Waarom organismen seks begonnen te hebben, in plaats van zich gewoon aseksueel voort te planten, zoals het leven miljarden jaren deed - en nog steeds doet, in het geval van eencellige organismen en sommige planten en schimmels - is een beetje een mysterie. Seksuele reproductie evolueerde ongeveer een miljard jaar geleden of meer, ondanks de extra benodigde energie en de schijnbare belemmering om een geschikte partner te vinden. De heersende theorieën stellen dat seks de dominante vorm van voortplanting werd vanwege de voordelen van een grotere genetische diversiteit, waardoor nakomelingen zich konden aanpassen aan veranderende omgevingen en soorten een stap voor konden houden op parasieten die evolueerden om de ouders te plagen.
Maar in een nieuw artikel in PLOS Biology, suggereert een team van wetenschappers onder leiding van de Universiteit van Montpellier in Frankrijk en de Deakin University in Australië dat er een andere reden is waarom het leven begon en seks bleef houden: de dreiging van overdraagbare, kankerachtige freeloaders.
"We suggereren dat seksuele reproductie evolueert om invasie door overdraagbare zelfzuchtige neoplastische cheatercellen te voorkomen, hierna aangeduid als overdraagbare kankercellen, " zegt Frederic Thomas, een evolutionair bioloog aan de Universiteit van Montpellier en hoofdauteur van de studie, in een e-mail. "Voor zover wij weten, is dit selectieve scenario voor de eerste evolutie van seks in de levensboom nieuw."
Kanker was geen probleem voor de vroegste levensvormen, prokaryoten of eencellige organismen die een celkern missen, zoals bacteriën en archaea. Deze wezens reproduceren aseksueel, maken een kopie van hun enkelvoudig chromosoom en klonen in wezen zichzelf.
Maar dingen veranderden met de evolutie van eukaryoten meer dan 2, 5 miljard jaar geleden. Deze organismen bevatten centrale kernen die hun genomen omvatten in een set chromosomen. Groepen eukaryoten kwamen samen om de eerste meercellige organismen te vormen - de voorgangers van al het complexe leven op aarde, van planten tot insecten en reptielen tot zoogdieren. Wanneer deze organismen zich voortplanten, wordt genetisch materiaal ingebracht door twee partners, waardoor genetisch unieke nakomelingen ontstaan.
"Seks lijkt de overgang naar het eukaryotische leven te hebben begeleid, direct voorafgegaan of daadwerkelijk te zijn gemarkeerd", zegt Maurine Neiman, universitair hoofddocent biologie aan de universiteit van Iowa, die seksuele reproductie bestudeert maar niet betrokken was bij de nieuwe studie. De grote vraag in de evolutiebiologie is volgens haar waarom.
Seks is echt ingewikkeld en inefficiënt. Veel organismen moeten biologische hulpbronnen investeren in eigenschappen die uitsluitend dienen om een partner aan te trekken, zoals pauwenveren. Zelfs de handeling van copulatie zelf brengt risico's met zich mee. "Organismen zitten vaak letterlijk aan elkaar vast, en dat is niet echt een geweldige situatie, " zegt Neiman. Het idee dat een wezen dat succesvol genoeg is om reproductieve volwassenheid te bereiken met de genetische formule zou willen knoeien, is ook vreemd. “Je bent een beetje zeker als je bent opgegroeid en succesvol bent geweest. Waarom zou je een baby anders maken dan jij? '
Door genetica te combineren, produceert seksuele voortplanting een grotere genetische diversiteit in een populatie, waardoor de overdracht van kankercellen tussen individuen in de populatie wordt beperkt. (Thomas et al. / PLOS Biology 10.1371) Een toonaangevende theorie staat bekend als de Red Queen-hypothese. Het idee suggereert dat naarmate het meercellige leven evolueerde, de parasieten en ziekteverwekkers dat het plaagden, dat ook deden. Door seks te gebruiken om nakomelingen met unieke genetische eigenschappen te creëren, kunnen sommige van de nakomelingen weerstand krijgen tegen de insecten die anders hele soorten zouden bedreigen. Seksuele reproductie dient als een manier om de evolutionaire wapenwedloop een stap voor te blijven. (De naam van de hypothese komt van een verklaring van de Rode Koningin aan Alice in Lewis Carroll's Through the Looking-Glass : "Nu, hier, zie je, moet je alle hardlopen doen om op dezelfde plek te blijven." )
De nieuwe studie suggereert dat kankercellen als een andere vorm van parasiet kunnen worden beschouwd. Terwijl vroege cellen zich samenbonden om afzonderlijke, eukaryotische organismen te vormen, hadden deze organismen moeten waken tegen lidcellen die weigerden zich ondergeschikt te maken aan het geheel - "interne cheatercellen" of kankercellen. Vroege meercellige organismen zouden ook een afweer moeten ontwikkelen tegen binnendringende kwaadaardige cellen van andere organismen, of overdraagbare kankers.
Zulke vroege immuunsystemen zouden gemakkelijker tijd hebben gehad om onderscheid te maken tussen gezonde cellen en maligniteiten, zo betoogt de studie, als seksuele voortplanting nakomelingen zou creëren die genetisch verschillend waren van omliggende organismen. Het richten op kankercellen had een evolutionaire druk kunnen creëren om seks te omarmen, vergelijkbaar met de druk van parasieten en andere pathogenen.
"Kwaadaardige cellen - althans naar onze mening - hebben hetzelfde belang in evolutionaire biologie en ecologie als niet-zelfparasieten en moeten daarom als belangrijk worden beschouwd als parasieten en microbiota, " zegt Thomas. "Kanker is niet alleen een ziekte, het is een evolutionaire kracht."
Dit idee zou een krachtige nieuwe manier van denken over evolutie kunnen zijn, volgens Steve Johnson, een bioloog die de evolutie van seks en gastheer-parasiet interacties aan de Universiteit van New Orleans bestudeert. "Hoe meer ik erover nadenk, ik geloof echt dat dit een heel belangrijke nieuwe aanpak kan zijn", zegt hij in een e-mail. "Ik vind vooral hun koppeling van Red Queen-modellen leuk met het idee dat seksuele voortplanting een uniek soort parasiet vermindert, de overdraagbare kankercellen."
"Je kunt kanker beschouwen als dit egoïstische fenomeen dat sterft met het individu, " voegt Neiman toe. “Maar wat als het dat niet deed? Hoe zou dat het evolutionaire landschap veranderen? '
In het artikel beschrijven Thomas en collega's enkele van de veranderingen in het evolutionaire landschap die ze verwachten te zien als hun hypothese correct is. Overdraagbare kankers, bijvoorbeeld, zouden waarschijnlijk zeldzaam zijn bij seksueel voortplantende soorten, en dit is in feite het geval. Er zijn slechts een handvol voorbeelden, zoals Tasmaanse duivel gezichtsletsels en leukemie in sommige kokkels.
Het team voorspelt ook dat de meeste aseksueel voortplantende soorten ofwel relatief jong zouden zijn of els speciaal aangepast om kanker te weerstaan. En inderdaad, ze ontdekten dat ongeveer de helft van de bekende aseksuele geslachten naar schatting minder dan 500.000 jaar oud is. "De resterende 50 procent van de geslachten bestaat uit evolutionair schandalige" organismen waarvan bekend is dat ze resistent zijn tegen mutagenen, zegt het nieuwe artikel. Dergelijke organismen, zegt Thomas, kunnen de moeite van het bestuderen waard zijn om meer te weten te komen over hun antikankerbescherming voor medisch gebruik.
Maar er is een reden waarom de oorsprong van seks wordt beschouwd als een moeilijk probleem in de evolutionaire biologie. Volgens Neiman zijn er elementen van de nieuwe theorie die niet helemaal kloppen - althans nog niet. De zeldzaamheid van overdraagbare vormen van kanker bij wezens van tegenwoordig bijvoorbeeld, ondersteunt deze nieuwe theorie misschien niet.
Een 'universum waarin kanker seks uitlegde, zou vereisen dat die besmettelijke kankers echt heel gewoon waren', zegt Neiman. Ze vraagt zich ook af wat een van de centrale veronderstellingen van de theorie is, dat de genetische onderscheidbaarheid van ouders en nakomelingen daadwerkelijk een factor zou zijn in het succesvol bestrijden van kankerinfecties. "Ik weet niet zeker of het goed is getest en het is een zeer belangrijke veronderstelling."
Thomas geeft toe dat de hypothese van zijn team moet worden gevalideerd door te experimenteren, wat op dit moment ontbreekt. "We stellen in de krant verschillende richtingen voor, de meest elegante zou zijn om het klonen van dieren te gebruiken om het risico van kankerceltransmissie geassocieerd met aseksuele reproductie te evalueren, " zegt hij. Als de nieuwe theorie van seksuele voortplanting correct is, zou de kans dat een moeder kankercellen doorgeeft aan haar nakomelingen groter moeten zijn als het embryo een geïmplanteerde kloon van de moeder is, in plaats van een genetisch verschillend embryo.
Het team werkt ook met gekloonde hydra, mariene organismen die zowel seksueel als aseksueel kunnen reproduceren, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden. Volgens Thomas Madsen, een levenswetenschapper aan de Deakin University en co-auteur van de nieuwe studie, is het doel om "proberen gezonde klonale hydra's met kankercellen te 'infecteren' en hun evolutionaire respons te onderzoeken." Als de nieuwe theorie over seks correct is, geïnfecteerde hydra's moeten seksuele reproductie verkiezen boven aseksueel.
Maar de oorsprong van seks is altijd rommelig geweest en Neiman denkt dat het zo zal blijven. "Ik denk dat de complexiteit en gewoon rommeligheid van de biologie vaak eisen wat we pluriforme of meervoudige verklaringen noemen", zegt ze. "Ik denk niet dat er ooit een algemene, elegante, enkele, eenvoudige oplossing komt."
