Wszystko zaczyna się od jaja, a zwłaszcza kura (wbrew rzekomym dylematom, do czego jeszcze wrócę). Jak mawiali starożytni Rzymianie przy ucztach, serwując je jako pierwsze: „ab ovo”. Jajo to początek i podstawa tak życia zwierząt na lądzie, jak i ludzkiej diety, którego wcale nie należy sobie odmawiać. Jajo to wielka naukowa tajemnica, zagadnienie dla rozważań i dociekań biologów, matematyków i inżynierów.

Dopiero teraz opisano geny związane z wydajną produkcją jaj kurzych – i to nie wszystkie – oraz poznano matematyczny wzór na kształt zasadniczo każdego ptasiego jaja. Szybciej polecieliśmy w kosmos, niż opisaliśmy formułą tak dobrze nam znaną figurę – takie są fakty. A od pełnego zrozumienia tej „kapsuły życia” jesteśmy nadal bardzo daleko.

Statystyczny Polak skonsumował w latach 2014-2019 od 139 do 162 sztuk jaj kurzych rocznie (to i tak nic przy prawie 300 spożywanych przez statystycznego Amerykanina Północnego), a uczeni nawet tego jaja nie potrafią co do kształtu modelowo opisać!

Dlaczego mają tak różne kształty?

Jajo jakie jest, każdy widzi. Na łamach „Science” w 2017 roku biolodzy ewolucyjni z Uniwersytetu Princeton pod kierunkiem Mary Caswell Stoddard zanalizowali jaja ptasie występujące w wielu, gatunkowo specyficznych kształtach: od prawie idealnie okrągłego jaja sowicy brunatnej po jajo w kształcie kropli wody biegusa karłowatego. Dlaczego są tak rozmaite w kształcie (że o ubarwieniu nie wspomnę)? Odpowiedź uczonych wiąże ową rozmaitość z tym, że ptaki ewoluowały do różnych rodzajów lotu i związane z tym zmiany w ciałach (także w brzuchach) wymuszały konkretne ukształtowanie ich jaj. Silniejsi lotnicy wśród ptaków mają tendencję do składania jaj, które są bardziej wydłużone.

Wcześniejsze analizy sugerowały, że różne kształty jaj mogą pomóc ptakom na wiele sposobów. Być może jaja w kształcie stożka rzadziej wypadają z gniazd ptaków żyjących na klifach. Lub niemal idealnie kuliste jaja mogą być odporne na uszkodzenia w gnieździe. Ale nikt nie przetestował tych domysłów na wielu ptakach. Stoddard i jej zespół przeanalizowali prawie 50 000 jaj. Reprezentowały one 1400 gatunków, czyli około 14 procent wszystkich gatunków ptaków.

Naukowcy zredukowali każde jajko do jego dwuwymiarowego rzutu. Następnie użyli algorytmu do opisania każdego jajka za pomocą dwóch zmiennych. Jednym z nich było to, jak eliptyczne lub kuliste jest jajko – czy jego sylwetka jest bardziej owalna czy okrągła? Drugą zmienną była asymetria — czy jajo jest bardziej spiczaste na jednym końcu niż na drugim?

Następnie przyjrzeli się, w jaki sposób te dwie cechy różnią się w obrębie drzewa genealogicznego ptaków. Okazało się, że gatunki, które są silniejszymi lotnikami mają tendencję do składania bardziej eliptycznych lub asymetrycznych jaj. (Naukowcy wykorzystali kształt skrzydeł, aby „zmierzyć”, jak silnym „lotnikiem” jest każdy z tych ptaków.) Kształt jaja i siła lotu są ze sobą powiązane, nadal jednak nie wiadomo, dlaczego. Żeby się tego dowiedzieć, trzeba by wymyślić jakiś sprytny eksperyment.

Gdy jajo jest niezapłodnione, to jego żółtko jest największą pojedynczą komórką, jaką ma ptak czy gad. Przy czym analiza paleontologiczna wskazuje, że jaja mniejszych dinozaurów mięsożernych były większe, niż znacznie bardziej gigantycznych brachiozaurów i innych roślinożernych kolosów. Te, póki niedojrzałe, były bezbronne, więc szły w ilość. Składały setki jaj. Gdy mięsożercy zadowalali się kilkoma czy kilkunastoma w gnieździe.

Ale do ewolucji jaja w historii życia na Ziemi jeszcze wrócimy. Zwłaszcza, że ewolucyjnie jest ono starsze od kury, zatem pytanie, co było pierwsze, ma swą oczywistą biologiczną odpowiedź i wcale nie jest ani trudne, ani podchwytliwe.

Idealny kształt londyńskiego ratusza

Choć jaja są tak różnorodne w kształcie, jak opisałam powyżej, „analizę wszystkich kształtów jaj można przeprowadzić za pomocą czterech figur geometrycznych: kuli, elipsoidy, bryły stożkowej i gruszkowatej. Pierwsze trzy mają jasne definicje matematyczne, z których każda wywodzi się z wyrażenia poprzedniego, ale wzór na profil gruszkowaty nie został jeszcze wyprowadzony”! Tak (aczkolwiek bez końcowego wykrzyknika) zaczynają swą jak najbardziej naukową publikację z sierpnia 2021 na łamach „Annals of New York Academy of Sciences” naukowcy z University of Kent, Research Institute for Environment Treatment i Vita-Market Ltd. Ukrainiec Valeriy G. Narushin oraz dwóch Brytyjczyków: Michael N. Romanov i Darren K. Griffin.

Nauka jest fascynująca właśnie dlatego, że czasem pracuje przez lata nad zagadnieniami tak –wydawałoby się – prozaicznymi, które jednocześnie okazują się niezmiernie skomplikowanymi, jak kształt jaja. Każda głupia kura, byle nie chora, umie jajo „ulepić” dość doskonale, a najtęższe matematyczne głowy (takie od „czarnych dziur” i innych sążnistych tematów) wymiękały w kwestii matematycznego opisu tegoż jaja.

Skoro pierwsze trzy niezbędne w tej analizie bryły „mają jasne definicje matematyczne, z których każda wywodzi się z wyrażenia poprzedniego, ale wzór na profil gruszkowaty nie został jeszcze wyprowadzony”, to aby to naprawić, do formuły jajowatej wprowadzono dodatkową funkcję. Powstały w ten sposób model matematyczny pasuje do całkowicie nowego kształtu geometrycznego, który można scharakteryzować jako ostatni etap ewolucji sfery — elipsoidy — owalnej transformacji Hügelschäffera i można go zastosować do dowolnej geometrii jajka. Wymagane pomiary to długość jaja, maksymalna szerokość i średnica na szpiczastym końcu (przesunięcie osi pionowej i średnica w jednej czwartej długości jaja).

Oszczędzę czytelnikom tej formuły (skomplikowanej, a większość z nas nie przepada za matematyką, niestety), trzeba jednak zauważyć, że jajko ma kształt idealny. Ewolucja oszlifowała je jak żywy diament: wystarczająco duży, aby inkubować zarodek, wystarczająco mały, aby opuścić ciało w najbardziej efektywny sposób. Nawet jajo ptaka kiwi było do zniesienia, choć to brzmi jak bajka-horrorynka. Kształt gwarantuje, że jajo nie stoczy się po złożeniu. Kształt jest wystarczająco solidny strukturalnie, aby udźwignąć ciężar wysiadującego rodzica i być początkiem życia dla 10 500 ptasich gatunków, które przetrwały od czasów dinozaurów do dziś.

Opisy matematyczne wszystkich podstawowych kształtów jaj znalazły już zastosowanie w badaniach żywności, inżynierii mechanicznej, rolnictwie, naukach biologicznych, architekturze i aeronautyce. Przykładowo, formuły tej można użyć do konstrukcji inżynierskich naczyń cienkościennych o kształcie jaja, które powinny być mocniejsze od typowych naczyń kulistych. Jajo to naturalny system biologiczny, badany pod kątem projektowania systemów inżynieryjnych i najnowocześniejszych technologii. Figura geometryczna w kształcie jajka została przyjęta w architekturze oraz w budownictwie (np. ratusz w Londynie), ponieważ może wytrzymać maksymalne obciążenia przy minimalnym zużyciu materiałów.

Jak podsumował dla portalu phys.org dr Valeriy Narushin: „Nie możemy się doczekać zastosowania odkrytego przez nas «wzoru na jajo» w różnych gałęziach przemysłu, od sztuki po technologię, od architektury po rolnictwo”. Teraz, gdy jajko można opisać wzorem matematycznym, znacznie uproszczona zostanie praca w zakresie tak systematyki biologicznej, jak i optymalizacji parametrów technologicznych różnych jaj sztucznych i konstruowanych przez człowieka, inkubacji jaj i selekcji drobiu.

Idealne, ale czy zdrowe?

Na samą zaś produkcję jaj kurzych mogą mieć wpływ takie czynniki, jak spożycie paszy (jakość i ilość), pobór wody, intensywność i czas otrzymywania światła, zarażenie pasożytami, choroby etc. No i oczywiście geny. Dopiero niedawno udało się chińskim badaczom pod kierunkiem Congjiao Sun ustalić, jakież to różnice w genomie na poziomie pojedynczych zmian sekwencji (tzw. SNPs) mają kury niosące się lepiej i słabiej, niezależnie od warunków środowiska. Kształt jaja jest jednak doskonały, niczym utkana złotą liczbą Φ (fi) muszla łodzika, i nie udało się dotąd genetycznie go zmienić.

Zewnętrzne właściwości jaja (takie jak m.in. kształt) mają kluczowe znaczenie dla badaczy i inżynierów, którzy opracowują technologie inkubacji, przetwarzania, przechowywania i sortowania jaj. Filozoficzna harmonia między matematyką i biologią to bowiem nie wszystko. Jaja to potężne zagadnienie w ramach przemysłu spożywczego.

W 2019 r. w naszym kraju wyprodukowano 10,3 mld sztuk jaj, czyli o 2 proc. więcej niż w 2018 r. Polska zaliczana jest do jednego z sześciu największych producentów jaj w Europie, zaraz po Wielkiej Brytanii, Francji, Hiszpanii, Włoszech, a także Niemczech. Patrząc na rzecz detalicznie, mamy w Polsce ok. 50 mln niosek, każda zaś z nich składa ok. 200 jajek rocznie, czyli 15 mln kur niesie na eksport, reszta na rynek wewnętrzny. Najlepiej idzie niesienie kurom wielkopolskim, najsłabiej – śląskim.

Jaja są składnikiem bardzo wielu produktów wytwarzanych masowo, zwłaszcza pieczywa i ciast, makaronów i klusek, majonezu i innych sosów zimnych, sałatek, lodów etc. Jajka i potrawy z nich to też nierzadko osobny rozdział w książkach kucharskich. Białka i tłuszcze w najczystszej, skondensowanej formie… czy to jednak dla nas zdrowe?

W naszym kręgu cywilizacyjnym choroby sercowo-naczyniowe są główną przyczyną zgonów. Dieta i styl życia bez wątpienia odgrywają tu główną rolę. W przeszłości powszechnie zalecano zatem ograniczenie spożycia cholesterolu do 300 mg dziennie. Jednak ze względu na słaby związek między cholesterolem w diecie a cholesterolem we krwi, najnowsze wytyczne żywieniowe dla Amerykanów z 2015 r. nie uwzględniają tego zalecenia. Światowa Organizacja Zdrowia dopuszcza wręcz 10 jaj tygodniowo, a prof. Tadeusz Trziszka – zootechnik, technolog żywności i żywienia, były rektor Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu – prowadził wręcz kampanię odkłamującą właściwości jaj i twierdzi, że możemy ich zjeść w tydzień nawet i 30.

Jaja – przekonuje profesor, podpierając się badaniami publikowanymi w czasopismach naukowych – są co prawda głównym źródłem cholesterolu w diecie i po konsumpcji jego poziom we krwi lekko wzrasta, ale wkrótce się wyrównuje. Poza tym jaja zawierają też cholinę, która uczestniczy w przemianach tłuszczów i cholesterolu, zapobiegając jego osadzaniu się w ścianach tętnic. No i są również niedrogim źródłem wysokiej jakości białka, żelaza, nienasyconych kwasów tłuszczowych, fosfolipidów i karotenoidów, fosforu, potasu, wapnia, magnezu oraz witamin A, E, D i K oraz B2 i B12.

Ze względu na zawartość cholesterolu, związek między spożyciem jaj a ryzykiem wystąpienia chorób układu krążenia był tematem intensywnej debaty naukowej w ostatnim dziesięcioleciu. Najnowsze – opublikowane w marcu 2020 w „British Medical Journal” przez grupę naukowców z Harvard T H Chan School of Public Health w Bostonie – gigantyczne analizy (śledzenie przez ponad 30 lat ponad 200 tys. mężczyzn i kobiet w USA) i metaanalizy danych z wcześniejszych publikacji naukowych, a nie obejmujących tych kohort, pokazują, że konsumpcja do jednego jajka dziennie (Polacy jedzą statystycznie trochę więcej niż pół) NIE wiąże się z żadnym ryzykiem chorób układu krążenia, zaś dla populacji pochodzących z Azji wręcz ma znaczenie ochronne przed takimi chorobami.

Na fali jednak mody na weganizm powstały roślinne alternatywy dla jaj. Składają się z białek roślin strączkowych, naturalnych barwników spożywczych i emulgatorów. Nadają się zwłaszcza do wypieków, ale są i produkty, z których da się realnie zrobić jajecznicę czy omlet nie odbiegający wyglądem od takiego „normalnego”. Mają formę proszków i emulsji. Między bajki natomiast należy włożyć na razie scenę z „Seksmisji” Juliusza Machulskiego, gdzie po odhibernowaniu Maksik z Albercikiem dostają do jedzenia sztuczne jajko w zakręcanej skorupce (po tej przygodzie jakże się pod koniec cieszą z prawdziwego jajka na miękko, a opowieść o jajku po wiedeńsku jest znacznie bardziej orgazmiczna od wszystkich rozbieranych scen w tym filmie razem wziętych). Za niewiarygodne również należy uznać indyjskie, mrożące krew w żyłach opowieści o chińskich sztucznych jajkach wprowadzanych podstępnie na indyjski rynek, które od dekady błąkają się po YouTube. Tu naprawdę na razie – jak to zgrabnie ujął Maksik: „natury się nie da oszukać”.

Jajo ma 325 mln lat, kura – kilka milionów

Jajo, jako miejsce rozwoju zarodka, jest z oczywistych względów kluczowe dla przeżycia gatunków jajorodnych. Mogliśmy się o tym przekonać w połowie XX wieku, kiedy to masowe zastosowanie DDT jako insektycydu zaczęło dosłownie dziesiątkować ptaki. Wysokie stężenie DDT zaburza bowiem metabolizm wapnia u ptaków i powoduje obniżenie gęstości skorupek jaj – niejako rzeszotowieją one, niczym kości w wyniku osteoporozy. Skorupka staje się bardzo krucha i łamliwa. Bielik amerykański i inne populacje ptaków załamały się, gdy DDT wpłynęło na strukturę ich jaj, zabijając ich embriony. Na szczęście zahamowano wprowadzanie DDT do środowiska stosownymi regulacjami i jaja – oraz ptaki – zostały ocalone, zanim było za późno.

Wracając do zupełnie niezrozumiałego dla biologa dylematu „co było pierwsze” trzeba przypomnieć, że jajo owodniowca (nadgromada kręgowców rozmnażających się z jaj otoczonych błonami, czyli od gadów „w górę”; dziś żyjące są: ssaki, żółwie, krokodyle, węże, jaszczurki i ptaki), takie w skorupce, znane wielu z nas jako jajo kurze, wyewoluowało około 325 milionów lat temu. Dzicy zaś przodkowie kurczaków pojawili się zaledwie kilka milionów lat temu, a kurczaki zostały udomowione jeszcze znacznie później. Gdy ptaki dynamicznie ewoluowały na początku ery kenozoicznej, ich jajo już praktycznie się nie zmieniało. Wśród innych ptaków kurczęta wyewoluowały z jajami w skorupkach.

Gdyby nie jajo w skorupce, zwierzęta nigdy nie wyszłyby w pełni na ląd i nie skolonizowały kontynentów. Ich lądowi tak na pół gwizdka krewni – płazy – swym rozmnażaniem z zapłodnionych jaj w galaretowatej jeno osłonce są skazani na wstępny rozwój w warunkach wodnych, bowiem galaretka osłonki wysycha łatwo. Wąż złoży swe jajo nawet na Saharze – tam, gdzie płazy w ogóle nie występują. Jest zatem jajo owodniowca jedną z największych ewolucyjnych innowacji, na miarę co najmniej struny grzbietowej i wyrosłego z niej kręgosłupa.

Dlaczego my, ssaki (poza stekowcami, czyli np. dziobakiem), nie składamy już jaj w skorupce, a całe to jajo z jego błonami (np. owodnią), płynem i zarodkiem ukryliśmy w macicy? Skąd się wzięła przewaga żyworodności i dlaczego łożysko jest lepsze? Żyworodność wyewoluowała tylko raz u przodków ssaków, podczas gdy u jaszczurek i węży pojawiła się niezależnie około 100 razy. Żyworodne gady nie mają oczywiście macicy, ale nie składają jaj w skorupkach, jeno rodzą obłonione jaja z rozwiniętym już młodym organizmem potomnym.

Żyworodność jest szczególnie powszechna u jaszczurek i węży żyjących na dużych wysokościach, gdzie temperatury otoczenia są zwykle niższe, więc jaja rozwijają się bardzo powoli. Jeśli embriony mogą być zatrzymane wewnątrz matki, samica może podnieść temperaturę inkubacji poprzez termoregulację (na przykład siedząc w bezpośrednim świetle słonecznym). Jest to zatem adaptacja do życia w chłodniejszych środowiskach. Uważa się, że zmiany w przeciwnym kierunku (od żyworodności z powrotem do jajorodności) są znacznie rzadsze, po części dlatego, że gruczoł, który tworzy skorupkę jaja, został utracony u gatunków żyworodnych.

W „Proceedings of the National Academy of Sciences” ukazało się w 2019 roku badanie zmian genetycznych towarzyszących przejściu od jajorodności do żyworodności u blisko spokrewnionych gatunków jaszczurki agamidowej (Phrynocephalus sp.). Żyją one na różnych wysokościach wokół Wyżyny Tybetańskiej w Azji Środkowej, bywają zatem bądź to żywo-, bądź jajorodne. Autorzy badań odkryli, że wiele tych samych genów jest zaangażowanych w produkcję skorupek i żyworodnych embrionów, ale różnią się one kolejnością i stopniem włączania i wyłączania tych genów. Tak więc przejście między jajorodnością a żyworodnością wydaje się być w dużej mierze kwestią zmian w ekspresji genów, a nie ewolucji nowych genów strukturalnych. Innymi słowy, zmiany genetyczne w regulacji genów mogą skutkować poważnymi adaptacjami morfologicznymi i fizjologicznymi w reprodukcji, w stosunkowo krótkich okresach ewolucyjnych. Pomaga to wyjaśnić, w jaki sposób zaszło tak wiele zmian między jajorodnością i żyworodnością, a także sugeruje, że zmiany w odwrotnym kierunku są możliwe!

Czy będziemy kiedyś znosić jaja, tak jak robili to nasi gadzi przodkowie? I czy miałyby one równie idealnie trudny do matematycznego opisu kształt, co jajo ptasie. Pytania pozostają otwarte.

– Magdalena Kawalec-Segond

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