował wiekopomną chromosomową teorię dziedziczenia. Wykazał w niej na muszce fundamentalną prawdę, że nie dziedziczymy jakichś tajemniczych i efemerycznych „cząstek genetycznej pamięci”, tylko chromosomy i znajdujące się na nich materialne geny. Aczkolwiek nadal nie wiedział, że są one zbudowane z DNA – podejrzewał raczej białka.

O co chodzi z tą teorią chromosomową dziedziczenia genów i co to ma wspólnego z naszą opowieścią o muszych jądrach? My mamy 23 pary chromosomów, w tym jedną parę odpowiedzialną za płeć. Muszka ma tylko cztery pary – prosty system modelowy. Ma też – tak jak my – płeć zapisaną w chromosomach X i Y. A w dodatku owad posiada ślinianki, których chromosomy przybierają gigantyczne, obserwowalne pod mikroskopem rozmiary i są prążkowane. Są tak wielkie, że już 120 lat temu Morgan był w stanie zbadać zjawiska mutacji w muszce owocowej POD MIKROSKOPEM. Wypatrzył, że geny zajmują w DNA konkretne stałe miejsce. Czyli są ułożone na chromosomach liniowo, a zatem chromosom to taki sznurek z „nanizanymi genami” – tak sobie to wtedy wyobrażano. Istniejący w danym miejscu prążek „gen” pod wpływem mutacji zmieniał swe położenie i to się dało zobaczyć pod mikroskopem. Tak powstała fizyczna mapa całego muszego genomu. Sto lat przed poznaniem sekwencji jego DNA.

Gapić się w ten mikroskop z uwagą i zrozumieniem trzeba było trzydzieści kilka lat, jednocześnie krzyżując, selekcjonując i badając liczne mutanty muszki: o rozmaitych kolorach oczu, ubarwieniach ciała, liczbie skrzydeł i odnóży oraz czułków, różnych kształtach, liczbie i układzie włosków na tułowiu etc. Ponieważ widać, kiedy muszka jest dziewicą (jest taka jaśniutka, prześwitująca, rzekłbyś rusałka), to dopuszczając do niej wtedy samca, uzyskujemy jego potomstwo przez całe życie muchy, gdyż gromadzi ona te pierwszą spermę raz na zawsze. Liczenie różnych klas ich wzajemnego muszego potomstwa zaowocowało 22 książkami, 370 publikacjami naukowymi, Nagrodą Nobla w roku 1933 dla samego Morgana i siedmioma Noblami dla badaczy pracujących w powołanym przez niego wydziale biologii w California Institute of Technology. W laboratoriach całego świata nadal pracuje się nad tysiącami różnych zagadnień dzięki wielu wyizolowanym przez niego mutantom. Bez muchy genetyki, a i biologii, po prostu by nie było.

Monogamia niekorzystna dla panów

Czym zatem jest ta mutacja, że aż prążek się zmieniał w widocznym pod mikroskopem chromosomie ślinianek muszki owocowej? Jest maleńka, ale może mieć gigantyczne skutki[4]. Prowadzić do chorób lub śmierci, albo jakiejś doskonalszej pod pewnym względem formy życia[5].

Każda ze zmian sekwencji DNA może (choć nie musi) nieść dla formy życia, u której wystąpi, coś nowego. Mutacje zachodzą naturalnie, bo maszyneria kopiująca DNA podczas powielania jest, jak wszystko na tym świecie, niedoskonała i się myli. Mogą też zachodzić w wyniku działania tzw. mutagenów. Czyli np. promieniowania jonizującego, wolnych rodników, rozmaitych toksycznych chemikaliów. Powodują one najczęściej uszkodzenia w DNA lub tak drastyczną zmianę jego struktury, że komórkowa maszyneria mająca dokonywać replikacji przestaje sobie radzić, a i maszyneria stworzona, by naprawiać błędy w DNA, czyli mutacje, nie nadąża.

Trzeba tu też zauważyć z mocą, że zgoła czym innym są mutacje zachodzące w większości komórek naszego ciała w toku naszego życia: co najgorsze, to mogą przynieść nam raka, ale się nie dziedziczą. Natomiast mutacje zachodzące podczas produkcji gamet, czyli komórek jajowych i plemników, to zupełnie inny kaliber. Bo w tym wypadku zmiana ma szansę wpłynąć na potomstwo. Czyli, ujmując to językiem ewolucji – na jego przystosowanie do środowiska. I dobór naturalny może tę zmianę genetyczną, przejawiającą się w jakimś białku, a zatem w jakiejś konkretnej cesze, utrwalić, zapewniając nosicielowi więcej zdrowych wnuków, albo ją wytracić bez miłosierdzia. Albo też w ogóle lub prawie jej nie zauważyć. Życie na Ziemi ma jakieś 4,5 miliarda lat. Ziarnko mutacji do ziarnka i tak z kulek powstały też lemury, z nich małpy, a z małp my[6].

Jak wspomniałam, gen to trochę co innego tak z punktu widzenia ewolucji, jak i biologii molekularnej. W koncepcji ewolucyjnej geny to konkurujące między sobą odcinki kwasu nukleinowego, których reprezentacja w kolejnych pokoleniach ulega zmianie. Biologia molekularna za geny uznaje odcinki DNA ulegające ekspresji realizowanej przez syntezę RNA lub białek. Czyli razem: geny to odcinki DNA ulegające ekspresji, które między sobą konkurują i zmieniają się w kolejnych pokoleniach. I dziś stało się jasne, że te najbardziej istotne z punktu widzenia ewolucji mutacje, dzięki którym i ta ekspresja się zmienia, i ta konkurencja jest możliwa, zachodzą nie gdzie indziej, ale w jądrach samców. U muszki owocowej oczywiście, ale można przyjąć, że u człowieka będzie bardzo podobnie, tylko „bardziej namieszane”.

Na elektronicznych łamach „eLife” z 16 sierpnia 2019 roku wspomniana już grupa z Rockefeller University opisuje, że wykonała niezmiernie wyszukane doświadczenie. Nie tylko zdołała posiąść pojedyncze komórki muszych jąder podczas spermatogenezy, ale też dla wielu z nich wykonać nietrywialne sekwencjonowanie całego powstającego tam RNA[7]. Czyli de facto ustalono, jaką mają sekwencję te geny, które w ogóle ulegają tamże ekspresji. Jądra te (jak i każde inne) działają w ten sposób, że na samym początku tworzącej je rurki powstają (czyli namnażają się przez nieustanny podział prekursorów) te komórki, które później, znacznie dalej, będą już plemnikami. A potem, po drodze ku wylotowi rurki, one sobie dojrzewają. Okazuje się, że gros mutacji powodujących powstawanie nowych genów ma miejsce tam na samym początku.

Samo w sobie to nie dziwi. Te komórki u szczytu narządu nieustannie się dzielą, więc system powielania DNA ma się kiedy mylić. W trakcie dojrzewania plemników, systemy naprawy DNA robią w jądrach, co tylko mogą. Ostatecznie jednak, ze względu na masowość produkcji plemników, praktycznie wszystkie te cudowne mutacje, które skatalogował Thomas Morgan oraz pokolenia jego uczniów, mają swe źródło w pracy jąder. I wiele innych mutacji też. A każda z nich jest jak te schody, o których w swym przyszłym domu, gdy już będzie bogaty, marzył Tewje Mleczarz: jedne są do góry, drugie w dół, a trzecie zupełnie donikąd. Jak to ładnie ujmują autorzy tego przeciekawego badania: „dostarcza ono dogłębnego zrozumienia, na jakiej zasadzie jądra męskie są w stanie utrzymać swoją zasadniczą funkcję reprodukcyjną, a jednocześnie stanowić kuźnię innowacji ewolucyjnych”. Nie można zmutować za bardzo, bo mogą powstać plemniki niezdolne do zapładniania. Ale trzeba tyle, by świat się kręcił.


Wszystko to oczywiście ma dość głębokie ewolucyjne znaczenie. Tak muszka owocówka, jak i kobieta, ma niewielkie szanse zostawić więcej niż trzydzieścioro dzieci. Kobietę ogranicza stosunek długości trwania ciąży do czasu, kiedy jest płodna. Muszkę, że przychodzi na świat i wytwarza w ciągu pierwszych czterech dni życia 30-40 dojrzałych komórek jajowych. I więcej ich już nie zrobi. Natomiast tak muszy, jak i ludzki samiec plemniki robi ciągle od momentu wejścia w dojrzałość, miliony. I codziennie może się bez utraty zdrowia pozbyć sporej ich liczby w celach prokreacyjnych. Pole do popisu we wprowadzaniu zmian w DNA, bez wielkich kosztów i z minimalnym ryzykiem, mają zatem panowie.

Warto tu powiedzieć, że już od lat 40. ubiegłego stulecia panuje w seksuologii i naukach pokrewnych tzw. zasada Batemana. Postuluje ona, że samica osiąga sukces godowy przy użyciu niewielkiej różnorodności samców, zaś samiec to samo uzyskuje coraz bardziej wraz z rosnącą różnorodnością partnerek. Dzieje się tak dlatego, że samicy wystarczy jeden, pierwszy partner, aby zapłodnić wszystkie jej komórki jajowe, lub jest ona w stanie urodzić i wychować z góry ograniczoną liczbę potomstwa. Wybrańcy losu mają zatem bardzo wiele partnerek i jeszcze więcej potomków, a osiągają sukces ewolucyjny, gdy ich rywale odpadają. Kobieta dąży do sukcesu ewolucyjnego odwrotnie: ma jednego partnera i wiele zdrowych dzieci i wnuków z nim właśnie. Monogamia jest ewolucyjnie korzystna dla samic, a nie dla samców.

Zgodnie z tą zasadą ma sens, że to w samczych jądrach ukrywa się główne źródło zmienności. W ten sposób jeden, zwycięski w konkurencjach godowych na wielkich igrzyskach życia samiec generuje wiele potomstwa, które poddawane jest bezwzględnym, jak u much, lub względnym, jak u ludzi, siłom doboru naturalnego. Rzecz ujmując prosto: gdyby podczas swego powstawania mutowały głównie komórki jajowe, a plemniki trwałyby niezmienne, nadal siedzielibyśmy na drzewie.

– Magdalena Kawalec-Segond,
doktor nauk medycznych, biolog molekularny, mikrobiolog, współautorka „Słownika bakterii”

TYGODNIK TVP, ul. Woronicza 17, 00-999 Warszawa. Redakcja i autorzy

Przypisy:

1. Choć DNA jako banalny związek chemiczny jądra komórkowego został odkryty już w roku 1869 przez Fryderyka Mieschera, to przez kolejne niemal 100 lat jego struktura i funkcja pozostawały zagadką. A w tym wypadku struktura absolutnie określa funkcję. Bo DNA powielając siebie, czyli replikując, zapewnia dzielenie się komórek, czyli ich trwanie w nieskończoność w potomstwie. Dzięki zaś swej strukturze i enzymom, które warunkują jego DNA biologiczne trwanie, mutuje, co zapewnia naturze zmienność. Rzeka życia ma dwa źródła: replikację i zmienność, by płynąć ku trwaniu i różnorodności. Dlatego porwani nurtem tej rzeki, w ogóle istniejemy i mimo wszystko trwamy, a nie jesteśmy nadal małymi kuleczkami w praoceanie, którymi byliśmy cztery miliardy lat temu.