Az ivaros életciklusok

Kívántad valaha, hogy bárcsak klónozni tudnád magad, például hogy kétszer annyi dolgot csinálhass egy nap alatt? Mivel emberi lény vagy, ezért sajnos nem tudsz csak úgy kettéosztódni. Azonban ha másféle szervezet lennél (például tengeri csillag, vagy netán kaktusz), akkor saját magad klónozása nem lenne nagy ügy.

Egyes tengeri csillagok ugyanis képesek genetikailag velük teljesen egyező további tengeri csillagok létrehozására, például egyik karjuk letörésével, amely aztán teljes állattá fejlődik. Hasonlóképpen, bizonyos kaktuszok klónozni tudják saját magukat egyes elágazódásaik elengedésével, amelyek aztán legyökereznek és új, genetikailag egyező kaktuszokká alakulnak$^1$start superscript, 1, end superscript.

Ezek a szaporodási formák az ivartalan (aszexuális) szaporodás példái. Az ivartalan szaporodás során a szülővel genetikailag teljesen egyező példány, egy klón jön létre. Ezzel szemben a legtöbb növényre, állatra és gombára az ivaros szaporodás jellemző.

Az ivaros szaporodás során két szülő ivarsejtjei (gamétái) olvadnak össze megtermékenyítéskor, egy új, genetikailag különböző egyed létrejöttét eredményezve. Egyes szervezetek, beleértve a fenti példában szereplő tengeri csillagot és kaktuszt is, választhatnak az ivaros és ivartalan szaporodás között$^{1,2}$start superscript, 1, comma, 2, end superscript.

Az ivarosan szaporodó fajok életciklusukat tekintve rendelkeznek néhány alapvető hasonlósággal. Ilyen például a meiózis (amely során diploid sejtekből haploid sejtek jönnek létre) és a megtermékenyítés (amely során a haploid gaméták összeolvadnak, létrehozva egy diploid sejtet, a zigótát). Ezen alapvető tényezőkön túl azonban az ivaros szaporodás eltérő típusaival találkozhatunk. Ebben a leckében áttekintjük az ivaros életciklusok különböző típusait, amelyek a különféle szervezetekre jellemzőek, az embertől kezdve a páfrányokon át egészen a penészgombákig.

Az ivaros életciklus magában foglalja a meiózis és a megtermékenyítés váltakozását. A meiózis az a folyamat, amely során diploid sejtekből haploidok jönnek létre, megtermékenyítéskor pedig két haploid sejt (két gaméta) olvad össze és hozza létre a diploid zigótát. Azonban az, hogy mi történik e két folyamat között, nagyban függ az adott szervezettől, és teljesen eltérő stratégiával találkozhatunk, ha összehasonlítunk például téged, egy gombát vagy mondjuk egy tölgyfát!

Három fő ivaros életciklus-típust különböztethetünk meg.

A következőkben részletesebben is megvizsgáljuk az egyes életciklus-típusokat.

Szinte az összes állat életciklusa diplonta, ami azt jelenti, hogy csak a gaméták haploidok. Az állati embriófejlődés nagyon korai szakaszában elkülönülnek az ún. csírasejtek (priomordiális őssejteknek, vagy ősivarsejteknek is nevezik őket). A csírasejtek a fejlődő gonádokba (ivarszervekbe), vagyis a herékbe és petefészkekbe vándorolnak, ahol mitózissal további ősivarsejteket hoznak létre. Néhányuk azonban belép a meiózisba, és haploid gaméták alakulnak ki belőlük. (Az embernél a nőkben magzati korban létrejön a teljes csírasejtkészlet, a születés után új csírasejtek többé nem képződnek.) Megtermékenyítéskor két (általában eltérő egyedektől származó) gaméta összeolvad, helyreállítva a diploid kromoszómaszámot.

A legtöbb gombára és néhány protisztára (egysejtű eukariótára) haplonta típusú nemzedékváltakozás jellemző. Ilyenkor az élőlény „teste” (vagyis a kifejlett, ökológiailag funkcionális forma) haploid.

Haplonta életciklusú például a kenyéren zöldesfekete foltokban megjelenő indáspenész. Életciklusát az alábbi ábra szemlélteti. E faj ivaros szaporodásakor két ellentétes ivarjellegű (eltérő párosodási típusú) egyed hifái (többsejtű, fonalas haploid struktúrái) elkezdenek egymás felé növekedni.

A hifák találkozásánál kialakul egy zigosporangiumnak nevezett struktúra. A zigosporangium egy sokmagvú képlet, amely a két szülő halpoid sejtmagjait tartalmazza. A haploid magvak páronként összeolvadnak. A keletkezett sokmagvú ún. kitartózigótát (helytelenül) zigospórának nevezik, amely diploid magvai zigóta-ekvivalensek.

A zigospóra hosszú ideig szunnyadhat, azonban megfelelő körülmények között a diploid magvak belépnek a meiózisba, amelynek végén haploid, egymagvú spórák keletkeznek$^4$start superscript, 4, end superscript. Mivel számfelező (redukciós) osztódással jöttek létre, ezért valódi spóráknak, meiospóráknak nevezzük őket, és mindegyikük génállománya egyedi, csak rá jellemző. A spórák kicsíráznak, mitózisok sorozatával létrehozzák az új, soksejtű, haploid gombákat.

Az életciklusok harmadik típusa a valódi nemzedékváltakozás. Tulajdonképpen a szélsőségesen diplonta és szélsőségesen haplonta típusok kombinációjának tekinthető. Valódi nemzedékváltakozás néhány algára és az összes növényre jellemző. E típus esetén haploid és diploid többsejtű életszakasz egyaránt előfordul.

A többsejtű növények (és algák) haploid életszakasza a gametofiton. (A magyar szaknyelvben az eltérő életszakaszokat gyakran nemzedékeknek nevezik, de ez helytelen abban az értelemben, hogy nem beszélhetünk külön generációkról, mint pl. az ember esetében.) A gaméták a gametofiton életszakaszban jönnek létre, specializált sejtek részvételével. A meiózis nem kapcsolódik közvetlenül az ivarsejtek képzéséhez: maga a gametofiton már haploid. A haploid gaméták összeolvadása hozza létre a diploid zigótát.

A zigóta mitotikus osztódásával indul a sporofiton életszakasz, és jön létre a diploid többsejtű növény. A sporofiton specializált sejtjei belépnek a meiózisba, és haploid spórákat hoznak létre. A spórákból fejlődik ki a többsejtű haploid gametofiton.

Bár minden ivarosan szaporodó növényre jellemző a valódi nemzedékváltakozás valamilyen formája, a sporofiton és a gametofiton egymáshoz viszonyított mérete, és a köztük lévő kapcsolat nagy változatosságot mutat a különböző fajok körében.

A mohák esetében például a gametofiton szabadon élő, viszonylag nagy méretű növényke, míg a sporofiton apró, és mivel nem fotoszintetizál, ezért túlélése a gametfitontól függ. Más növényeknél, mint amilyenek például a páfrányok is, a gametofiton és a sporofiton egyaránt szabadon élő, bár a sporofiton jellemzően sokkal nagyobb: ez az a forma, amelyet a köznyelv páfránynak nevez.

A virágos növényeknél, mint amilyen a tölgyfa vagy a százszorszép is, a sporofiton sokkal nagyobb, mint a gametofiton. Valójában amit „növénynek” nevezünk, az szinte csaknem teljesen sporofiton szövet. A gametofiton mindössze néhány sejtre korlátozódik, és női gametofiton esetén teljes egészében a sporofitonon (a virágon) belül helyezkedik el.

Bizonyos szempontból a genetikailag egyező klónokat eredményező ivartalan szaporodás („sokszorozódás”) sokkal egyszerűbb és eredményesebb megoldásnak tűnik, mint az ivaros szaporodás. Végül is ha a szülő sikeresen túlél az adott környezetben, miért ne lehetnének az utódok is hasonlóan sikeresek? Az ivartalan szaporodáshoz ráadásul nem kell egy további egyed, meg lehet spórolni a párkeresés bonyolult procedúráját, ami lehetővé teszi a szaporodást egy bármilyen oknál fogva izolálódott egyed számára is.

A fenti előnyök ellenére nagyon kevés olyan többsejtű szervezet ismert, amely kizárólag ivartalanul szaporodik. Mégis, mi az oka annak, hogy ennyire elterjedt az ivaros szaporodás? E kérdés régóta heves viták tárgya, a kutatók között mind a mai napig nincs egyetértés. Általánosságban elmondható, hogy az ivaros szaporodás evolúciós szempontból előnyös, ezért lehet olyan széles körben elterjedt a ma élő fajok körében. Az előny abban áll, hogy növeli a genetikai sokféleséget, új és új változatok sokaságát hozva létre. A változatosság növeléséért a következő mechanizmusok felelősek: az allélok rekombinálódása a meiózis I profázisában, a homológ párok véletlenszerű orientálódása a metafázis I középsíkja mentén, továbbá maga a megtermékenyítés, vagyis hogy a sokféle gamétából mely kettő lesz az, amelyből az új élet létrejön.

Hogy miért olyan jó dolog a genetikai sokféleség? Példaképpen gondoljunk egy olyan helyzetre, amelyben egy populáció környezete megváltozik, például megjelenik egy új patogén, vagy felbukkan egy új predátor (ragadozó). Az ivaros szaporodás folyamatosan ontja az újabb és újabb véletlenszerű allélkombinációkat, megnövelve annak a valószínűségét, hogy lesz majd a populációban egy vagy több olyan egyed, amely sikeresebben fog túlélni a megváltozott környezetben (például mert reizisztens lesz a patogénre, vagy gyorsabban fog tudni elmenekülni a predátor elől).

Több generáció alatt a sikeresebb génváltozatok elterjednek a populációban, lehetővé téve az alkalmazkodást, vagyis a csoport egészének túlélését a megváltozott környezetben.