Układ grupowy Duffy, czyli jak uciec przed malarią

Piotr Gąsiorowski w swoim doskonałym cyklu na temat ewolucji napisał o mutacjach ograniczających podatność na malarię, takich jak np. niedokrwistość sierpowatokrwinkowa. Choroba ta jest wynikiem mutacji w genie kodujących hemoglobinę β. Na obszarach endemicznych dla malarii co czwarty człowiek jest nosicielem takiego genu; osoby takie są oporne na malarię. Obecność dwóch alleli z mutacją (w Afryce Zachodniej jest 3% takich osób) powoduje, że krwinki czerwone mają sierpowaty kształt (stąd nazwa), co podwyższa ich skłonność do rozpadu czyli hemolizy. Takie osoby chorują na anemię i mają inne komplikacje zdrowotne. Nosiciele (czyli osoby, którzy mają jeden zmutowany allel) nie mają poważnych dolegliwości, chociaż mogą mieć problemy z nerkami. Można więc powiedzieć, że 3% objawowych homozygot (czyli osób z dwoma zmutowanymi allelami) które chorują na anemię to koszt dostosowania się do środowiska, w którym malaria jest stale obecna.

Piotr Gąsiorowski wspomniał o jeszcze jednej mutacji, która ogranicza podatność na malarię. Jest nią mutacja w genie kodującym antygen Duffy. Czym jest to białko? O tym w poniższym wpisie.

Grupy krwi Duffy a i Duffy b

Jak już pisałem w moim wpisie o grupach krwi, podział krwi na grupy jest metodą klasyfikacji krwinek czerwonych na podstawie obecności na ich powierzchni cząsteczek zwanych antygenami grupowymi, które mogą być wykrywane przez przeciwciała. Przeciwciała takie mogą spowodować aglutynację (czyli zlepianie się) krwinek; jeżeli osobie, która ma takie przeciwciała, przetoczy się krwinki przez nie rozpoznawane, to może nastąpić tzw. ostra reakcja poprzetoczeniowa grożąca śmiercią. Tak więc jeżeli osoby mają tę samą grupę krwi, to znaczy, że na ich krwinkach są takie same antygeny. Antygeny te na podstawie podobieństwa sklasyfikowane są w grupach, nazywanych układami grupowymi. U człowieka znanych jest obecnie (2024 r.) 45 układów grupowych zawierających 362 antygeny. Są wśród nich dobrze znane, jak ABO czy Rh, ale też rzadziej wspominane, jak właśnie Duffy. Antygeny tego układu znajdują się na białku Duffy obecnym na komórkach śródbłonka, który “wyściela” nasze naczynia krwionośne. To samo białko jest też na krwinkach czerwonych. Jaka jest jego rola?

Duffy czyli DARC

Białko Duffy, znane też jako DARC (Duffy Antigen Receptor for Chemokines, czyli receptor dla chemokin z antygenem Duffy) składa się z 336 reszt aminokwasowych. Przebija błonę komórkową 7 razy i ma 3 łańcuchy cukrowe (Ryc. 1). Jest kodowane przez gen ACKR1 znajdujący się na chromosomie 1.

Ryc. 1. Struktura białka Duffy (DARC). DARC składa się z 336 reszt aminokwasowych (oznaczonych jednoliterowymi symbolami). Polimorfizm Fya/Fyb to glicyna (G)/kwas asparaginowy (D) w pozycji 42. Pokazano też polimorfizmy w pozycjach 89 i 100: zastąpienie cysteiny (C) przez argininę (R) oraz alaniny (A) przez treoninę (T) powoduje powstanie fenotypu Fyx. CHO to łańcuchy cukrowe przyłączone do reszt 16, 27 i 33. Zaznaczono też immunogenny fragment białka o nazwie Fy6.

Według: Łukasik E. i Waśniowska K., Post. Hig. Med. Dośw. 2016, 70:143-171. Licencja CC BY 4.0.

Z białkiem Duffy związane są dwa antygeny grupowe o nazwach Duffy a i Duffy b (w skrócie Fya i Fyb). Przyczyną ich powstania jest różnica w sekwencji aminokwasowej: w pozycji 42 łańcucha polipeptydowego jest glicyna w Fya i kwas asparaginowy w  Fyb. Kodowane są przez dwa allele o nazwach FY*A i FY*B. Jeżeli oba allele są obecne, to mamy fenotyp Fy(a+b+). Jeżeli tylko jeden, to Fy(a+b-) lub Fy(a-b+). U osób o fenotypie Fy(a+b+) połowa antygenów Duffy stanowią cząsteczki Fya (czyli z glicyną w pozycji 42), a połowę – Fyb (z kwasem asparaginowym w tej pozycji). W przypadku osób o fenotypie Fy(a+b-) i Fy(a-b+), 100% cząsteczek białka Duffy to odpowiednio białka typu Fya i Fyb.

Około 1% ludzi ma allel FY*B. Koduje on białko, w którym reszty aminokwasowe w pozycjach 89 i 100 są zastąpione innymi resztami (wyjaśnione na Ryc. 1). Obecność dwóch takich alleli powoduje powstanie fenotypu Fyx znanego też jako Fyweak: białko Duffy jest wprawdzie obecne, ale w bardzo niewielkiej ilości.

W przeciwieństwie do grup A/B/O, większość ludzi nie ma przeciwciał rozpoznających antygeny Duffy. Przeciwciała takie mogą być jednak obecne u osób, którym wielokrotnie przetaczano krew. Jest tak dlatego, że nasz układ odpornościowy może rozpoznać antygen Duffy, którego nie mamy, jako coś obcego. Tak właśnie było w przypadku Richarda Duffy (zmarł w 1956 r.), który chorował na hemofilię, miał grupę Fy(a-b+) i w wyniku wielokrotnych transfuzji wytworzył przeciwciała anty-Fya. Od jego nazwiska pochodzi nazwa całego układu grupowego.

Antygen Fya występuje trochę częściej u mieszkańców Azji (ma go 99% mieszkańców), a antygen Fyb  u mieszkańców Europy (83% mieszkańców). W Afryce jest ciekawa sytuacja: większość jej mieszkańców nie ma ani antygenu Fya ani Fyb, co jest wynikiem obecności częstego w Afryce allelu FY*BES (Ryc. 2). Fenotyp taki nazywany jest Fy(a-b-). Jaka jest przyczyna tego zjawiska? Żeby to wyjaśnić, trzeba opisać funkcję pełnioną w naszym organizmie przez białko Duffy.

Ryc. 2. Częstość występowania alleli FY*A, FY*B i FY*BES. Źródło: Howes R.E. et al., Nat. Commun. 2010, 2:266. Licencja CC BY 4.0.

Duffy i chemokiny

Białko Duffy jest receptorem dla chemokin, czyli niewielkich białek (masa cząsteczkowa 8-12 kDa) produkowanych przez komórki naszego organizmu w sytuacjach stresowych. Chemokiny należą do rodziny cytokin, czyli białek regulujących odpowiedź odpornościową organizmu. Ich rola jest szczególna: odpowiadają za chemotaksję, czyli reakcję ruchową na bodźce chemiczne. Większość receptorów dla chemokin to białka związane z białkiem G (pisałem o tym białku we wpisie o receptorach smaku). Po związaniu chemokin białka te przesyłają sygnał do komórki, zmuszając ją do reakcji (w tym przypadku ruchu). Znanych jest ponad 50 rodzajów chemokin i ponad 20 rodzajów receptorów, które je rozpoznają.

Chemokiny wiążą się do receptorów na powierzchni komórek i powodują, że komórki te przemieszczają się w stronę wyższego stężenia chemokin. Ma to wielkie znaczenie dla obrony naszego organizmu przez patogenami. Przykładowo, jeżeli skaleczymy się w rękę, bakterie wnikają do rany i zaczynają się namnażać. W odpowiedzi na obecność bakterii, komórki skóry bądź nabłonka wytwarzają cytokiny, których zadaniem jest informowanie komórek układu odpornościowego (takich jak leukocyty, makrofagi czy granulocyty) o obecności bakterii. Te same komórki wytwarzają też chemokiny, które stanowią coś w rodzaju drogowskazów dla komórek układu odpornościowego. Obecność chemokin to sygnał dla tych komórek, że mają przemieszczać się w kierunku, gdzie chemokiny powstają.

Białko Duffy nie jest typowym receptorem dla chemokin, ponieważ nie tworzy kompleksu z białkiem G i nie może przesyłać sygnału do komórki. Dlatego jest nazywane „receptorem zlewowym” (sink receptor). Jego rola to wiązanie chemokin na powierzchni komórek, co powoduje obniżenie stężenia chemokin w osoczu. Ponieważ krwinki czerwone to najliczniejsze komórki w naszym organizmie (jest ich 29 x 1012 wobec 7 x 1012 wszystkich pozostałych komórek), białko Duffy na czerwonych krwinkach pełni rolę „magazynu” chemokin.

No dobrze, ale co to ma wspólnego z malarią?

Duffy i malaria

Malaria jest zakaźną chorobą przenoszoną przez komary, a powodowaną przez pasożytnicze protisty  z rodzaju Plasmodium (polska nazwa: zarodźce). Człowiek jest żywicielem pośrednim dla pięciu gatunków, z których najgroźniejsze są dwa: Plasmodium falciparum, czyli zarodziec sierpowaty, i Plasmodium vivax, czyli zarodziec ruchliwy. Ok. 260 milionów ludzi zapada rocznie na malarię, z czego ok. 600 000 (w większości dzieci) umiera. Większość zachorowań jest powodowana przez P. vivax, ale 90% ofiar śmiertelnych powoduje P. falciparum.

Zakażenie rozpoczyna się, gdy samica komara przekłuwa skórę, wstrzykując zakaźne formy zarodźca nazywane sporozoitami. Trafiają one do wątroby, gdzie w ciągu kilku dni przekształcają się w merozoity, które infekują krwinki czerwone (Ryc. 3).

Ryc. 3. Cykl życiowy zarodźca malarii. Według: Wikimedia Commons. Licencja CC BY 4.0.

Merozoity namnażając się w krwinkach czerwonych i co 48 godzin rozrywają je, co powoduje ataki gorączki. Podatność na malarię zależy od wielu czynników, w tym m.in. od grup krwi układu ABO. Osoby o grupie krwi O są nieco bardziej oporne na malarię powodowaną przez P. falciparum, dlatego wśród mieszkańców terenów endemicznych dla malarii przeważają osoby z grupą O.

Ale ten mechanizm nie działa w przypadku P. vivax, dlatego ewolucja zastosowała tu inny wybieg. Białko Duffy jest jednym z dwóch receptorów dla merozoitów P. vivax (drugim jest receptor dla transferyny). Znaczy to, że zarodziec może infekować krwinki tylko wtedy, gdy te mają na powierzchni białko Duffy. Jak wspomniałem, istnieją dwie grupy krwi, Fya i Fyb, przy czym antygen Fya jest trochę gorzej rozpoznawany przez merozoity P. vivax. Dlatego osoby o fenotypie Fy(a+b-) są nieco bardziej oporne na zakażenia tym pasożytem. Ale naprawdę dużą oporność wykazują osoby, u których białko Duffy w ogóle nie występuje na powierzchni krwinek. Takie osoby mają fenotyp Fy(a-b-), który jest wynikiem obecności dwóch alleli o nazwie FY*BES. Allele te kodują prawidłowe białko Duffy, które ulega ekspresji wyłącznie na komórkach śródbłonka, natomiast nie ma go na powierzchni krwinek czerwonych. Jest to wynik punktowej mutacji w promotorze tego genu, czyli we fragmencie genu odpowiadającym za uruchomienie  transkrypcji (czyli przepisania sekwencji DNA na mRNA). Zamiana jednego nukleotydu (tyminy na cytozynę) w pozycji -67 sekwencji nukleotydowej allelu FY*B powoduje, że erytroidalny czynnik transkrypcyjny GATA-1, który odpowiada za ekspresję białka Duffy na krwinkach czerwonych oraz ich prekursorach nie może się przyłączyć do odpowiedniego fragmentu w promotorze. Skutkiem jest nieobecność białka Duffy na krwinkach. Allel z taką mutacją to właśnie FY*BES (od ES czyli erythroid silent, nieobecny na komórkach erytroidalnych). Częstość tego allelu to 90% u rdzennych mieszkańców Afryki i 68% u Afro-Amerykanów.

Osoby z dwoma takimi allelami mają prawie 100% oporność na zakażenia P. vivax. Prawie, bo zahamowanie ekspresji białka Duffy na krwinkach czerwonych nie jest jednak całkowite i na niedojrzałych krwinkach występuje niewielka ilość tego białka. Takie młode krwinki mogą być „tylnymi drzwiami”, przez które zarodziec wnika powodując malarię. Ochrona jest jednak znacząca, i prawdopodobnie dlatego częstość fenotypu Fy(a-b-) w Afryce wynosi od 8% w Sudanie do 86% w Botswanie (Ryc. 2). Uważa się, że mutacja powodująca powstanie allelu FY*BES pojawiła się w Afryce ok. 60 000 – 30 000 lat temu i rozpowszechniła się w wyniku presji ze strony zarodźca P. vivax.

Co ciekawe, w Europie Środkowej (Polska, wschodnie Niemcy) kilka do kilkunastu procent ludzi jest nosicielami allelu FY*BES (Ryc. 2). Może to powodować pewne problemy w transfuzjologii, bo osoby o fenotypie Fy(a-b-), którym przetoczy się krwinki Fy-dodatnie, mogą wytworzyć przeciwciała anty-Duffy. Jeszcze do lat 50. ubiegłego wieku malaria powodowana przez P. vivax była obecna w Europie, i być może to spowodowało rozpowszechnienie się tego allelu?

Czy fenotyp Fy(a-b-) to same zalety?

Tak jak w przypadku anemii sierpowatokrwinkowej, fenotyp Fy (a-b-) też może powodować pewne negatywne skutki. Ponieważ białko Duffy stanowi „podręczny magazyn” chemokin, a najwięcej jest go na krwinkach czerwonych, to brak tego białka na krwinkach powoduje podwyższenie stężenia chemokin w osoczu. Może mieć to szczególne znaczenie w przypadku chemokin angiogennych, czyli stymulujących powstawanie nowych naczyń krwionośnych. Guzy nowotworowe potrzebują naczyń krwionośnych do rozwoju, dlatego podwyższone stężenie takich chemokin może stymulować ich rozwój. Przekłada się na wyższą częstość niektórych chorób nowotworowych, zwłaszcza raka prostaty (drugi co do częstości nowotwór u mężczyzn). U Afro-Amerykanów, wśród których większość stanowią osoby o fenotypie Fy(a-b-), zachorowalność na raka prostaty w porównaniu do osób o pochodzeniu europejskim  jest wyższa o ponad 60%, a śmiertelność o 100%.

Literatura dodatkowa

Podstawowe wiadomości o białku Duffy

https://phmd.pl/api/files/view/116837.pdf

Białko Duffy i malaria

http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.102014

Fenotyp Duffy-ujemny i zakażenia P. vivax

https://doi.org/10.1016/j.chom.2023.10.019

Czy ewolucja nadal nas dotyczy? Część 6: Podsumowanie

Część 1: Prolog
Część 2: Każdy z nas jest mutantem
Część 3: Dobór naturalny, nasz wróg i przyjaciel
Część 4: Jak żyć z doborem?
Część 5: Inne mechanizmy zmian

Ewolucja, ale jaka?

Myślę, że po lekturze poprzednich odcinków zgodzicie się z wnioskiem, że ewolucja nadal nas dotyczy i nie może nie dotyczyć, dopóki jesteśmy bytami biologicznymi. Rozmnażamy się płciowo podobnie jak inne ssaki. Nasz genom zbudowany jest tak samo jak inne i tak samo podlega mutacjom. Pula genetyczna naszego gatunku zawiera mnóstwo konkurujących z sobą wariantów (alleli), których częstość występowania zmienia się w czasie. Jest to zjawisko nieuniknione: nie można nie ewoluować, jeśli jest się populacją istot żywych (pamiętajmy, że ewoluują populacje, nie osobniki). Ewolucja kulturalna, która bezdyskusyjnie wywiera wielki wpływ na nasze życie, ani nie „wyłączyła” ewolucji biologicznej, ani nie jest w stanie zahamować dziedzicznych zmian zachodzących w naszym DNA.

Pytanie tylko, co jest dominującym mechanizmem ewolucji u współczesnego Homo sapiens, a w szczególności, czy oprócz dryfu genetycznego i przepływu genów między lokalnymi podpopulacjami działa na nas także dobór naturalny. Jeśli nie, to ewolucja ma charakter losowego błądzenia bez wyraźnego kierunku. A ponieważ taka sytuacja sprzyja gromadzeniu się potencjalnie szkodliwych mutacji, które obniżają średnie dostosowanie całej populacji, trzeba się liczyć z groźbą narastającego obciążenia genetycznego całego gatunku. Medycyna i cywilizacja potrafią je kompensować, ale nie bez końca. Kiedyś w końcu zajrzy nam w oczy widmo „globalnego szpitala”.

Dobro jednostek a przyszłość gatunku

Jeśli dobór działa nadal i jest w stanie eliminować przynajmniej tyle defektów genetycznych, żeby powstrzymać ich kumulację, to przyszłość gatunku maluje się w nieco weselszych barwach. Czy jednak tak jest? To, co uważamy za postęp cywilizacyjny, polega w dużej mierze na tym, że skupiamy się na skutecznym pomaganiu jednostkom, niezbyt się przejmując abstrakcyjnym „dobrem gatunku”. Zakładamy przy tym, że ewentualne problemy rozwiąże za nas przyszłość. Czy zresztą mamy inne wyjście? Trudno byłoby dobrowolnie cofnąć się do warunków życia sprzed setek lub tysięcy lat, rezygnując z dobrodziejstw cywilizacji. Wiemy już, że naiwna eugenika propagowana 100–150 lat temu, czyli próba zastąpienia selekcji naturalnej przez sztuczną (albo w wersji zmodernizowanej przez inżynierię genetyczną), nie prowadzi do niczego dobrego. Nikt normalny nie miałby ochoty żyć w rzeczywistości przypominającej Nowy wspaniały świat Aldousa Huxleya albo Opowieść podręcznej Margaret Atwood.

Badania dowodzą, że genom ludzki był kształtowany przez dobór naturalny przez większą część swojej historii – nawet w ostatnich tysiącleciach. Trudno też sądzić, że nacisk doboru ustał całkowicie. Trzeba przy tym pamiętać, że ludzkość to nie tylko członkowie względnie bogatych społeczeństw industrialnych. Setki milionów ludzi nadal żyją w regionach, gdzie bieda, głód, choroby i niedostatek opieki medycznej nie są bynajmniej wspomnieniem mrocznej przeszłości. Ale jak widzieliśmy, nawet społeczności w pełni korzystające z osiągnięć cywilizacji nie są całkowicie chronione przed selekcją biologiczną. Być może nie powinniśmy na ten fakt narzekać, bo wszędzie tam, gdzie dobór potrafi się wcisnąć, a my jesteśmy gotowi się z nim pogodzić, groźba obciążenia genetycznego nieco się oddala.

Zapewne najprzyjemniej byłoby żyć w świecie, gdzie każdy człowiek cieszy się zdrowiem i długim, szczęśliwym życiem, a jednocześnie mamy solidne podstawy, by wierzyć, że cała ludzkość ma przed sobą świetlaną przyszłość. Jednak z punktu widzenia biologii i genetyki populacyjnej jest to raczej utopia. Możemy tylko próbować pogodzić sprzeczności, idąc z biologią na kompromis. Czy to się uda przyszłym pokoleniom? Nie mam pojęcia. Nie udaję też, że wiem, co powinniśmy robić. Możliwe, że należałoby się poważnie zastanowić nad biologicznymi perspektywami naszego gatunku, tak jak próbujemy przeciwdziałać  skutkom katastrof ekologicznych, które sami wywołaliśmy (z globalnym ociepleniem włącznie). Można też przyjąć postawę fatalistyczną: co ma być, to będzie. Ludzie zwykle na tym poprzestają z braku lepszych pomysłów lub chęci do ich realizowania.

Ryc. 2.

Jak długo możemy pozostać tacy sami?

Ewolucja kulturalna zachodzi szybko i co pewien czas przyśpiesza. Około dwunastu tysięcy lat temu pojawiły się pierwsze kultury neolityczne. Nieco ponad pięć tysięcy lat temu wynaleziono pismo. Komputery istnieją od około osiemdziesięciu lat. Pierwszego satelitę wprowadzono na orbitę 67 lat temu. 48 lat temu po raz pierwszy zsekwencjonowano cały genom (maleńki, należący do pewnego bakteriofaga i kodujący tylko cztery białka). W porównaniu z historią Homo sapiens, liczoną w setkach tysięcy lat, cała historia cywilizacji jest mgnieniem oka; a przecież w końcu jesteśmy gatunkiem bardzo młodym. W ewolucyjnej skali czasu milion lat to niewiele, nam jednak wydaje się wiecznością. Stąd złudzenie niezmienności rodzaju ludzkiego. W powieściach i filmach fantastyczno-naukowych, których akcja rozgrywa się w bardzo dalekiej przyszłości i „w odległej galaktyce”, występują bohaterowie kubek w kubek tacy jak my, tyle że dysponujący znacznie bardziej zaawansowaną technologią (umożliwiającą np. podróże międzygwiezdne bez przejmowania się barierami czasoprzestrzennymi). Zmienia się wszystko prócz ludzi.

Czy jakikolwiek gatunek może pozostać niezmienny przez czas, który można określić jako długi w skali ewolucyjnej? Owszem, jeśli jest znakomicie przystosowany do stabilnej niszy ekologicznej. Znamy przykłady „żywych skamieniałości”, które pod względem morfologicznym nie różnią się od swoich przodków sprzed, powiedzmy, stu milionów lat. To nie znaczy, że przestały ewoluować. Wręcz przeciwnie, w ich genomach dzieje się bardzo wiele. Jak Czerwona Królowa z Po drugiej stronie lustra Lewisa Carrolla, muszą biec z całych sił, żeby pozostać w tym samym miejscu. W odpowiednich warunkach dobór naturalny premiuje trzymanie się raz osiągniętego optimum adaptacyjnego mimo dynamicznych zmian ewolucyjnych na poziomie molekularnym. Gdyby nie działał intensywnie, brutalnie eliminując odchyłki od ideału, gatunek dawno podryfowałby ku nowym morfologiom.

Sytuacja ludzi jest inna, bo nie jesteśmy wąskimi specjalistami trzymającymi się konkretnej niszy, a choćby nawet świat dokoła nas przestał się zmieniać, nie działa na nas (przynajmniej obecnie) dostatecznie silna presja selekcyjna, żeby zapewnić nam stabilność ewolucyjną. Gdyby chociaż zmiany, jakim możemy w przyszłości ulegać, miały charakter przystosowawczy! Nie mamy jednak żadnej gwarancji, że nasze cechy biologiczne pozostaną na dłuższą metę dobrze dostrojone do warunków, w jakich żyjemy, tym bardziej że te warunki sami zmieniamy w szaleńczym tempie. Istnieje całkiem realna możliwość, że w końcu nasz gatunek zacznie się kurczyć, nękany przez choroby genetyczne i cywilizacyjne, pandemie i zmniejszającą się płodność, a medycyna wyczerpie wszelkie sposoby, żeby temu zaradzić. W końcu Homo sapiens wygaśnie całkowicie. Bezpotomne wymarcie to nic niezwykłego – taki jest naturalny los większość linii ewolucyjnych.

Ryc. 2.

Eksperymentujmy!

Pozostawiam Czytelnikom dalszą refleksję nad kondycją i przyszłością ludzkości. Niezależnie od tego, czy jesteśmy optymistami, czy pesymistami, nic nie wiemy na pewno poza tym, że procesów ewolucyjnych nie da się zatrzymać, chyba że nasz gatunek podzieli los trylobitów lub tyranozaurów. Możemy jednak (jak przystało na nasz portal) przeprowadzać eksperymenty myślowe oparte na tym, co wiemy o mechanizmach ewolucji, dlatego zachęcam do dyskusji w komentarzach. W końcu jesteśmy podobno gatunkiem rozumnym. Im więcej myślimy o przyszłości, tym większa szansa, że z tego myślenia wyniknie coś konstruktywnego.

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Wizja Ziemian kolonizujących planetę w odległej galaktyce, w bardzo dalekiej przyszłości. Sztuczna inteligencja (MS Copilot) zakłada, że koloniści niczym szczególnym nie różnią się od ludzi współczesnych (podobnie jak w uniwersum Diuny albo Gwiezdnych wojen).
Ryc. 2. Tak, zdaniem sztucznej inteligencji, mogą wyglądać ludzie za miliard lat. Przedstawiona tu istota wygląda na nieco scyborgizowaną i posiada owadzie skrzydła (trudno powiedzieć, jakiego pochodzenia). Poza tym jednak jest zdecydowanie człowiekiem (płci żeńskiej). Pomysł, że nasz gatunek mógłby przetrwać bez większych zmian przez miliard lat (tyle czasu dzieli nas od ameboidalnych jednokomórkowców, od których się wywodzimy), jest oczywiście biologicznym absurdem.

Czy ewolucja nadal nas dotyczy? Część 4: Jak żyć z doborem?

Inne wpisy z tej serii
Część 1: Prolog
Część 2: Każdy z nas jest mutantem
Część 3: Dobór naturalny, nasz wróg i przyjaciel
Część 5: Inne mechanizmy zmian
Część 6: Podsumowanie

Co zawdzięczamy doborowi?

Jest wiele przykładów pokazujących, że w przedindustrialnej historii Homo sapiens dobór naturalny działał całkiem skutecznie. Na przykład tolerancja laktozy (szerząca się z kilku centrów, gdzie powodujące ją mutację pojawiły się ok. 4,5 tys. lat temu, ale dotąd nieutrwalona w globalnej puli genetycznej) okazała się korzystna przystosowawczo tam, gdzie hodowano bydło, kozy lub owce i gdzie mleko i produkty jego przetworzenia były cennym uzupełnieniem diety. Te same mutacje np. u łowców–zbieraczy z Australii nie dawałyby swoim nosicielom żadnych korzyści, a szanse na ich utrwalenie przez dryf losowy byłyby minimalne. Paradoksalnie w tym przypadku mutacja korzystna oznaczała uszkodzenie mechanizmu hamującego wytwarzanie laktazy (enzymu potrzebnego do trawienia laktozy) u młodych ssaków (w tym ludzkich dzieci), kiedy przestają być karmione mlekiem matki. To kultura pasterska stała się środowiskiem wywierającym nacisk selekcyjny.

Inny klasyczny przykład to mutacja wywołująca niedokrwistość sierpowatą – z pozoru szkodliwa, ale statystycznie korzystna dla społeczności żyjących w stałym zagrożeniu malarią. Dobór stabilizujący dąży do sytuacji, w której ok. 1/6 populacji to nosiciele allelu wywołującego tę formę anemii. 3% ludności płaci za to zdrowiem, 28% zyskuje dzięki odporności na malarię, a sytuacja 69% nie ulega zmianie. Ekonomia doboru naturalnego nie liczy się z ofiarami. Maksymalizowane jest średnie dostosowanie całej populacji. Oczywiście ta forma doboru nie działa tam, gdzie nie występują stale zarodźce malarii. Inne mutacje organiczające podatność na malarię (hamujące w erytrocytach ekspresję antygenu Duffy, którego potrzebuje zarodziec, żeby się włamać do komórki) utrwaliły się niezależnie w kilku populacjach regionalnych w pobliżu równika, m.in. na Madagaskarze, gdzie ludzie osiedlili się niecałe 2 tys. lat temu.1

Genetycznie uwarunkowane różnice w pigmentacji skóry – cecha, na którą zwracamy o wiele więcej uwagi, niż na to zasługuje2 – w dużym stopniu skorelowana jest z szerokością geograficzną, na której dana populacja żyje odpowiedni długo3, czyli po prostu z ekspozycją na promieniowanie słoneczne. Kolor skóry zależy od kilkudziesięciu genów, a różnice między regionalnymi populacjami sprowadzalne są do sporej liczby punktowych mutacji – zwykle w regionach regulujących ekspresję tych genów.4 Nasz gatunek wyewoluował w Afryce, więc gdy nasi przodkowie stracili większość owłosienia ciała, dobór naturalny w strefie tropikalnej faworyzował wysoki poziom melaniny, chroniącej głębsze warstwy skóry przed nadmiarem nadfioletu. Allele odpowiedzialne za jaśniejszą lub ciemniejszą skórę współistniały już wówczas.5 Dobór naturalny skutecznie dbał o ciemny kolor skóry u ludzi żyjących w Afryce Równikowej oraz u rdzennych populacji Azji Południowej, Melanezji i Australii, ale z dala od równika pojaśnienie skóry nie miało wpływu na długość życia i liczbę potomstwa. Z nie całkiem jasnych przyczyn kilka mutacji, których skutkiem jest bardzo niski poziom melaniny w skórze, uległo stosunkowo szybkiemu utrwaleniu – świadczącemu o silnym działaniu doboru naturalnego – w populacjach Azji Wschodniej oraz u części rdzennych Amerykanów i niezależnie w zachodniej Eurazji.6 Europejczycy stali się w zdecydowanej większości jasnoskórzy dopiero w ciągu ostatnich 5 tysięcy lat.

Ryc. 1.

Ryc. 1 ilustruje inny przykład adaptacji: przystosowanie do życia na dużych wysokościach, gdzie ciśnienie powietrza jest niskie, a zatem panuje niedobór tlenu. Organizmy Tybetańczyków, Etiopczyków z Wyżyny Abisyńskiej i ludów andyjskich przez tysiące lat dostosowały swój metabolizm do warunków wysokogórskich, co wymagało promowania przez dobów mutacji w wielu genach, wymienionych w okienkach na mapie.7

Czy dobór ustał, czy tylko się ukrywa?

Zidentyfikowano w ludzkim genomie wiele polimorfizmów, które ewoluowały lub nadal ewoluują pod naciskiem doboru. Ponieważ zmiany cywilizacyjne, które mogą skutecznie tłumić działanie doboru, nastąpiły bardzo niedawno – w ewolucyjnej skali czasu to mgnienie oka – trudno powiedzieć, jaki jest obecnie ich realny wpływ na kształtowanie naszego genomu. Możemy się jednak zastanowić, w jaki sposób i na jakich etapach życia ludzkiego dobór działa nadal – nawet w warunkach cywilizacji industrialnej.

Przede wszystkim warto ostrzec przed naiwnym rozumieniem doboru naturalnego w popularnych kategoriach „walki o byt” i „przeżycia najlepiej dostosowanych”. Żeby przekazać swoje geny potomstwu, trzeba oczywiście dożyć odpowiedniego wieku, ale przeżycie jest tylko jednym z kilku warunków sukcesu reprodukcyjnego. Dla procesów ewolucyjnych liczy się skuteczne przekazanie genów. Długowieczność i dobre zdrowie mają znaczenie tylko o tyle, o ile wspomagają tę skuteczność. Ośmiornice, zwierzęta o wyrafinowanym układzie nerwowym, wybitnie inteligentne i zręcznie posługujące się mackami, mają tego pecha, że utknęły w strategii reprodukcyjnej niepozwalającej im żyć dłużej niż trzy lata (większość gatunków żyje około roku). Samiec ginie tuż po godach, w trakcie których przekazuje samicy spermatofor z plemnikami. Samica po kilkudziesięciu dniach składa ogromną liczbę zapłodnionych jaj i opiekuje się nimi 5–10 miesięcy, aż wyklują się młode, po czym także umiera. Przeżywa oczywiście bardzo niewielka część spośród kilkudziesięciu tysięcy młodych ośmiorniczek – akurat tyle, żeby bezpiecznie utrzymać stabilną populację gatunku.

Martwi was, że ślepa i beznamiętna ewolucja nie dba o inteligencję ośmiornic? Naszą też ma w nosie. Duże i sprawne mózgi Homo sapiens potrzebne są, żeby komunikować się skuteczniej i tworzyć złożone społeczności. Dzięki tej strategii, która okazała się skuteczna, przez dziesiątki tysięcy pokoleń nasi przodkowie pozostawiali po sobie więcej potomstwa niż ich słabiej zorganizowani kuzyni. Gdyby nie to, dobór naturalny nie premiowałby czegoś tak ekstrawagancko kosztownego jak wielki mózg.8 Istnieją małże, cypriny islandzkie (Arctica islandica), które mają prosty układ nerwowy bez wyodrębnionego mózgu, a za to dożywają ponad 500 lat. Zamiast krótkiego i burzliwego życia ośmiornic trafiło im się życie wyjątkowo długie, spokojne i nudne. Ich strategia życiowo-reprodukcyjna jest zatem inna, ale również skuteczna.9

Ryc. 2.

Nawet duża liczba potomstwa na niewiele się zda, jeśli to potomstwo będzie chorowite i wymrze młodo albo okaże się obciążone defektami genetycznymi upośledzającymi płodność. Sukces reprodukcyjny lepiej jest zdefiniować jako zdolność do pozostawienia po sobie wnuków i prawnuków, a nie tylko dzieci. Najlepiej by było, gdyby sama płodność była przekazywana wraz z genami – i tak niewątpliwie było w dotychczasowej historii naszego gatunku, skoro utrzymał się on jako osobna linia ewolucyjna od co najmniej dwudziestu tysięcy pokoleń. Dobór naturalny dbał o to, żeby premiować allele zapewniające wysoką płodność (kosztem tych, które mogły ją obniżyć). W ten sposób mogą konkurować między sobą osobniki jednakowo zdolne do przeżycia, całkowicie sprawne fizycznie oraz umysłowo, zróżnicowane jedynie pod względem zdrowia reprodukcyjnego.

Jak wspomniałem we wcześniejszych częściach cyklu, w wielkich społeczeństwach industrialnych istnieje tendencja kulturowa do ograniczania wielkości rodziny. Osłabia ona konkurencję w kategorii płodności, bo nie trzeba być mistrzem świata, żeby dochować się jednego, dwojga lub trojga dzieci. Czy jednak dobór przestał tu działać? Chyba jednak nie całkiem. W naszej części świata poradzono sobie ze śmiertelnością noworodków i dzieci, ale w okresie zarodkowo-płodowym nacisk selekcyjny jest nadal silny: obumiera około 30% zygot przed zagnieżdżeniem w ścianie macicy, 30% zarodków po zagnieżdżeniu i 10–50% płodów (w zależności od wieku matki) na różnych – zwykle wczesnych – etapach „ciąży klinicznej”. Zygota ma średnio ok. trzydziestoprocentową szansę na dożycie do stadium noworodka. Czynniki genetyczne mają duży wpływ na tę przeżywalność; eliminowane są zwłaszcza przypadki defektów chromosomowych. Ryzyko poronienia jest do pewnego stopnia dziedziczne, czyli zależne od jakichś cech genotypowych. W tym przypadku dobór nie kształtuje przystosowań do środowiska zewnętrznego (pomijając fakt, że czynniki środowiskowe mogą działać na płód pośrednio, przez organizm matki), ale faworyzuje genotypy pomagające przebrnąć przez okres prenatalny. Trzeba pamiętać, że ciało kobiety w ciąży też jest środowiskiem wywierającym presję adaptacyjną na formujący się w nim nowy organizm.

Na sukces reprodukcyjny duży wpływ ma dobór płciowy (nieprzypadkowy wybór partnera), który bynajmniej nie przestał działać u ludzi. Co prawda ewolucja kulturalna nauczyła nas oszukiwać naturę przez sztuczne poprawianie i kompensowanie niedostatków „urody” (nazwijmy tak umownie zestaw cech zapewniających atrakcyjność potencjalnego partnera seksualnego i życiowego). Ewolucja kulturalna może podsuwać zupełnie niebiologiczne (np. ekonomiczne lub światopoglądowe) kryteria wyboru, ale mimo wszystko przynajmniej do pewnego stopnia kierujemy się „głosem serca”, który w gruncie rzeczy oznacza biologiczną intuicję, nad którą władzę mają nasze geny, a której działanie wymyka się świadomej refleksji.

Czy warto walczyć z doborem do upadłego?

W dłuższej perspektywie może się okazać, że walka z doborem naturalnym przypomina próbę zatrzymania biegu rzeki przez zbudowanie i stałe podwyższanie potężnej tamy. Im dłużej ją umacniamy, tym bardziej piętrzy się woda, aż w końcu nieuchronnie tama zaczyna pękać i pojawiają się w niej wyłomy. Wiele mutacji niekorzystnych upośledza organizm w niewielkim stopniu, o ile występują pojedynczo. Jednak nieeliminowane gromadzą się w rosnącej liczbie. Jeśli nawet monitorujemy „zdrowie genetyczne” populacji i próbujemy profilaktycznie powstrzymywać szerzenie się chorób i wad dziedzicznych, nie jesteśmy w stanie wychwycić wszystkich alleli patologicznych, tym bardziej, że są one z reguły recesywne i nie ujawniają się u osobników heterozygotycznych. Wyręczanie doboru naturalnego przez sztuczne kontrolowanie rozrodu (czyli metodami eugeniki) nie jest ani wykonalne, ani etyczne. W praktyce wszelkie próby „doskonalenia populacji” kończyły się w najlepszym razie łamaniem podstawowych praw jednostek, a w najgorszym – ludobójstwem, nie przynosząc żadnych pozytywnych skutków. Rozwój medycyny umożliwia łagodzenie negatywnych konsekwencji wielu niepożądanych mutacji, ale nie usuwa ich z puli genetycznej. Przeciwnie – wręcz pomaga im pozostać w obiegu. Jest to cena, którą płaci populacja za większy komfort jednostek.

Z biologicznego punktu widzenia najkorzystniej byłoby, gdyby rodzice płodzili potomstwo w możliwie najmłodszym wieku, bo mniej podziałów komórek linii płciowej u mężczyzny oznacza mniej mutacji, a krótszy okres zahamowania mejozy komórki jajkowej minimalizuje ryzyko aberracji chromosomowych. Jednak z przyczyn kulturowych, społecznych i ekonomicznych (skądinąd zrozumiałych i z pozabiologicznego punktu widzenia racjonalnych) decyzje prokreacyjne odkładamy w czasie, niekoniecznie zdając sobie sprawę ze związanego z tym ryzyka. Nie mamy prawa nic nikomu w tej sprawie narzucać – kazać „dzieciom rodzić dzieci” albo zabraniać czterdziestolatkom prokreacji. Możemy tylko doradzać i edukować.

Jeśli częstość występowania szkodliwych mutacji (a szczególnie ich współwystępowania u jednostek) przekroczy naszą zdolność radzenia sobie z nimi, nasza metaforyczna tama zacznie przeciekać. Dobór naturalny powróci w takiej czy innej formie. Już teraz wiele „chorób cywilizacyjnych” ma podłoże genetyczne. Będziemy musieli walczyć z narastającymi skutkami obciążenia mutacyjnego: coraz częściej występującymi chorobami metabolicznymi, autoimmunologicznymi, neurodegeneracyjnymi, zaburzeniami psychicznymi, wadami układu krążenia, nowotworami występującymi u młodych ludzi, obniżoną płodnością, wzrastającą częstością poronień itd. Ostatnie doświadczenia ludzkości pokazały też, że choroby zakaźne, zwłaszcza wirusowe, nadal potrafią nas zaskakiwać; co więcej – sami stworzyliśmy dogodne warunki do szerzenia się pandemii. Szczerze mówiąc, ewolucja kulturalna odniosła spektakularny sukces, na który ani nasze geny, ani my sami nie zdążyliśmy się przygotować. Oby dobór naturalny (i tak z natury bezlitosny) nie okazał się dla nas zbyt okrutny, jeśli tama w końcu runie.

Podsumowanie

Nie chciałbym, żeby konkluzja była całkowicie pesymistyczna. Jak wspomniałem w poprzednim odcinku, nasz gatunek jest niebywale liczny. Tam, gdzie dobór nadal działa lub gdzie może powrócić mimo naszych najlepszych starań, nie tylko uprząta on część mutacji niekorzystnych, ale stwarza możliwość szerzenia się pojawiających się także licznie mutacji korzystnych, w tym takich, o których istnieniu nie mamy jeszcze pojęcia. Musi je tylko dostrzec i „docenić”. W wielkiej populacji nacisk selekcyjny, nawet niezbyt silny, działa skutecznie. W żadnym przypadku nie popieram koncepcji eugenicznych, proponuję natomiast zastanowić się, czy nie popełniamy błędu, próbując przeciwstawiać się doborowi naturalnemu za wszelką cenę, zamiast iść z nim tu i ówdzie na dobrowolny kompromis.

W następnej części zajmiemy się pozostałymi mechanizmami ewolucji i ich znaczeniem dla człowieka współczesnego.

Przypisy

  1. To znaczy, wystarczyło kilkadziesiąt pokoleń, żeby allel zmutowany wyparł konkurencję. ↩︎
  2. Pisał o tym na naszym portalu Marcin Czerwiński. ↩︎
  3. Szacowany czas ustabilizowania się pigmentacji optymalnej dla danego regionu wynosi od stu do kilkuset pokoleń. ↩︎
  4. Nie należy mylić uwarunkowanego genetycznie „wrodzonego” koloru skóry z jej pociemnieniem nabytym wskutek opalania, choć podatność na opalanie też zależy od czynników dziedzicznych. ↩︎
  5. Afrykanie są bardzo zróżnicowani, jeśli chodzi o odcienie skóry. Najmniej melaniny występuje u łowców–zbieraczy San w Afryce Południowej, a najwięcej u ludów środkowej Sahary i górnego dorzecza Nilu. ↩︎
  6. Mutacje te przeniknęły także do Afryki wskutek migracji ludów afroazjatyckich. Przypisuje się je zwykle rozwojowi rolnictwa neolitycznego i przejściu na dietę uboższą w witaminę D3 niż dieta łowców–zbieraczy. Mogło to spowodować zwiększone zapotrzebowanie na produkcję tej witaminy w skórze pod wpływem promieniowania UV-B, czemu miało służyć jej pojaśnienie. Jednak wpływ depigmentacji na efektywność biosyntezy witaminy D3 jest kwestionowana i być może należy rozważyć inne wyjaśnienia. ↩︎
  7. Patrz wpis Marcina Czerwińskiego „Czy można żyć na dachu świata”. Warto zwrócić uwagę, że bardzo ważny adaptacyjnie tybetański allel genu EPAS1 został pozyskany wskutek introgresji genetycznej od naszych wymarłych krewnych, denisowian, których przodkowie zamieszkiwali wyżyny Azji przez setki tysięcy lat i mieli dość czasu, żeby znakomicie przystosować się do lokalnych warunków. ↩︎
  8. Z tego punktu widzenia ewolucję kultury, za którą odpowiada przekaz informacji drogą pozagenetyczną dzięki istnieniu zaawansowanej inteligencji, można uznać za swego rodzaju „zemstę fenotypu”, najskuteczniej przeprowadzoną przez nasz gatunek. ↩︎
  9. Zarówno małże, jak i ośmiornice należą do typu mięczaków (Mollusca), ale ich drogi ewolucyjne rozeszły się już w kambrze, ponad 500 mln lat temu. ↩︎

Lektura dodatkowa

  • Persystencja laktazy (znana też jako tolerancja laktozy): Ségurel & Bon 2017.
  • Ewolucyjny wyścig zbrojeń między człowiekiem a zarodźcami malarii: Dobkin et al. 2023.
  • Ewolucja pigmentacji skóry i włosów w populacjach ludzkich: Liu et al. 2024.
  • Czynniki wpływające na kolor skóry w różnych częściach świata: Jablonski 2021.
  • Allele istotne dla koloru skóry i ich pochodzenie: Crawford et al. 2017.

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Trzy obszary wysokogórskie, których ludność wykazuje przystosowania do niskiego poziomu tlenu, utrwalone przez dobór naturalny. Źródło: Bigham 2017 (wersja autorska w wolnym dostępie, opublikowana jako Bigham 2016; fair use).
Ryc. 2. Mimo wysokiej inteligencji ośmiornic odziedziczony po przodkach cykl życiowy utrudnia im prowadzenie zorganizowanego życia społecznego i uniemożliwia kulturowy przekaz wiedzy między pokoleniami. Wizję inteligentnej ośmiornicy wygenerowała sztuczna inteligencja (Microsoft Copilot/Bing).