Herezja w świecie kręgowców. Co potrafią koralowce?

Według biologów z Uniwersytetu Stanforda koralowce tropikalne są nie tylko piękne, nie tylko budują cud natury i bioróżnorodności zwany rafami koralowymi, nie tylko żyją w fascynujących symbiozach z jednokomórkowcami, ale też mają w sobie mechanizmy pozwalające im dziedziczyć cechy nabyte w toku długotrwałego wzrostu. Koralowce potrafią coś, co traktowane jest jako herezja w świecie kręgowców; nikt przy zdrowych zmysłach nie podejrzewa, że długie szyje żyrafiątek są efektem wyciągania szyi za pokarmem przez ich rodziców.

Okazuje się, że jeśli zwierzę ma żyć setki czy nawet tysiące lat (a takimi zwierzętami są koralowce), co więcej – zasadniczo jest przytwierdzone do podłoża i nieruchome – to nie ma wyjścia, musi przekazywać bardzo wydajnie uzyskiwane podczas życia adaptacje swojemu potomstwu. Inaczej szanse przetrwania potomstwa się zmniejszają.

Choć środowisko wodne zmienia się znacznie wolniej niż lądowe, w nim także dochodzi do wahań temperatury, zasolenia, stężenia toksyn, z którymi trudno radziłby sobie długowieczne organizmy wydające na świat niezmienione potomstwo. Wyjątek zaobserwowany u koralowców potwierdza jednak regułę ewolucji. Jednocześnie pokazuje, że nawet w tak elementarnych kwestiach ewolucji zwierząt jak dziedziczenie cech, niezależnych, wyselekcjonowanych dróg było nie kilka.

 

Czasem z wszystkich (nielicznych lub często niebyłych) lekcji ewolucjonizmu w szkole zapamiętujemy jedynie, że szyja żyrafy nie staje się dłuższa, bo żyrafa ją wyciąga, by sięgać po liście w wysokich koronach drzew na sawannie. Umiemy nawet wyrecytować, że „cechy nabyte się nie dziedziczą” i że takie myślenie to „lamarkizm”, w przeciwieństwie do darwinizmu. (Nie do końca to prawda, bo Darwin akurat dziedziczenie cech nabytych uznawał – nie było podstaw naukowych, by w ogóle rozumieć dziedziczenie cech, tak jak tłumaczymy to dziś w oparciu o informacje genetyczną zawartą w DNA etc. Darwin uważał jednak – w przeciwieństwie do Lamarcka – ewolucję za proces, w którym nie ma z góry założonej celowości).

Gdyby nas jednak zapytać, jak to się dzieje, że szyja żyrafy mimo nadal tylu samo kregów szyjnych, co u jej odległych ewolucyjnych przodków, przez pokolenia się ewidentnie wydłużyła, mielibyśmy problem z prawidłową odpowiedzią.

Tymczasem by pojąć wyjątki od reguł i ich wagę, a w biologii się od nich roi, bo życie jest zjawiskiem skomplikowanym i trudnym do pełnego poznania, trzeba zrozumieć, jak „to” działa normalnie. Zatem: w genomie komórek zwierząt (np. żyrafy, czy naszym) zdarzają się mutacje. Mutacje mogą być w danym momencie i środowisku korzystne, niekorzystne lub zupełnie obojętne. Jeśli to są mutacje np. w komórkach skóry czy mięśni, najgorszym, co może być ich wynikiem, jest nowotwór. Faktem jednak pozostaje, że potomstwo takich zmutowanych w komórkach skóry czy mięśni rodziców nie dziedziczy tych mutacji.

Aby odziedziczyć po rodzicach jakiekolwiek mutacje, musi do nich dojść w tzw. linii macierzystych komórek zarodkowych. Te zaś, np. podczas rozwoju ssaków, bardzo wcześnie zaczynają swój odrębny los bycia głęboko chronionym przed mutacjami magazynem genów do przekazania potomstwu. Oczywiście i tam mogą się zdarzyć mutacje, np. podczas powstawania plemników (co i łatwiej jest badać, niż mutacje w komórkach jajowych). Niekoniecznie jednak ów właśnie zmutowany plemnik czy plemniki dokonają zapłodnienie komórki jajowej, a szansa, że cecha warunkowana przez mutację będzie dominująca i będzie ją widać oraz ulegnie ona selekcji już w pierwszym pokoleniu, są minimalne.

Cecha recesywna musi się najpierw rozprzestrzenić w populacji aż wreszcie trafia na siebie dwa płodne osobniki, które będą nieść ową mutację i z częstością 25 proc. ich potomstwo wreszcie ją wyrazi, a dobór naturalny się zajmie tym, czy dać takiemu osobnikowi przeżyć, czy nie. Gdy zatem osobniki żyją maksymalnie kilkadziesiąt lat i są ruchliwe, jak u większości zwierząt, to ok. Takie tempo pojawiania się i stabilnego dziedziczenia zmian nadal pozwala na adaptację i dostosowanie do zmieniających się warunków środowiska czy opanowywanie nowych nisz ekologicznych.

Jednak nie wszystkie zwierzęta są ruchliwe i krótkowieczne. A zatem nie wszystkim służyłoby do przetrwania takie właśnie podejście życiowe. Matka ewolucja zaś pozwala na pojawianie się i trwanie wszelkich nieszkodliwych pomysłów na życie, szlifując je w konkretnych organizmach, także tych naprawdę innych, niż my, „korona stworzenia”. 

Takich chociażby, jak koralowce przebywające na naszej planecie co najmniej od kambru (ok. 500 milionów lat) , a od co najmniej połowy triasu (ok. 240 mln lat temu) korale sześciopromienne, tzw. madreporowe, które znamy z raf koralowych żyjących dziś. Ruchliwe są jedynie ich plemniki i powstałe po zapłodnieniu larwy (planule), zaś organizmy macierzyste to często gigantyczne, wielometrowe zwarte lub rozgałęzione kolonie złożone z setek tysięcy teoretycznie identycznych genetycznie polipów (klonów) przytwierdzone przez tysiące lat do stabilnego, skalistego podłoża oceanicznego szelfu.

Dzięki badaniom uczonych z Hopkins Marine Station Uniwersytetu Stanforda i Kalifornijskiej Akademii Nauk, kierowanym przez Stephena Palumbiego, a opublikowanym niedawno w „Proceedings of the Royal Society B” dowiadujemy się, że akurat badane przez nich koralowce dziedziczą co najmniej niektóre cechy nabyte przez mutujące wciąż polipy. Pobierali oni próbki z różnych części rozgałęzionych kolonii tych zwierząt (bardzo rozpowszechnionego na rafach koralowca z rodzaju Acropora) i bardzo uważnie analizowali obecne w nich genomy.

Ich pełne sekwencje wykazały setki miejsc w każdej pojedynczej gałęzi, w których DNA było nieco inne. Oznacza to zlokalizowane mutacje w konkretnych odgałęzieniach kolonii koralowców.

Do tego momentu nic nie jest aż takie dziwne. My także mamy w niektórych komórkach skóry nieco inny genom, niż np. w komórkach kości czy białych krwinkach. Gdy jednak badacze rozmnożyli pod kontrolą laboratoryjną te konkretne koralowce, okazało się, że wiele mutacji w normalnych tkankach koralowców zostało przekazanych gametom. Ku ich zaskoczeniu, ponieważ nie dzieje się tak u ludzi ani u większości zwierząt.

Oznacza to, że mutacje zachodzące podczas wzrostu koralowców mogą przejść do potomstwa już w następnym pokoleniu. Zupełnie zdumiewające jest to, że owo pokolenie może być oddzielone od początku życia rodzica o kilkaset lat. Co więcej, w jakiś nadal tajemniczy sposób (prawdopodobnie bardzo wydajnej naprawy DNA, która i tak musi mieć miejsce w ramach tworzenia plemników i komórek jajowych), „odfiltrowaniu” przy produkcji gamet ulegają mutacje potencjalnie bardzo istotne, zmieniające poważnie strukturę kodowanych w genach białek, uszkadzające z pewnością ich funkcjonowanie.

 Przypomina to sytuację zaobserwowaną w badaniu nad rośliną – rzodkiewnikiem – którą opisywałam szerze. Ograniczę się jedynie do przypomnienia, że dostępność DNA w jądrze komórkowym – a zatem także dla powstawania w nim mutacji – nie jest jednorodna w całym żywym świecie, a kilka podstawowych tzw. architektur jądra powstawało niezależnie podczas ewolucji. Co nie dziwi, bo rzeczą całą da się omalże sterować za pomocą kilku mutacji.

Takie nie do końca przypadkowe powstawanie mutacji i chronienie niektórych obszarów genomu, niektórych kluczowych dla życia genów, nie tylko nie przeczy współczesnemu darwinizmowi, ale jest jego dobrym uzupełnieniem. To też wyselekcjonował dobór naturalny, ale u zarania życia na Ziemi, stąd ciężko dziś znaleźć pozostałości sytuacji pierwotnej, gdy wszelkie zmiany w genomie eukariotycznym były dozwolone i równoczęste.

Wracając do koralowców, to one na mapie kilku podstawowych architektur jądrowych, owej swoistej tablicy Mendelejewa biologii, są dość osamotnione. Mają swój nietypowy świat wewnątrzjądrowy i stąd może przedziwne doprawdy zjawisko tak dziedziczenia niektórych nabytych mutacji, jak i odfiltrowywania tych, które byłyby potencjalnie zabójcze dla całego organizmu powstającego z larwy. Tego typu zmiany jednak, o ile pojawiają się miejscowo, w konkretnym polipie, nie zagrażają całej kolonii. 

Według badań z 2010 r. przeprowadzonych przez międzynarodową grupę zoologów bezkręgowców i genetyków pod kierunkiem prof. Jarosława Stolarskiego z Instytutu Paleobiologii PAN koralowce madreporowe są w skali milionów lat ewolucji organizmami wyjątkowo odpornymi na zmiany środowiska. Od początku swojej drogi ewolucyjnej koralowce przetrwały wiele kryzysów, w tym największe wymierania w dziejach Ziemi. Rafy powstawały z nich prawdopodobnie więcej niż raz, każdorazowo niezależnie wchodząc we współpracę z jednokomórkowcami zapewniającymi im życie w warunkach wód oceanicznych ubogich w substancje pokarmowe, także być może tracąc szkielety wapienne, np. podczas kryzysu na przełomie permu i triasu.

Wspomniani badacze skonstruowali drzewo rodowe koralowców madreporowych oparte o badania molekularne, z którego wynika, że ta grupa zwierząt wyewoluowała prawdopodobnie w ordowiku (ponad 450 mln lat temu, nie zaś dopiero w triasie, jak by wskazywały ich najczęściej znajdywane skamieniałości.

Dzisiejsze badania z Uniwersytetu Stanforda dają niezłe wyjaśnienie tej odporności korali madreporowych na zmiany, w tym klimatyczne, które obserwujemy dziś. Nie dziedziczą one bowiem po rodzicach, tak jak my, głównie tego, co rodzice otrzymali po dziadkach, ci zaś – po pradziadkach, bez większych zmian. Przynajmniej niektóre z nich potrafią dziedziczyć również nabyte mutacje.

Rzecz jest o tyle prostsza, że jako należące do typu parzydełkowców (tam gdzie stułbie i chełbie, jakie znamy nawet z jezior mazurskich czy Bałtyku) nie mają tak naprawdę wysoce wyspecjalizowanych i licznych tkanek jak my czy żyrafy, a nawet muchy i raki. Wszystkiego dwie solidne warstwy komórek: zewnętrzna i wewnętrzna, niespecjalnie w rozwoju im się nawet ta linia macierzystych komórek zarodkowych wydziela wcześnie, tak jak u nas. Uważa się, że wytwarzają gamety z tkanek ciała. Wystarczy zatem utrzymywać jak najdłużej i ciągle odnawiać zwykłą linię komórek macierzystych, aby były one zdolne budować kolejne gałęzie polipa oraz dawać nowe plemniki i jaja.

Sami autorzy badania piszą tak: „Dane te sugerują, że samoodnawiające się komórki macierzyste różnicują się w komórki macierzyste zarodkowe i komórki ciała przez całe dorosłe życie kolonii, przy czym wskaźniki i wzorce pojedynczych zmian nukleotydowych (mutacji) różnią się znacznie w liniach macierzystych, somatycznych i zarodkowych”. To ma w jakimś stopniu wyjaśniać, „w jaki sposób koralowce mogą generować różnorodność adaptacyjną niezbędną w obliczu globalnych zmian klimatycznych”.

Jak opisywałam już wcześniej, zamieranie raf koralowych jest poważną konsekwencją, co do przyczyny skojarzoną z narastającym ociepleniem klimatu. To wymaga od społeczności międzynarodowej podejmowania zlicznych działań na rzecz uratowania ginącego skarbca bioróżnorodności. Okazuje się dziś, że sama ewolucja, choć nie ma w niej celowości, zabezpieczyła jednak przez miliony lat naturalny mechanizm wspierający trwanie i przetrwanie koralowców w coraz mniej sprzyjającym im, a zwłaszcza ich symbiontom środowisku. 

Badania z Uniwersytetu Stanforda wskazują jak w ogóle zaczęła ewoluować linia macierzystych komórek zarodkowych u dwuwarstwowych jeszcze, posiadających jeden tylko otwór ciała zwierząt bardzo pradawnego pochodzenia. A że żyją do dziś, gdy tyle innych organizmów „odpadło w zawodach o przetrwanie”, to znaczy, że ich sposób egzystencji – w tym dziedziczenia przez następne pokolenia – jest wystarczająco dobry. Poznawanie koralowców, w tym kopalnych, ma zatem niemałe znaczenie dla zrozumienia meandrów, jakimi nieprzerwanie kroczy ewolucja. To na ten właśnie m.in. temat dyskutować będą zgromadzeni w początku września tego roku w świętokrzyskich Chęcinach badacze tych zwierząt uczestniczący w XIV Sympozjum International Fossil Coral and Reef Society (IFCRS).

Autorka pragnie bardzo podziękować prof. dr. hab. Jarosławi Stolarskiemu z Instytutu Paleobiologii PAN za merytoryczne wsparcie przy powstawaniu tego tekstu.

#nauka #naukowcy #badania