Odpověď na každou otázku

Proč existují právě dvě pohlaví?

Myslím, že touto otázkou si láme hlavu víc lidí. Je opravdu podivuhodné, že máme pouze dvě pohlaví. Bylo by pro nás totiž mnohem lepší, kdybychom byli hermafroditi. Za to, že bychom od partnera přijali spermie, by naoplátku i on musel vzít ty naše. Pak bychom měli dvojnásobný počet potomků a mohli se těšit z naprosté partnerské rovnosti. Evoluce si však nevybírá vždy to nejvýhodnější řešení.

S možným vysvětlením vzniku dvou rozdílných pohlaví přišel na začátku devadesátých let evoluční biolog Laurence Hurst. Za všechno prý můžou mitochondriální geny. Pohlavně se rozmnožující tvorové vznikají splynutím dvou haploidních buněk gamet. V nejjednodušším případě by obě pohlavní buňky mohly být úplně stejné, každá by budoucímu zárodku dodala polovinu jaderných genů a část cytoplazmy s mitochondriemi i jinými organelami. Jenomže právě to je zřejmě nemožné, protože dvě skupiny nepříbuzných mitochondrií se spolu v jedné buňce nesnesou. Je to podobné jako nechat lovit dva rybáře v jednom rybníku, za chvíli v něm nezbude jediná ryba. Žádnou si neušetří na horší časy, ten druhý rybář by ji beztak vylovil. V přírodě se nevyplatí spolupracovat, pokud to není nutné. Pro budoucí zárodek je lepší, když jsou všechny mitochondrie jedné gamety předem zlikvidovány předejde se tím jejich vzájemnému vyhlazování. To je první krok k rozlišení menší samčí gamety (spermie) a větší samičí gamety (vajíčka) čili předpoklad pro vznik dvou pohlaví.

Proč se většina zvířat předností hermafroditizmu vzdala a vytvořila si dvě různá pohlaví? Opět za to můžou mitochondriální geny. Evoluce jim zablokovala šíření prostřednictvím samčího pohlaví, takže je pro ně zbytečné, aby jejich nositel plýtval energií na produkci spermií. Lepší je, když bude dělat jenom vajíčka, jimiž se geny mohou šířit. Avšak tím, jak bude díky mitochondriím přibývat samic, vzroste poptávka po spermiích a pro zbývající hermafrodity bude výhodné proměnit se v samce a produkovat jenom spermie. Šanci udržet se má hermafroditizmus pouze tam, kde jsou dvě pohlaví velmi nevýhodná (například u přisedlých nebo pomalu se pohybujících zvířat, jako je žížala či hlemýžď). Představte si situaci, kdy si hlemýžď chce najít sexuálního partnera! Než se doplazí k jinému hlemýžďovi, může uplynout podstatná část jeho života. Kdyby náhodou narazil zrovna na jedince téhož pohlaví, byla by to pro něj pohroma. Hermafroditizmus mu takové zklamání ušetří.

Z téhož důvodu si některé organizmy můžou vytvořit víc než dvě pohlaví. U jednobuněčných vystupují jakožto gamety celí jedinci, a proto je pro ně hermafroditizmus nemožný. Pokud chtějí málo pohyblivé druhy zvýšit pravděpodobnost, že najdou sexuálního partnera, nezbývá jim než vytvořit si více pohlaví, která se ovšem mezi sebou musí dohodnout, kdo bude potomstvu dodávat mitochondrie. Jeden druh hlenky má třináct hierarchicky uspořádaných pohlaví. Rozmnožovat se spolu můžou kterákoli dvě různá pohlaví, přičemž mitochondrie dodává to nadřazenější. S 92% pravděpodobností narazí hlenka na svého potenciálního partnera hned napoprvé.

Větší množství pohlaví je tedy jen náhradou za výhodnější hermafroditizmus, proto se s tímto jevem v přírodě nesetkáváme příliš často.

Radka Aixnerová

Ústav molekulární genetiky AV ČR

Organely si buňka může buď nechat, nebo nenechat

Hlavním úkolem pohlavního rozmnožování je zřejmě obrana proti parazitům zvyšováním genetické variability potomstva vzniká stále se měnící genetické prostředí, v němž se má parazit co ohánět, aby unikl obranným mechanizmům hostitele. V každé eukaryontní buňce jsou však obsaženy také potomci symbiotické bakterie, kterým říkáme mitochondrie. Mitochondriální geny od jednoho partnera nemají sebemenší zájem na tom, aby se do další generace dostaly i mitochondriální geny druhého partnera. Potenciálnímu konfliktu lze nejlépe zabránit likvidací mitochondriálních genů jednoho z partnerů pro jaderné geny samce je výhodné zničit mimojaderné kolegy, kteří by se stejně jen poprali s mitochondriálními geny samice, na což by (nejen) jaderné samčí geny mohly doplatit. Likvidací mitochondriálních genů si samčí jaderné geny zvyšují šanci na úspěšné pomnožení.

A proč jsou pohlaví dvě? Ono jich může být víc, ale pouze tehdy, když při pohlavním procesu buňky nesplývají. U jednobuněčných prvoků můžeme najít více než dvě pohlaví proto, že si při konjugaci vyměňují pouze jaderný genetický materiál, takže ke konfliktu mezi mimojadernými geny dojít nemůže. Podívejme se však na vznik pohlavního procesu, při kterém pohlavní buňky splývají. Při vzniku fúzování bude selekce podporovat asortativní (výběrové) párování mezi buňkami, které budou dvou extrémních typů: jedna bude dodávat organely, druhá ne. To proto, že jakákoliv polovičatost bude znevýhodněna: pokud by obě buňky dodávaly organely a cytoplazmu (bez ohledu na množství), došlo by ke konfliktu mimojaderných genů, a navíc i cytoplazmatických parazitů ti by se poprali také.

Můžeme se na to podívat i trošku jinak. Z nepohlavně se množících nediferencovaných buněk vzniknou nejdříve pouze 2 typy: samice organely dává, samec nedává (nemá smysl ptát se proč, neboť si je tak definujeme). Spojením samčí a samičí buňky vznikne životaschopná zygota, kde se mimojaderné geny nemají s kým prát (1). Třetí pohlaví by mohlo vzniknout pouze tak, že se jedinci jednoho původního pohlaví stanou navzájem kompatibilními. Jenže to při fúzování (na rozdíl od konjugace) nejde: spojením dvou samčích buněk by vznikla buňka bez organel tedy mrtvá buňka (2). Spojením dvou samičích buněk by se do kontaktu dostaly nepříbuzné organely a následná bitka by neprospěla nikomu (3). Vzhledem k tomu, že buňka si organely může buď nechat, nebo nenechat, žádná další možnost nastat nemůže. Jedna a jedna jsou dvě.

Tomáš Grim, Přírodovědecká fakulta

Palackého univerzity v Olomouci

Poznámka redakce: Otázka položená v úvodu je příliš komplexní, a tak není divu, že není snadné na ni odpovědět přesně. V evoluční literatuře bývá zvykem ji rozdělovat na několik otázek dílčích:

1. Proč u jednobuněčných organizmů existuje funkční anizogamie, tj. proč při pohlavních procesech spolu mohou interagovat pouze gamety dvou rozdílných rozmnožovacích typů (mating typů)? Úmyslně zde používáme termín "pohlavní procesy" a vyhýbáme se termínu "rozmnožování" sexuální procesy nemusí být vždy nutně vázány na proces rozmnožování.
2. Proč u jednobuněčných organizmů, u nichž jsou sexuální procesy spojeny s fúzí buněk, a tedy se splýváním jejich cytoplazmy, tak často existují pouze buňky právě dvou rozmnožovacích typů?
3. Proč u jednobuněčných organizmů, u nichž při sexuálních procesech buňky nesplývají a pouze si při nich vyměňují buněčná jádra, existuje zpravidla velké množství různých vzájemně kompatibilních rozmnožovacích typů?
4. Jaké jsou důvody pro existenci morfologické anizogamie, tj. pro diferenciaci pohlavních buněk na velké buňky samičí a malé buňky samčí?
5. Proč jeden typ gamet (většinou mikrogamety) často nepředává svou cytoplazmu ani své cytoplazmatické organely do zygoty?
6. Proč jedinci mnohobuněčných organizmů tak často produkují pouze jeden typ pohlavních buněk, místo aby produkovali oba (tedy proč jsou gonochoristy a nikoli hermafrodity)?

Radka Aixnerová ve svém příspěvku hledá odpověď na otázky č. 3 a 6. Při odpovědi na otázku č. 6 se uváděný mechanizmus (bariéra proti možnému zápasu organel) většinou používá spíše k vysvětlování jednorodičovské dědičnosti organel (otázka č. 5), u rostlin pak především k vysvětlování, jak se šíří některé geny pro pylovou sterilitu. Jako častější důvod vzniku gonochorizmu u mnohobuněčných organizmů bývá uváděna výhodnost morfologické, fyziologické i etologické specializace individua na produkci jednoho z typů gamet, makrogamet nebo mikrogamet.

Tomáš Grim si ve svém příspěvku klade otázku č. 2, ve skutečnosti však nabízí odpověď také spíše na otázku č. 5. Jako vysvětlení existence právě dvou typů gamet se v evoluční literatuře většinou uvádí fakt, že současná existence většího počtu typů různě velkých gamet v rámci stejné populace je z evolučního hlediska stav nestabilní. Výsledky matematického modelování takových komplexnějších systémů ukazují, že jsou zde zvýhodněny na jedné straně gamety největší a na druhé straně nejmenší. V důsledku toho systém nakonec skončí právě u dvou typů velikostně odlišených gamet. Podle nejznámějšího modelu jsou malé gamety sice "lacinější", a mohou se tedy vyvíjet rychleji, nesou si však málo zásob, takže když splynou dvě malé gamety nebo jedna malá a jedna středně velká gameta, vznikne neživotaschopná zygota. Další modely jsou založeny na současném působení dvou protichůdných selekčních tlaků, například na pohyblivost gamety a na množství zásob v ní obsažených.

Jako hlavní důvod vzniku funkční anizogamie (otázka č. 1) se často uvádí podobný mechanizmus jako ten, jímž Stanislav Mihulka vysvětluje vznik odděleného pohlaví (dvoudomosti) u rostlin tedy omezení frekvence sexuálních procesů mezi geneticky stejnými jedinci.

Na téma sexu a pohlaví vyšly ve Vesmíru v poslední doby tyto články

Aixnerová R.: Život bez sexu, Vesmír 79, 546, 2000/10

Aixnerová R.: X chromozom a sexuálně antagonistické geny, Vesmír 79, 56, 2000/1

Aixnerová R.: Evoluce pohlavních chromozomů, Vesmír 78, 176, 1999/3

Cvrčková F.: Životně důležité tance, Vesmír 75, 505, 1996/9

Flegr J.: Evoluce pohlavního rozmnožování, Vesmír 74, 268, 1995/5

Koucká P.: Proč jsou násilné kopulace častější u hermafroditů?, 77, 416, 1998/7

Markoš A.: Tři zdroje a tři součásti oplození, Vesmír 76, 553, 1997/10

Mihulka S.: Nepoměr pohlaví u ptáků, Vesmír 77, 416, 1998/7

Sládeček F.: Teplota a určení pohlaví u vyšších obratlovců, Vesmír 76, 266, 1997/5

Sládeček F.: K významu sexuality v evoluci, Vesmír 74, 55, 1995/1

Storch D.: Konflikt mezi samci a samicemi je dynamičtější, než se zdálo, Vesmír 75, 475, 1996/8

Štys P.: Morfologie milování I. a II., Vesmír 75, 323, 1996/6 a Vesmír 77, 393, 1996/7

Žárský V.: 300 let objevu pohlavnosti u rostlin, Vesmír 74, 33, 1995/1