Funguje sex jako nástroj genových oprav?

Otázka, proč vůbec existuje sexualita, patří k velkým záhadám evoluční biologie. Ne snad, že bychom neměli žádné řešení této hádanky, problém je spíše v tom, že výkladů je k dispozici až příliš.

Jak už jsme na Oslu zmiňovali, letos jsme se dočkali nových vydání řady výborných knih o evoluční biologii. Jedním z těchto titulů je i Červená královna od Matta Ridleyho, která se podrobně zabývá právě původem sexuality. Přinášíme úryvek.

Sexualita a teorie kopírky

Vůdčí postavou v táboře molekulárních biologů je Harris Bernstein z Arizonské univerzity. Tvrdí, že sex byl vynalezen jako mechanismus sloužící k opravě genů. K této myšlence ho přivedlo zjištění, že mutantní mouchy octomilky, které si nedokážou opravit poškozené geny, je nejsou schopny ani „rekombinovat“. A rekombinace, míšení genů ze dvou prarodičů při výrobě spermie nebo vajíčka, je klíčovým krokem sexuálního rozmnožování. Porušte genetické opravné mechanismy – a sex se zastaví.

Bernstein si všiml, že buňka při opravách genů používá stejné nástroje, jaké jí slouží při rekombinaci. Nedokázal však přesvědčit genetiky a ekology, proč by oprava genů měla být něco víc než původní a dávno překonaný nástroj, který sexualita od počátku využívá. Genetikové nepopírají, že se sexuální rozmnožování vyvinulo ze zařízení původně sloužícího k opravě genů, což ale není totéž jako tvrdit, že sexualita kvůli opravám genů existuje dodnes. Vždyť i lidské končetiny se vyvinuly z rybích ploutví. Jenže dnes slouží k chůzi, a nikoli k plavání. (Bernstein, Hopf, Michod, 1988)

Matt Ridley: Červená královna

Musíme se na chvíli ponořit do molekul. DNA, hmota, ze které jsou geny poskládány, je dlouhá a tenká chemická molekula, která zapisuje informace v jednoduché abecedě čtyř chemických „bází“. Abecedu si můžeme představit jako morseovku se dvěma druhy čárek a dvěma druhy teček. Říkejme bázím „písmena“: A, C, G a T. Krása DNA spočívá v tom, že každé písmeno je komplementární s některým jiným, což znamená, že se přednostně naváže k jinému konkrétnímu písmenu, které mu „přísluší“: A se páruje s T a naopak, C se páruje s G a naopak. Existuje tedy jen jeden způsob, jakým lze DNA kopírovat – nalepit na řetězec molekuly další řetězec složený z komplementárních písmen. Sekvence bází AAGTTC se na komplementárním řetězci napíše jako TTCAAG. Když novou sekvenci zkopírujete, dostanete zpátky původní sekvenci. Každý gen je normálně složen z pruhu DNA o určité délce a z jeho komplementární kopie, která je s ním svinutá do známé dvoušroubovice. Kolem pruhu DNA neustále putují specializované enzymy a okamžitě najdou a opraví případnou poruchu v podobě několika chybějících bází. Jako návod jim poslouží komplementární řetězec. V DNA dochází „vinou“ slunečního světla a chemikálií k neustálým poruchám. Nebýt opravných enzymů, DNA by místo informací brzy kódovala nesmyslný blábol.

Ale co když se oba řetězce poškodí na stejném místě? To se může stávat poměrně často, například když se dva řetězce prolnou, jako když kápnete lepidlo na zapnutý zip. Opravné enzymy pak nemají tušení, podle čeho DNA opravovat. Potřebují vzor, z něhož by vyčetly, jak geny vypadaly před poruchou. A ten jim poskytne sex. Dodá jim kopii téhož genu ze stejného tvora (při oplození) nebo z jiného chromozomu téže buňky (při rekombinaci). Opravna získá nový návod.

Jistě, i nový návod může být poškozen na stejném místě, ale je to málo pravděpodobné. Pokladní, který sčítá účet, kontroluje správnost součtu tak, že opakuje úkon. Přitom předpokládá, že neudělá stejnou chybu dvakrát po sobě.

Teorii genových oprav nahrává několik nepřímých důkazů. Jestliže například nějakého tvora vystavíte zničujícímu ultrafialovému záření, daří se mu lépe, pokud je schopen rekombinace, a ještě lépe, má-li ve svých buňkách dvě kopie každého chromozomu. Mutantní linie neschopné rekombinací jsou vůči ultrafialovému záření zvlášť citlivé. Bernstein navíc vysvětlil detaily, které se jeho rivalům vysvětlit nedaří, například podivuhodný fakt, že těsně předtím, než buňka při výrobě vajíčka rozdělí svůj chromozomový pár na dva chromozomy, se každý její chromozom zdvojí, načež buňka tři čtvrtiny produktů odhodí. Podle teorie oprav přitom vyhledává chyby, které mají být opraveny, a převádí je na „společný jazyk“. (Bernstein, 1983; Bernstein, Byerly, Hopf, Michod, 1985)

"Kdo se rozmnožuje asexuálně, je jako hráč, který má mnoho losů se stejným číslem."

Přesto teorie genových oprav nestačí na úkol, který si vytyčila. Taktně totiž zamlčuje, že při oplození poskytuje geny cizí jedinec. Vždyť pokud by cílem sexu bylo získat náhradní kopie genů, bylo by výhodnější dostávat je od příbuzných než hledat nepříbuzné příslušníky vlastního druhu. Bernstein tvrdí, že oplození pomáhá zakrýt mutace, což je vlastně jinak formulované zdůvodnění nevýhodnosti příbuzenské plemenitby. Jenže sexualita je příčinou, a nikoli následkem příbuzenské plemenitby.

Každé vysvětlení sexuality pocházející od zastánců teorie genových oprav navíc vlastně jen zdůrazňuje, že je výhodné vlastnit více kopií jednoho genu. Existuje však mnohem jednodušší způsob, jak si zajistit náhradní genové kopie, než jejich náhodné prohazování mezi chromozomy. Říká se mu diploidie (Maynard Smith, 1988). Vajíčko a spermie jsou haploidní – vlastní jen jednu kopii každého genu. Haploidní jsou i bakterie nebo primitivní rostliny, například mechy. Jenže většina rostlin a téměř všichni živočichové jsou diploidní a vlastní každý gen ve dvou kopiích – od každého rodiče získali jednu. Konečně některé organismy, zvláště rostliny, které jsou potomky přirozených kříženců nebo které člověk vyšlechtil, aby dorůstaly do větších rozměrů, jsou polyploidní. Tak je většina hybridních plemen pšenice hexaploidních; každý jedinec vlastní šest kopií každého genu. Samičí rostliny jamů (hlízy rostliny Dioscorea alata, takzvané sladké brambory) jsou oktaploidní nebo hexaploidní, samčí rostliny jsou tetraploidní – tento rozdíl způsobuje, že jamy jsou neplodné. Dokonce i některé linie pstruhů duhových a domácí drůbeže jsou triploidní – a před několika lety byla zjištěna triploidie u jednoho druhu papouška, známého ary ararauny (Tiersch, Beck, Douglas, 1991). Ekologové začínají mít podezření, že polyploidie rostlin je jakousi alternativou k sexuálnímu rozmnožování. Že ve velehorách a ve vysokých zeměpisných šířkách daly mnohé druhy rostlin před pohlavním rozmnožováním přednost asexuální polyploidii. (Bull, Charnov, 1985; Bierzychudek, 1987b; Kondrašov, Crow, 1991; Perrot, Richerd, Valero, 1991)

Zmínkou o ekolozích však poněkud předbíháme. Vraťme se ke genovým opravám. Diploidní tvorové by měli zvlášť mnoho příležitostí k opravám, kdyby si trochu rekombinace mezi chromozomy dopřáli pokaždé, když se jejich buňky dělí při tělesném růstu. Jenže to oni nedělají. Rekombinují své geny jen při onom posledním podivném dělení, jemuž se říká meióza a jež předchází vytvoření spermie a vajíčka. Bernstein nabízí odpověď i na tuto záhadu. Tvrdí, že organismy mají ještě jeden, ekonomičtější způsob oprav a uchylují se k němu při obyčejném buněčném dělení, kdy povolí přežít jen nejzdatnějším buňkám. V této fázi nepotřebují žádné zvláštní opravné mechanismy, protože nepoškozené buňky záhy přerostou buňky poškozené. Pouze při výrobě pohlavních buněk, které si ve světě budou muset poradit samy, se vyplatí zkontrolovat chyby. (Bernstein, Hopf, Michod, 1988)

Jaký verdikt tedy vynést nad teorií oprav? Řekl bych, že je nepotvrzená. Jisté je, že nástroje sexuality byly odvozeny od opravných mechanismů DNA a že při rekombinaci k nějakým opravám dochází. Je to však smyslem sexu? Pravděpodobně ne.

Tento text je úryvkem z knihy: Matt Ridley: Červená královna

Sexualita a vývoj lidské přirozenosti

nové vydání Argo a Dokořán 2017. O knize zde.

Další úryvek z knihy na Sciencemag.cz: Evoluční smysl sexu a model loterie

Autor: Pavel Houser

Datum: 14.07.2017

Tisk článku

Diskuze:

P. Stejskal,2017-07-24 10:58:46

Taky jsem strojař ;-) a dovolím si nesouhlasit. Páně Chmulíkův postoj je mi poměrně blízký a k jasným pravdám a jediným správným přístupům jsem dost skeptický.

Na začátku vývoje převodovky byl samozřejmě nějaký úmysl - potřebuju něco, co mi nějak přetransformuje jeden pohyb na jiný tak, aby ten výsledný měl nějaké vlastnosti, které požaduju pro nějakou konkrétní úlohu. Tj. je tam jakýsi plán, resp. zadání. Něco, co je v poměrně zásadním rozporu s pojetím evoluce v biologii.

To samé pak platí při jednotlivých iteracích - ano, zavrhování zjevně nefunkčních návrhů může evokovat jistou podobnost s přirozeným výběrem. Jenže při zdokonalování převodovky není další iterace náhodná. I konstruktér bez teoeretického backgroundu, postupující čistě empiricky, se zaměřuje na konkrétní slabá místa - „tady mi to ruplo, tak tam přidám materiálu“.

A ještě jeden „drobný“ rozdíl tam vidím - v evoluční biologii, pokud to chápu dobře, při ukončení nějaké větve dochází k zániku informace. Tj. když po x milionech let nějaký organismus dospěje do fáze, ve které by se mu hodily nějaké znaky organismu, který žil dříve, není možno prostě vytáhnout z archivu plány a tu vývojovou linii „vzkřísit“. Což se v technické praxi také děje běžně.

Evoluci tak, jak je dnes prezentována bych přirovnal spíš k k situaci, kdy na dvůr psychiatrické léčebny vysypu dva náklaďáky kostiček z Lega a pak k tomu na směny vodím chovance, ať si prostě hrajou, aniž bych jim dal jakékoli další instrukce s výjimkou popisu toho, jaké kostky je možno spojovat a jak. Třeba tam za deset let postaví funkční model nakladače či Eiffelovku v měřítku 1:10...