Σε αυτό το είδος ψαριού δεν υπάρχουν αρσενικά. Πώς κατάφερε να επιβιώσει εδώ και 100.000 χρόνια

Τα είδη που αποτελούνται αποκλειστικά από θηλυκά θεωρούνταν εδώ και καιρό εξελικτικά αδιέξοδα. Πώς, λοιπόν, ένα αξιοσημείωτο ψάρι επιβίωσε για 100.000 χρόνια χωρίς αρσενικά; Η απάντηση αποκαλύπτει νέες γνώσεις σχετικά με το πώς η φύση διατηρεί τα γονιδιώματα υγιή.

Στα ποτάμια του Μεξικού και του νότιου Τέξας κολυμπάει ένα ψάρι που δεν θα έπρεπε να υπάρχει. Στα ζεστά, αργά νερά, παρασύρεται ανάμεσα στο κοπάδι του που αποτελείται αποκλειστικά από θηλυκά, με τα ασημένια λέπια του να ακουμπούν σε αρσενικά στενά συγγενικών ειδών. Εδώ επιλέγει σύντροφο. Αλλά σε μια ασυνήθιστη εξελικτική τροπή, τα γονίδια δεν παίζουν κανένα ρόλο στους απογόνους της. Πρόκειται για μια βιολογική «κλοπή» γνωστή ως γυναικογένεση (gynogenesis), στην οποία χρησιμοποιείται το σπέρμα του αρσενικού μόνο για να ενεργοποιήσει την ανάπτυξη του ωαρίου, αλλά γρήγορα απορρίπτει το DNA του. Γεννιούνται μόνο θηλυκά, το καθένα κλώνος του εαυτού του.

Αυτό το ψάρι είναι η μόλλυ του Αμαζονίου, που πήρε το όνομά της από τη φυλή των πολεμιστριών της ελληνικής μυθολογίας, και έχει προβληματίσει τους επιστήμονες για σχεδόν έναν αιώνα. Η εξελικτική θεωρία προβλέπει ότι τα ασεξουαλικά είδη θα εξαφανίζονταν γρήγορα, καθώς χωρίς σεξ, συσσωρεύονται επιβλαβείς μεταλλάξεις στο γονιδίωμά τους με την πάροδο του χρόνου. Ωστόσο, αυτό το αποκλειστικά θηλυκό είδος επιβιώνει εδώ και περίπου 100.000 χρόνια. Σύμφωνα με την παραδοσιακή λογική, θα έπρεπε να ήταν ένα παροδικό στιγμιότυπο στο δέντρο της ζωής. Κι όμως, αυτό το μικρό, ταπεινό πλάσμα αντέχει.

Πώς κατάφερε η μόλλυ του Αμαζονίου να επιβιώσει ενώ η θεωρία προέβλεπε ότι θα είχε εξαφανιστεί εδώ και καιρό; Καθώς νέες έρευνες αρχίζουν να ξετυλίγουν αυτό το μυστήριο, οι επιστήμονες ανακαλύπτουν ότι τα ασεξουαλικά είδη μπορεί να είναι πιο ανθεκτικά από ό,τι παλαιότερα πιστευόταν – αμφισβητώντας τη μακροχρόνια αντίληψη ότι η ζωή χωρίς σεξ είναι καταδικασμένη σε αποτυχία.

Γιατί έχει σημασία το σεξ

Για να κατανοήσουμε γιατί η επιβίωση της μόλλυ του Αμαζονίου χωρίς σεξ είναι τόσο αξιοσημείωτη, βοηθάει να γνωρίζουμε: γιατί υπάρχει το σεξ εξαρχής;

«Η σεξουαλική αναπαραγωγή είναι ένας αρκετά παράξενος και περίπλοκος τρόπος αναπαραγωγής, έτσι δεν είναι;» λέει ο Edward Ricemeyer, υπολογιστικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου στη Γερμανία και συν-συγγραφέας της νέας μελέτης για τη μόλλυ του Αμαζονίου.

Το σεξ είναι δαπανηρό, εξηγεί ο Ricemeyer. Τα άτομα πρέπει να βρουν και να ανταγωνιστούν για έναν σύντροφο, και κάθε γονέας συνεισφέρει μόνο το μισό DNA τους. Η αναπαραγωγή είναι συχνά άνιση, με τα θηλυκά πολλών ειδών να επενδύουν πολύ περισσότερη ενέργεια από τα αρσενικά στην παραγωγή, γέννα ή επώαση και ανατροφή των απογόνων.

Η ασεξουαλική αναπαραγωγή, αντίθετα, ακούγεται σαν πολύ καλύτερη υπόθεση. Καμία ανάγκη να βρεις (και να τα βγάλεις πέρα με) σύντροφο, και μπορείς να μεταβιβάσεις το 100% των γονιδίων σου. Κι όμως, σε όλο το δέντρο της ζωής, το σεξ – η ανάμειξη και ανασυνδυασμός γονιδίων από διαφορετικά άτομα – κυριαρχεί πραγματικά.

«Αν δει κανείς τη συνολική εικόνα, είναι 99,9% σεξ», λέει ο Dave Speijer, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ στην Ολλανδία, ειδικός στην προέλευση της σεξουαλικής αναπαραγωγής.

Ένας τέτοιος λόγος, υποστηρίζει ο Speijer, είναι ότι το σεξ επιτρέπει στους πληθυσμούς να εξερευνούν τον γενετικό «χώρο των δυνατοτήτων» πιο αποτελεσματικά.

Κατά τη σεξουαλική αναπαραγωγή, το DNA δύο γονέων ανακατεύεται μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται ανασυνδυασμός, δίνοντας σε κάθε απόγονο έναν μοναδικό συνδυασμό γονιδίων. Είναι λίγο σαν να ανακατεύεις και να μοιράζεις μια τράπουλα, κάθε ανακατέματα δημιουργεί ένα νέο χέρι για την εξέλιξη να δοκιμάσει. Αυτό σημαίνει ότι συνήθως υπάρχει μεγαλύτερη γενετική ποικιλότητα εντός των σεξουαλικών ειδών, καθώς κάθε άτομο έχει διαφορετικό μείγμα γονιδίων – ένα μοναδικό χέρι φύλλων – κάτι που συνήθως είναι ευεργετικό για την επιβίωση ενός είδους.

Το σεξ προσφέρει επίσης προστασία. Χωρίς αυτόν τον γενετικό ανασυνδυασμό, τα γονιδιώματα αντιμετωπίζουν μια αργή, ύπουλη απειλή που ονομάζεται «καστάνια του Μάλερ» (Muller’s ratchet).

Όταν το DNA αντιγράφεται, εξηγεί ο Speijer, «υπάρχουν πάντα λάθη». Στα σεξουαλικά είδη, αυτά τα λάθη μπορούν να απομακρυνθούν από τη γονιδιακή δεξαμενή, αλλά στα κλωνικά είδη, μεταβιβάζονται ξανά και ξανά. Με την πάροδο του χρόνου, αυτές οι επιβλαβείς μεταλλάξεις θεωρείται ότι συσσωρεύονται σαν εγκοπές σε μια μονόδρομη καστάνια – υποβαθμίζοντας το γονιδίωμα, «κλικ» προς «κλικ», έως ότου το είδος εξαφανιστεί.

Σύμφωνα με αυτήν την ιδέα, τα ασεξουαλικά είδη θα έπρεπε να είναι βραχύβια, καταδικασμένα σε γενετική φθορά. Ωστόσο, μερικά, όπως η μόλλυ του Αμαζονίου, όχι μόνο επιβιώνουν αλλά και ευδοκιμούν.

Ο Speijer πιστεύει ότι μέρος της σύγχυσης μπορεί να προέρχεται από το πώς ερμηνεύεται η θεωρία. «Η καστάνια του Μάλερ δεν λέει: “Ε, αν δεν κάνεις σεξ, τότε θα έχεις μεταλλακτική κατάρρευση”». Αντ’ αυτού, υποστηρίζει, είναι καλύτερο να την κατανοήσουμε ως έναν ευρύτερο περιορισμό για όλη τη ζωή. Κάθε σύστημα πρέπει να έχει έναν τρόπο διαχείρισης των γενετικών «λαθών» και το σεξ είναι μία μόνο τέτοια στρατηγική.

Υπό αυτό το πρίσμα, τα μακρόβια ασεξουαλικά είδη δεν παραβαίνουν απαραίτητα τους εξελικτικούς κανόνες, αλλά βρίσκουν εναλλακτικούς τρόπους να τους παρακάμψουν. «Υπάρχουν πάντα μηχανισμοί που φροντίζουν για τον ρυθμό μετάλλαξης», λέει ο Speijer, ακόμα κι αν δεν τους κατανοούμε πλήρως ακόμα.

Ένα «εξελικτικό σκάνδαλο»

Η μόλλυ του Αμαζονίου δεν είναι μόνη. Σε όλο το ζωικό βασίλειο, υπάρχουν πολλά ασεξουαλικά πλάσματα που φαίνεται να έχουν επιβιώσει περισσότερο από όσο θα προέβλεπε η θεωρία, από έντομα που ζουν σε θαμνότοπους έως μικροσκοπικά «μικρόζωα» σαν σταγόνες.

Αυτά τα είδη διαφέρουν από εντυπωσιακές περιπτώσεις λεγόμενων «παρθένων γεννήσεων» (παρθενογένεση), όπου φίδια ή καρχαρίες σε αιχμαλωσία αναπαράγονται χωρίς συντρόφους. Αυτές δεν είναι μόνιμες εναλλακτικές της σεξουαλικής αναπαραγωγής. Όταν οι συνθήκες το επιτρέπουν, αυτά τα ζώα επιστρέφουν στο σεξ.

Αντίθετα, η μόλλυ του Αμαζονίου ανήκει σε μια αποκλειστικά θηλυκή λέσχη ειδών αφοσιωμένων στη ζωή χωρίς πατέρες, γενιά με τη γενιά. Το πώς αυτά τα μακρόβια ασεξουαλικά είδη φαίνεται να αποφεύγουν τη μοίρα που προβλέπει η καστάνια του Μάλερ συζητείται ακόμα, αλλά ορισμένα είδη φαίνεται να παραμένουν γενετικά υγιή για εκατομμύρια χρόνια χωρίς εμφανή σημάδια σεξουαλικής διάσωσης.

Εμφανίζεται ο βδελλοειδής τροχηφόρος (bdelloid rotifer).

«Έχει χαρακτηριστεί εξελικτικό σκάνδαλο», λέει η Chiara Boschetti, κορυφαία ειδικός στους τροχηφόρους και λέκτορας ζωολογίας στο Πανεπιστήμιο του Plymouth στο Ηνωμένο Βασίλειο.

Αυτά τα ζώα που μοιάζουν με σταγόνες έχουν το μέγεθος ενός κόκκου άμμου, αλλά είναι εκπληκτικά πολύπλοκα, με κεφάλι, πεπτικό σύστημα και δύο μικροσκοπικά δάχτυλα. Είναι ευρέως διαδεδομένα σε γλυκά νερά σε όλο τον κόσμο και ανήκουν σε μια μικρή ομάδα γνωστή ως «αρχαία ασεξουαλικά» – ζώα που υπάρχουν για εκατομμύρια χρόνια χωρίς σεξουαλική αναπαραγωγή. Στην περίπτωση της μόλλυ, δεκάδες εκατομμύρια χρόνια χωρίς αρσενικά, κάνοντας την περίπου 100.000 ετών ιστορία της να μοιάζει σύντομη.

«Ειλικρινά, δεν γνωρίζουμε πώς έχουν επιβιώσει τόσο καιρό», λέει η Boschetti.

Υπάρχουν όμως ενδείξεις. Μία από τις πιο ασυνήθιστες είναι η ικανότητά τους να αποκτούν DNA από το περιβάλλον τους – μια διαδικασία γνωστή ως οριζόντια μεταφορά γονιδίων. Σε αντίθεση με τα περισσότερα ζώα, που κληρονομούν γονίδια μόνο από τους γονείς τους, οι βδελλοειδείς (πανάρχαια κατηγορία μικροσκοπικών υδρόβιων οργανισμών) «κλέβουν» γενετικό υλικό από εντελώς άσχετους οργανισμούς – κάτι που συνήθως παρατηρείται μόνο σε απλούστερες μορφές ζωής, όπως τα βακτήρια.

Αλλά, για την Boschetti, αυτό δεν είναι το πιο εκπληκτικό κομμάτι. «Αυτά τα οριζόντια αποκτηθέντα γονίδια χρησιμοποιούνται πράγματι για να επιβιώσουν». Μερικά συνδέονται με την επιβίωση της αφυδάτωσης, άλλα με την αντίσταση σε παθογόνα. «Μπορείς να τα στεγνώσεις, μπορείς να τα μαγειρέψεις», λέει, αναφερόμενη στην αξιοσημείωτη ικανότητά τους να αντέχουν ακραίες και νέες συνθήκες, από διαστημικές πτήσεις έως το πάγωμα για 24.000 χρόνια στο σιβηρικό μόνιμο παγωμένο έδαφος.

Ωστόσο, το κατά πόσον αυτή η κλοπή DNA λειτουργεί ως εναλλακτική του γενετικού ανασυνδυασμού του σεξ είναι λιγότερο σαφές.

«Πιθανότατα δημιουργεί ποικιλομορφία», λέει η Boschetti, αλλά «το πόσο βοηθούν τα οριζόντια μεταφερόμενα γονίδια στην ασεξουαλικότητα δεν είναι ακόμα απολύτως σαφές».

Η οριζόντια μεταφορά γονιδίων από μόνη της πιθανότατα δεν είναι η πλήρης ιστορία. Η Boschetti πιστεύει ότι οι βδελλοειδείς μπορεί να βασίζονται σε ένα «μωσαϊκό» μηχανισμών για να κρατούν μακριά τις επιβλαβείς μεταλλάξεις. Ωστόσο, μετά από δεκαετίες μελέτης, παραμένουν κάτι σαν εξελικτικό «μαύρο κουτί», όπως λέει.

Μέχρι πρόσφατα, το μυστικό της μακροζωίας της μόλλυ του Αμαζονίου ήταν εξίσου μυστηριώδες. Τώρα, μια νέα μελέτη ρίχνει φως στο πώς το κάνει η μόλλυ.

Ένα σύστημα «αντιγραφής-επικόλλησης»

«Στη θεωρία έλειπε ένα κομμάτι», λέει ο Ricemeyer, ο οποίος συν-υπέγραψε τη μελέτη. «Και αυτό το κομμάτι ήταν η γονιδιακή μετατροπή (gene conversion)».

Η γονιδιακή μετατροπή είναι μια μορφή γενετικής επιδιόρθωσης και δεν είναι μοναδική για τις μόλλυ του Αμαζονίου. Συμβαίνει σε πολλούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων.

Σε σεξουαλικά είδη όπως εμείς, κάθε άτομο φέρει συνήθως δύο αντίγραφα των περισσότερων γονιδίων – ένα αντίγραφο από τη μητέρα μας και ένα από τον πατέρα μας. Όταν το DNA υποστεί βλάβη, π.χ. από υπεριώδη ακτινοβολία, τα κύτταρα μπορούν μερικές φορές να χρησιμοποιήσουν ένα αντίγραφο ενός γονιδίου ως πρότυπο για να επιδιορθώσουν το άλλο. Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως γονιδιακή μετατροπή, περιγράφεται συχνά ως ένα είδος μηχανισμού «αντιγραφής-επικόλλησης». Τελικά, μπορεί να κάνει δύο αντίγραφα ενός γονιδίου πιο όμοια μεταξύ τους.

Στους ανθρώπους και τα περισσότερα ζώα, αυτός ο μηχανισμός λειτουργεί κυρίως ως μια διαδικασία υποβάθρου που επιδιορθώνει ήσυχα τη βλάβη στο DNA όταν αυτή προκύπτει. Αλλά στη μόλλυ του Αμαζονίου, φαίνεται να παίζει πολύ πιο κεντρικό ρόλο στη διατήρηση του γονιδιώματός της.

Ο Ricemeyer και η ομάδα του χρησιμοποίησαν αλληλούχηση ολόκληρου του γονιδιώματος για να συγκρίνουν το DNA των μόλλυ του Αμαζονίου μεταξύ γενεών. Παρατήρησαν ότι τμήματα του DNA της μόλλυ φαινόταν να έχουν «αντικατασταθεί» επανειλημμένα, όχι μέσω του γενετικού ανασυνδυασμού του σεξ, αλλά από γονιδιακή μετατροπή που συμβαίνει συχνότερα στη μόλλυ από ό,τι στα περισσότερα άλλα ζώα. Εδώ, φαίνεται ότι η γονιδιακή μετατροπή κάνει κάτι παρόμοιο για το γονιδίωμα της μόλλυ με αυτό που κάνει το σεξ για το δικό μας – βοηθώντας στον περιορισμό της συσσώρευσης επιβλαβών μεταλλάξεων.

Για να κατανοήσουμε πώς ένα ασεξουαλικό είδος μπορεί να είναι ικανό για τόσο εκτεταμένη γονιδιακή μετατροπή, βοηθάει να κοιτάξουμε πίσω στην προέλευση του είδους.

Όπως τα περισσότερα ασεξουαλικά ζώα, η μόλλυ του Αμαζονίου προέκυψε από μια μοναδική, τυχαία συνάντηση. Η έρευνα υποδηλώνει ότι αυτό το γεγονός συνέβη πριν από περίπου 100.000 χρόνια, όταν ένα θηλυκό μόλλυ του Ατλαντικού ζευγάρωσε με ένα αρσενικό μόλλυ άλλου είδους (sailfin molly).

Σε αντίθεση με τα περισσότερα υβρίδια, όπως οι ημίονοι ή τα λίγκερ, αυτό το ζευγάρωμα δεν είχε ως αποτέλεσμα στείρους απογόνους. Αντίθετα, παρήγαγε μια γενεαλογία ικανή να αναπαράγεται χωρίς σεξ. Έτσι, κάθε μόλλυ του Αμαζονίου φέρει γενετικό υλικό από δύο προγονικά είδη – παρέχοντας στο είδος εξαρχής υψηλή γενετική παραλλαγή, ένα βιολογικό προβάδισμα έναντι της καστάνιας του Μάλερ.

Αυτή η διπλή κληρονομιά είναι πιθανότατα το κλειδί για την ικανότητα της μόλλυ για τόσο ολοκληρωμένη γονιδιακή μετατροπή. Επειδή τα γονικά είδη είναι σχετικά στενά συγγενικά, τα γονίδιά τους είναι αρκετά όμοια ώστε να επιτελούν ως επί το πλείστον τις ίδιες λειτουργίες, αλλά αρκετά διαφορετικά ώστε να προσφέρουν ένα ευρύ φάσμα προτύπων για εργασία.

Αυτό που είναι εξίσου εκπληκτικό είναι ότι αυτή η διαδικασία αντιγραφής-επικόλλησης φαίνεται να συμβαίνει συχνότερα σε ορισμένα μέρη του γονιδιώματος από ό,τι σε άλλα.

«Τα είδη μεταλλάξεων που περιμένεις ότι είναι τα χειρότερα, τα πιο επικίνδυνα, τα πιο επιζήμια, αυτά είναι ακριβώς τα σημεία του γονιδιώματος όπου βλέπουμε τη γονιδιακή μετατροπή να συμβαίνει πιο συχνά», λέει ο Ricemeyer. Το αποτέλεσμα είναι ένα είδος που φαίνεται να βρίσκεται σε αξιοσημείωτα καλή γενετική υγεία παρά τα 100.000 χρόνια χωρίς σεξ.

Οι επιπτώσεις αυτού του ευρήματος εκτείνονται πέρα από τη μόλλυ του Αμαζονίου. Η κατανόηση αυτών των εναλλακτικών στρατηγικών για την αντιμετώπιση των γενετικών «λαθών» θα μπορούσε να έχει ευρύτερες επιπτώσεις για την ανθρώπινη βιολογία. Οι επιβλαβείς μεταλλάξεις, άλλωστε, δεν είναι μοναδικές στα ασεξουαλικά είδη.

«Ο καρκίνος είναι μια ασθένεια των μεταλλάξεων», λέει ο Ricemeyer. Αν και είναι προσεκτικός να μην υπερβάλλει για τις επιπτώσεις των ευρημάτων τους, δηλώνει ότι οτιδήποτε μπορεί να προωθήσει την κατανόησή μας για τη γενετική μετάλλαξη – και τις στρατηγικές της φύσης για την αντιμετώπισή τους – θα είναι χρήσιμο μακροπρόθεσμα.

Όσον αφορά άλλα μακρόβια ολοθήλυκα είδη, ο Ricemeyer πιστεύει ότι η γονιδιακή μετατροπή είναι «πολύ πιθανό μέρος της ιστορίας και σε άλλους ασεξουαλικά αναπαραγόμενους οργανισμούς».

Το αν η μόλλυ του Αμαζονίου έχει αναπτύξει μια πραγματικά σταθερή εναλλακτική στην ανασυνδυαστική δύναμη του σεξ παραμένει ανοιχτό ερώτημα. Οι επιστήμονες ακόμα δεν γνωρίζουν πόσο καιρό μπορεί η γονιδιακή μετατροπή να κρατά τη καστάνια του Μάλερ μακριά.

Αλλά για ένα ψάρι που η εξελικτική θεωρία κάποτε υποστήριζε ότι δεν θα έπρεπε να υπάρχει, η εικόνα της γενετικής του υγείας είναι απροσδόκητα ισχυρή.

«Πιστεύαμε ότι η σεξουαλική αναπαραγωγή ήταν ο μόνος σωστός τρόπος να διατηρηθεί ένα γονιδίωμα υγιές… Αλλά τώρα ανακαλύψαμε ότι όχι, υπάρχει και άλλος τρόπος», λέει ο Ricemeyer. «Υπάρχει μια διαφορετική διαδρομή προς το ίδιο αποτέλεσμα».