Ptaki, pszczoły, szympansy, ludzie – wszyscy to robimy, ale niewiele osób zdaje sobie sprawę, że rozmnażanie płciowe tak naprawdę najpierw wyewoluowało u stworzeń znacznie różniących się od nas samych.
Jakie więc one były i jak to wszystko się zaczęło? Jaka jest prawdziwa historia ptaków i pszczół?
Początek rozmnażania płciowego zawsze był zagadką dla naukowców. Dziś na Ziemi 99% stworzeń wielokomórkowych – dużych organizmów, które możemy zobaczyć – rozmnaża się płciowo. Wszystkie mają swoje unikalne mechanizmy, ale dlaczego ten proces wyewoluował, jest właściwie przedmiotem wielkiej tajemnicy.
Nawet dla Darwina, ojca ewolucji, seks był mylący
Nawet dla Darwina, ojca ewolucji, seks był mylący. W 1862 roku napisał: „Nie znamy nawet w najmniejszym stopniu ostatecznej przyczyny płciowości; dlaczego nowe istoty powinny być produkowane przez połączenie dwóch pierwiastków płciowych. Cały temat jest jeszcze ukryte w ciemności.”
Wiele gatunków są całkowicie zajęci przez seks i pójdzie do wielkich wysiłków, aby zdobyć partnera. Samiec ptaka kosaćca buduje misterne gniazda, aby zaimponować samicy; ogon samicy robaka świeci jasno, aby zwabić samca; nawet perfumy wytwarzane przez kwiat są po prostu sprytną sztuczką, aby przyciągnąć owady, które zbiorą pyłek, a następnie skierują się do sąsiednich roślin, zapładniając je w tym procesie.
Nawet przy całej tej hipnotyzującej różnorodności, wszystkie organizmy rozmnażające się płciowo podążają tą samą podstawową drogą, aby stworzyć nowe potomstwo – dwóch członków tego samego gatunku łączy swoje DNA, aby wytworzyć nowy genom.
Zanim rozwinęła się płeć, całe rozmnażanie odbywało się bezpłciowo, co w zasadzie oznacza podział komórki
Zanim rozwinęła się płeć, całe rozmnażanie odbywało się bezpłciowo, co w zasadzie oznacza podział komórki – organizm dosłownie dzieli się na pół, tworząc dwa.
Jest to prosty mechanizm copy-and-divide, i jest to coś, co wszystkie bakterie, większość roślin, a nawet niektóre zwierzęta robią przynajmniej przez jakiś czas.
Mechanizm rozmnażania bezpłciowego jest znacznie bardziej wydajny i mniej niechlujny niż rozmnażanie płciowe. Bezpłciowe gatunki nie muszą tracić czasu i energii na szukanie i imponowanie partnerowi, po prostu rosną i dzielą się na dwie części. Porównaj to z kłopotliwym, a czasem niebezpiecznym procesem przyciągania partnera do rozmnażania płciowego.
Gatunki bezpłciowe nie muszą tracić czasu i energii na szukanie i imponowanie partnerowi.
I wtedy są inne oczywiste koszty seksu. Łączenie fragmentów dwóch oddzielnych genomów wymaga innego rodzaju procesu – jajo musi zostać zapłodnione. Oznacza to również, że każde z rodziców przekazuje potomstwu tylko połowę swoich genów. Bezpłciowi rodzice, w przeciwieństwie do nich, produkują potomstwo, które jest w zasadzie węglowymi kopiami samych siebie, co brzmi jak lepsze podejście do świata, w którym mówi się nam, że nasze geny samolubnie chcą zapewnić sobie przetrwanie.
Więc, mając to wszystko na uwadze, dlaczego tak wiele gatunków powinno obrać długą i krętą drogę rozmnażania płciowego, skoro dostępna jest prosta ścieżka? Seks musi oferować jakieś ewolucyjne korzyści, które przewyższają oczywiste wady.
W 1886 roku, niemiecki biolog ewolucyjny August Weismann zaproponował jedną z takich korzyści. Powiedział, że rozmnażanie płciowe przetasowuje geny, aby stworzyć „indywidualne różnice”, na których działa dobór naturalny. Zasadniczo seks jest okazją dla dwóch organizmów tego samego gatunku do łączenia swoich zasobów.
W niektórych badaniach bezpłciowo rozmnażające się gatunki zostały nakłonione do stania się seksualnymi
Niektóre z ich potomstwa będą nosić korzystną mieszankę dobrych genów od obojga rodziców, co oznacza, że będą lepiej reagować na stresy środowiskowe, które pozostawiłyby bezpłciowe gatunki w poważnym niebezpieczeństwie. W rzeczywistości płeć może nawet przyspieszyć tempo ewolucji – jest to oczywista zaleta, jeśli warunki środowiskowe również szybko się zmieniają.
Ostatni dowód tych korzyści płynących z płci pochodzi z badań, w których bezpłciowo rozmnażające się gatunki zostały nakłonione do przekształcenia się w rozmnażające się płciowo. Prymitywne organizmy jednokomórkowe zwykle dobrze sobie radzą z rozmnażaniem bezpłciowym, ale jeśli stres środowiskowy jest wysoki, mogą przekształcić się w gatunki płciowe.
Stres środowiskowy może być czymkolwiek, od niewielkiej zmiany pogody do uderzenia meteoru.
Pochodzenie rozmnażania płciowego długo pozostawało tajemnicą, częściowo dlatego, że obserwujemy świat taki, jaki jest teraz, gdzie wiele organizmów bezpłciowych dobrze się rozwija, a niektóre organizmy, które mogą rozmnażać się na oba sposoby, nadal wydają się faworyzować rozmnażanie bezpłciowe. Niektóre z tych organizmów obejmują; drożdże, ślimaki, rozgwiazdy i aphids.
Ale faktycznie metoda reprodukcji wybierają zależy od okoliczności środowiskowych wokół nich – większość rozmnażać płciowo tylko w czasie stresu i rozmnażać bezpłciowo resztę czasu.
Ale wczesny świat był znacznie bardziej niegościnne miejsce z środowiska często zmieniających się bardzo szybko. W tych okolicznościach wysokie stawki mutacji mógł, w odpowiednich warunkach, zmusić bezpłciowy organizm do stania się sexual.
Zapis kopalny przechowywane w skałach może powiedzieć nam więcej o pochodzeniu rozmnażania płciowego, ale skamieniałości są rzadkie i trudne do znalezienia, więc trudno jest powiedzieć, co dokładnie się stało. Chris Adami z Michigan State University patrzy na proces teoretycznie.
Seks oznacza wybór dobrego partnera, a zatem wybór lepszej przyszłości dla potomstwa
Adami wyjaśnia, że można spojrzeć na ewolucję w kategoriach informacji – rzeczy, które trzeba wiedzieć, aby być w stanie przetrwać. Ewolucja polega na „zachowaniu informacji i zdobywaniu informacji – im więcej wiesz, tym lepszy jesteś”, mówi.
Jest to więc proces „uczenia się” – organizm „uczy się” nowych informacji, zwłaszcza w zmieniającym się środowisku, i organizm przekazuje te lekcje (w swoim DNA) następnym pokoleniom, aby pomóc im przetrwać.
Seks pozwala na to, aby działo się to bardziej efektywnie, oferując łatwiejszy sposób gatunkom na „zapamiętanie” przydatnych informacji – są one zakodowane w ich genach. Dzieje się tak dlatego, że proces ten polega na wyborze partnera seksualnego, który sam osiągnął dojrzałość płciową, dokonując dobrych wyborów. Seks oznacza wybór dobrego partnera, a zatem wybór lepszej przyszłości dla potomstwa.
„Pozyskiwanie i utrzymywanie informacji jest konieczne, aby ewolucja mogła działać – pamiętając stare i wyobrażając sobie przyszłość.”
Ten element wyboru pomaga wyjaśnić inną zagadkę: dlaczego potrzebujemy samców? Jeśli tylko połowa twojego potomstwa – córki – będzie faktycznie produkować potomstwo, dlaczego ewolucja zawracała sobie głowę synami? Dlaczego nie mieć wszystkie potomstwo być zdolne do produkcji młodych?
Darwin rozwiązanie męskiej tajemnicy było sugerować, że dobór naturalny nie był jedynym ewolucyjnym ciśnieniem w pracy w seksie. Działo się też coś innego – coś, co Darwin nazwał selekcją seksualną. Jest to w zasadzie preferowanie przez jedną płeć pewnych cech u osobników drugiej płci.
Dlaczego ewolucja zawracała sobie głowę synami? Dlaczego nie mieć wszystkie potomstwo być zdolne do produkcji młodych?
W badaniu opublikowanym w 2015 roku stwierdzono, że istotne jest, aby samce konkurowały o reprodukcję, a samice wybierały między tymi konkurującymi samcami. Selekcja płciowa poprzez istnienie dwóch płci utrzymuje zdrowie populacji i ochronę przed wyginięciem.
Pomaga utrzymać pozytywną zmienność genetyczną w populacji. Podczas konkurowania z rywalami i przyciągania partnerów w walce o reprodukcję, jednostka musi być dobra w większości rzeczy, więc dobór płciowy zapewnia ważny i skuteczny filtr do utrzymania i poprawy zdrowia genetycznego populacji.
Znaleziska te pomagają wyjaśnić, dlaczego płeć utrzymuje się jako dominujący mechanizm wytwarzania potomstwa. To ostatecznie dyktuje, kto dostaje do reprodukcji swoich genów do następnego pokolenia.
Seks, jak wiemy, można prześledzić z powrotem co najmniej tak daleko, jak prymitywne ryby
Seks jest powszechne i bardzo potężna siła ewolucyjna, ale kiedy ewolucja seksu faktycznie się stało i jakie rodzaje stworzeń były pierwsze, aby zacząć to robić?
Większość myślących ludzi akceptuje teorię ewolucji, że ludzie wyewoluowali ze wspólnego przodka, którego dzielimy z małpami człekokształtnymi, które z kolei wyewoluowały z jeszcze bardziej prymitywnych organizmów. Te myśli sięgają roku 1871, kiedy Darwin opublikował książkę The Descent of Man and Selection in Relation to Sex.
Ewolucja seksu, jaką znamy, może być w rzeczywistości prześledzona znacznie dalej niż nasi małpopodobni przodkowie. Sięga ona co najmniej tak daleko, jak prymitywna ryba zwana Microbrachius dicki. Skamieniałe dowody na to znaleziono w 385-milionowych skałach w Szkocji.
„Microbrachius” oznacza „małe ramiona”, ale dopiero niedawno naukowcy zdali sobie sprawę, co te małe ramiona były dla. Na ramionach znajdują się małe przyssawki, a dokładna analiza skamieniałości wykazała, że wersje żeńskie ryb miały małe płytki, które blokowały wersje męskie w miejscu, nie inaczej niż rzepy: ramiona były zaangażowane w reprodukcję seksualną.
Aby zrozumieć prawdziwe pochodzenie reprodukcji seksualnej, musimy jednak cofnąć się w czasie o 1,2 miliarda lat.
Nie tylko jakikolwiek rodzaj reprodukcji seksualnej. Te ryby były najwcześniejsze kręgowce wiemy, że rozmnażane przez wewnętrzne zapłodnienie, jak ludzie robią. Były to również pierwsze gatunki, które wykazały to, co biolodzy nazwali dymorfizmem płciowym: samce i samice wyglądają inaczej niż jeden od drugiego.
Większość ryb dzisiaj faktycznie rozmnaża się poprzez uwalnianie jaj i plemników na zewnątrz ciała. Naukowcy nie są pewni, dlaczego M. dicki rozwinął wewnętrzny system zapłodnienia, ale fakt, że tak się stało, utorował drogę rozmnażaniu płciowemu w jego najbardziej znanej formie.
Aby zrozumieć prawdziwe pochodzenie rozmnażania płciowego, musimy jednak cofnąć się w czasie jeszcze dalej. Wiemy, że wszystkie organizmy rozmnażające się płciowo pochodzą od jednego wspólnego przodka, więc jest to kwestia analizy wskazówek przechowywanych w skąpym zapisie kopalnym, aby wiedzieć, gdzie i kiedy ten przodek żył.
To skały w arktycznej Kanadzie, które posiadają wskazówki, których naukowcy szukają. Skały zostały zdeponowane w morskich środowiskach pływowych 1,2 miliarda lat temu i zawierają skamieniałości, które mówią nam o pierwszym rozmnażaniu płciowym.
Skamieniałość zwana Bangiomorpha pubescens jest wielokomórkowym organizmem, który rozmnażał się płciowo, najstarsze zgłoszone wystąpienie w zapisie kopalnym. B. pubescens nie był rybą, a nawet zwierzęciem. Była to forma czerwonych alg lub wodorostów. To był wodorost, który po raz pierwszy miał sex.
Dowód, że te skamieliny rozmnażały się płciowo jest w znalezieniu, że zarodniki lub komórki rozrodcze, które wygenerowali przyszedł w dwóch formach – męskiej i żeńskiej. Dziś wiemy, że czerwone algi nie mają plemników, które aktywnie pływają. Polegają one na prądach wodnych do transportu swoich komórek rozrodczych, co jest prawdopodobne, jak robili to przez ostatnie 1,2 miliarda lat.
To wodorosty po raz pierwszy uprawiały seks
Czerwone glony to jedna z największych i najstarszych grup glonów, licząca około 5000 do 6000 gatunków przeważnie wielokomórkowych glonów morskich, w tym wiele godnych uwagi wodorostów.
Są one bardzo zróżnicowaną grupą i pozostały bardzo podobne w wyglądzie przez 1,2 miliarda lat. Ta długowieczność oznacza, że można je opisać jako „żywe skamieliny” – są pozostałością przeszłości, która przypomina nam, skąd pochodzimy.
To właśnie niezwykle surowe i zmienne środowisko, w którym żył B. pubescens, mogło spowodować ewolucję płci 1,2 miliarda lat temu.
Galen Halverson z McGill University w Montrealu w Kanadzie wyjaśnia: „W odniesieniu do klimatu, wydaje się, że skamieniałości Bangiomorpha pubescens pojawiły się mniej więcej w tym samym czasie, gdy setki milionów lat względnego zastoju środowiskowego dobiegły końca. Widzimy poważne perturbacje w cykle węgla i tlenu w tym czasie, sugerując poważne zmiany środowiskowe.”
W tym czasie płeć była krytyczna dla późniejszego sukcesu i ewolucji organizmów wielokomórkowych. Skamieniałości te zatem oznaczają znaczący postęp w ewolucji życia. Halverson dodaje: „Jakie są powiązania między rozmnażaniem płciowym, wielokomórkowością, natlenianiem i globalnym cyklem węglowym pozostają mgliste, ale trudno nie zakładać, że wydarzenia te są ściśle powiązane.”
Badanie tych skał w celu zrozumienia rodzaju środowiska, które umożliwiło ewolucję płci, a w konsekwencji zrozumienie pochodzenia wielokomórkowości na naszej planecie, nie tylko informuje o naszej przeszłości i o tym, skąd pochodzimy, ale także o możliwościach rozwoju życia na innych planetach.
Trudno sobie wyobrazić wodorosty jako inicjatora rewolucji seksualnej, ale to właśnie te znaczące ewolucje, 1,2 miliarda lat temu, utorowały drogę życiu na Ziemi, jakie znamy.
Vivien Cumming jest na Twitterze i Instagramie: @drvivcumming
Dołącz do ponad pięciu milionów fanów BBC Earth, polubiając nas na Facebooku lub śledząc nas na Twitterze i Instagramie.
Jeśli podobała Ci się ta historia, zapisz się na cotygodniowy newsletter bbc.com features o nazwie „If You Only Read 6 Things This Week”. Ręcznie wybrane historie z BBC Future, Earth, Culture, Capital, Travel i Autos, dostarczane do Twojej skrzynki odbiorczej w każdy piątek.