Maminsynki i córeczki wielu tatusiów, czyli o intymnym życiu pszczół miodnych

Historia, którą chcę dzisiaj opowiedzieć, powinna mile połechtać próżność polskiego czytelnika, gdyż badania naukowe, które dotyczą tego, w jaki sposób pszczoły stają się tytułowymi maminsynkami albo córeczkami tatusiów, rozpoczyna się w połowie XIX wieku od wielce frapującego odkrycia polskiego naukowca – Jana Dzierżona (rycina 1). Dzierżon znany jest pszczelarzom głównie z tego powodu, że opracował budowę współczesnego ula z ruchomymi ramkami, co znacznie zwiększyło wygodę i wydajność hodowli pszczół i pozyskiwania miodu. Dla naszej opowieści kluczowe jest jednak inne jego odkrycie, a mianowicie, że pszczoły mogą się rozmnażać poprzez dzieworództwo.

Rodzina pszczela i obyczaje godowe pszczół

Zanim powtórnie zdecyduję się użyć tego terminu naukowego, winna jestem Czytelnikowi wyjaśnienie, jakie są obyczaje godowe pszczół i przy okazji zaznaczyć, że wszędzie tam, gdzie piszę o pszczołach bez dodatkowego doprecyzowania gatunku, mam na myśli pszczołę miodną (Apis mellifera L.). Zacznijmy zatem od tego, jak wygląda rodzina pszczela. Otóż składa się ona z wielu tysięcy (w szczycie rozwoju rodziny – kilkudziesięciu tysięcy) niepłodnych samic, których zadaniem jest robienie wszystkiego poza rozmnażaniem, czyli: zbieranie i przetwarzanie pokarmu, budowa i utrzymywanie czystości gniazda (znajdującego się w ulu, dziupli lub jakiejś innej wnęce), opieka nad potomstwem, obrona przed agresorami, utrzymywanie temperatury gniazda… Nic dziwnego, że pszczoły te nazywa się robotnicami – one dosłownie zaharowują się na śmierć: robotnice żyjące wiosną i latem żyją zaledwie około 30 dni, tym krócej, im bardziej intensywnie pracują (swoją drogą – powinno nam to dać trochę do myślenia, prawda?). Robotnice, które zimują, żyją znacznie dłużej (od jesieni do wiosny). Robotnice są samicami. Samicą jest również matka, której zadaniem jest wyłącznie rozmnażanie się. Otoczona troskliwą opieką, matka spędza całe dnie i noce na składaniu jaj, z których później wykluje się jej potomstwo. No i są jeszcze samce – trutnie – w rodzinie jest ich kilkaset i można powiedzieć, że ich jedynym życiowym celem jest próba zapłodnienia jakiejś matki (rycina 2).

Mając już z grubsza scharakteryzowanych członków rodziny, możemy puścić w ruch jej cykl życiowy. Zacznijmy od momentu, kiedy w przyrodzie wszystko idzie po myśli pszczół, czyli jest ciepło, nie pada i pokarmu jest pod dostatkiem – wtedy liczba pszczół w rodzinie gwałtownie przyrasta i przestają się mieścić w gnieździe. Wówczas zapada zbiorowa rodzinna decyzja, że należy wyhodować młode matki. Matki pod względem genetycznym niczym nie różnią się od robotnic, ale larwy przeznaczone do bycia matkami są karmione przez robotnice innym, specjalnym pokarmem. Taka dieta sprawia, że w komórkach rozwijającego się organizmu przyszłej matki uruchamiana jest ekspresja innych niż u robotnic genów (jest to tak zwana kontrola epigenetyczna), co sprawia, że powstaje znacząco inne, morfologicznie i fizjologicznie, ciało. Gdy młode matki są już prawie gotowe do wyklucia, matka rodziny opuszcza gniazdo z częścią robotnic i szuka sobie nowego domu, zostawiając stare gniazdo swojej następczyni. Pierwsze, co robi młoda matka po wykluciu, to eksterminacja wszystkich pozostałych (jeszcze niewyklutych) młodych matek. Dokonawszy tego siostrobójstwa i objąwszy niepodzielną władzę nad rodziną, młoda matka leci w lot godowy aby kopulować z trutniami. Po serii takich lotów matka wraca do gniazda i rozpoczyna składanie jaj, z których wylęgną się członkowie jej rodziny – robotnice i trutnie, a jeżeli warunki pozwolą, to w kolejnym roku – również młode matki.

Przeleciałam, nomen omen, dość szybko przez moment lotu godowego, ale tutaj musimy się zatrzymać, bo to jest chwila krytycznie ważna dla matki, jej rodziny, ba! – dla całej populacji pszczół. Tym, co wzbudza chyba największe emocje, jest fakt, że matka w czasie swoich lotów godowych kopuluje z wieloma trutniami – uważa się, że jest ich od 10 do 20, choć niektóre najnowsze badania genetyczne sugerują, że ich liczba może być znacznie większa (kilkadziesiąt). Ważne jest aby sobie uzmysłowić, że matka w celu kopulacji odlatuje daleko od swojego gniazda, podążając w miejsca (tak zwane trutowiska), w których gromadzą się trutnie z całej okolicy – w ten sposób unika kopulacji z trutniami z własnego gniazda (swoimi braćmi), znacząco zwiększając zróżnicowanie genetyczne swojego potomstwa i unikając chowu wsobnego (kazirodztwa). Ze wszystkich trutni obecnych na trutowisku szansę na kopulację z matką mają te najsprawniejsze – najszybsze i najbardziej wytrwałe. Można zatem powiedzieć, że lot godowy jest metodą selekcji trutni. Kopulacja odbywa się w locie,  trutnie dokonawszy dzieła spadają martwe na ziemię, zaś matka wraca do gniazda. Plemniki przekazane jej przez trutnie przechowywane są przez nią  w specjalnym narządzie zwanym spermateką, w której potrafią przetrwać nawet kilka lat (!) i z której pobierane są w celu zapłodnienia jaja. Albo i nie. I tu właśnie wkracza Jan Dzierżon i jego odkrycie…

Co odkrył Jan Dzierżon

Odkryciem Dzierżona było to, że matki, które nie mogły polecieć w lot godowy, ponieważ miały uszkodzone skrzydełka, również po jakimś czasie zaczynały składać jaja, z których jednak wylęgały się wyłącznie trutnie. Dzierżon doszedł do słusznego wniosku, że generalną zasadą u pszczół jest, iż z niezapłodnionych jaj rozwijają się samce (trutnie), a z zapłodnionych samice (robotnice lub kolejne matki).  Matka, która odbyła loty godowe może zarówno składać zapłodnione jaja (pobierając plemnik ze spermateki), jak i niezapłodnione (nie pobierając plemnika). Przez wiele lat uważano, że to nie może być prawda, ale w końcu, w roku śmierci Dzierżona (1906), na konferencji w Marburgu uznano słuszność jego wniosków. Oczywiście w chwili odkrycia dzieworództwa pszczół (1835 r.) i publikacji tej obserwacji (1845 r.) nikt nie miał pojęcia na temat DNA, chromosomów, dziedziczenia i podziałów komórkowych, więc mechanizm tego procesu pozostał na długi czas całkowicie nieznany. Zresztą i teraz nadużyciem byłoby stwierdzenie, że wiemy wystarczająco dużo, aby cały ten proces zrozumieć, tym niemniej chciałabym Czytelnikowi w tym i w kolejnych wpisach nieco przybliżyć zarówno sam mechanizm odpowiedzialny za powstawanie płci u pszczół, jak i konsekwencje tego bardzo ciekawego sposobu rozmnażania, które, jak się później okazało, nie ogranicza się wyłącznie do pszczół, ale jest charakterystyczne dla owadów błonkoskrzydłych, do których należą między innymi osy i mrówki.

Płeć genetyczna u ludzi

Jak zapewne Czytelnikowi wiadomo, każdy z nas, ludzi, posiada podwójny zestaw informacji genetycznej – poza komórkami rozrodczymi, każda jądrzasta komórka naszego organizmu ma 23 pary chromosomów (fragmentów DNA), a każdą parę tworzą chromosomy, które pod względem sekwencji zapisanych w niej informacji genetycznej są bardzo do siebie podobne (ale nie identyczne!) i które otrzymaliśmy (po jednym) od matki i od ojca. W czasie procesu tworzenia naszych własnych komórek rozrodczych (gamet – komórek jajowych albo plemników), do gamet „przechodzi” losowo po jednym chromosomie z każdej pary. Tak więc nasza gameta zawiera pojedynczy zestaw informacji genetycznej – 23 chromosomy, z czego część pochodzi oryginalnie od naszej matki, a część od naszego ojca. Nasze komórki rozrodcze przenoszą więc informację genetyczną naszych przodków – zarówno ze strony matki jak i ojca. Jeżeli chodzi o płeć biologiczną, to jest ona u nas determinowana konfiguracją 23-ej pary chromosomów: chromosomów X i Y. Jeżeli nowopowstający organizm ma dwa chromosomy X, to powstanie dziewczynka, a jeżeli X i Y – chłopiec (rycina 3) (od tej reguły są wyjątki związane z zaburzeniami struktury chromosomów płciowych, ale na razie zostańmy przy opisie tej najczęściej spotykanej sytuacji).

Determinacja płci u pszczół

U pszczół sytuacja jest znacząco inna, szczególnie jeśli chodzi o samców (rycina 4). Samice pszczół, ponieważ powstają z zapłodnionych jaj, posiadają podwójny zestaw informacji genetycznej (16 par chromosomów) – pochodzących od matki (16 sztuk) i od trutnia (również 16 sztuk). Trutnie natomiast, ponieważ powstają z niezapłodnionych komórek jajowych, posiadają pojedynczy zestaw informacji genetycznej, pochodzący wyłącznie od matki, a konkretnie – z jej gamety. Można zatem śmiało powiedzieć, że trutnie są maminsynkami, gdyż nie mają ojców. I nigdy nie będą mieć synów, bo jeżeli ich plemnik zapłodni komórkę jajową, to powstanie samica. Robotnice zaś mają zarówno matkę jak i ojca, ale ponieważ matka, jak wspominałam, kopulowała z wieloma trutniami, tak naprawdę robotnice w danej rodzinie są córeczkami wielu tatusiów, a bardziej naukowo mówiąc – reprezentują różne linie ojcowskie. Uważa się, że zróżnicowanie linii ojcowskich jest korzystne dla rodziny pszczelej, gdyż powoduje, że w rodzinie znajdują się robotnice o zróżnicowanych „zdolnościach” (cechach), które powodują, że rodzina jako całość jest lepiej przystosowana do zmiennych warunków środowiska, jest bardziej odporna na patogeny itd. (temat ten postaram się poruszyć w innych moich wpisach).

Trutnie – strażnicy jakości informacji genetycznej

I po co to wszystko? Jaka korzyść z takiego sposobu rozmnażania się? Odpowiedź najprawdopodobniej tkwi w tej „pojedynczości” informacji genetycznej trutni. Wyobraźmy sobie wpierw naszą (ludzką) informację genetyczną – mamy podwójny jej zestaw. Jeżeli jakiś konkretny gen leżący na którymś z chromosomów (załóżmy tym od ojca) przestanie pełnić swoją funkcję na skutek zmiany w sekwencji DNA (mutacji), to na ogół druga kopia tego genu, znajdująca się na drugim z chromosomów danej pary (w naszym przykładzie – tym od matki), jest wystarczająca do tego, aby pełnić funkcję w organizmie i nic złego się nie dzieje. Oznacza to jednak, że mutacja ta może być dziedziczona w następnych pokoleniach i od czasu do czasu, gdy spotka się w danym organizmie ze swoim odpowiednikiem (kiedy zarówno gen od matki i od ojca będzie zmutowany) może doprowadzić do poważnych komplikacji, ze śmiercią organizmu włącznie. Można powiedzieć więc, że taka mutacja „wozi się” przez pokolenia i się nieczęsto ujawnia, bo zmutowany chromosom ma swojego prawidłowego partnera, który go maskuje. Wziąwszy to pod uwagę, uważa się, że opisany powyżej sposób rozmnażania się pszczół, w czasie którego powstają osobniki z pojedynczym zestawem informacji genetycznej (trutnie) powoduje, że taki typ mutacji, o ile wystąpi, zostanie natychmiast wyeliminowany, ponieważ trutnie nie mają drugiej kopii genu, która maskowałyby tę zmutowaną. Można zatem powiedzieć, że trutnie są swojego rodzaju testerami jakości informacji genetycznej – jeżeli odziedziczą coś zepsutego od swojej matki, albo coś się u nich zepsuje – zabierają ten błąd do grobu, nie pozwalając na jego przenoszenie na kolejne pokolenia. A ponieważ trutnie całe swoje życie – od komórki jajowej, przez larwę, poczwarkę aż do postaci dorosłej muszą żyć właśnie z tym pojedynczym zestawem informacji genetycznej, możliwości testowania jakości ich informacji genetycznej jest naprawdę dużo i mają szansę być wyłapane mutacje, które upośledzają funkcje organizmu na różnym etapie jego rozwoju i w różnych warunkach.

Trutnie mają złą sławę i przysłowiowo uważane są za nierobów, wręcz pasożytujących na swoich pracowitych siostrach. Pomyślmy jednak o nich z sympatią – nie dość, że są bezpardonowo przed zimą wyrzucane z gniazda i skazywane na śmierć głodową, to jeszcze wygląda na to, że są strażnikami jakości informacji genetycznej, której niedoskonałości przypłacają swoim życiem.

I na tym można byłoby całą opowieść zakończyć, gdyby nie fakt, że kolejne odkrycia ujawniły, że, co prawda rzadko, ale powstają także trutnie, które mają podwójny zestaw informacji genetycznej. A więc w miarę proste wytłumaczenie, że z niezapłodnionego jaja powstaje samiec, a zapłodnionego – samica, choć na ogół prawdziwe, w pewnych wyjątkowych przypadkach nie wyczerpuje istoty problemu. Bo mechanizm determinacji płci u pszczół leży znacznie głębiej… O tym w kolejnej części.

Płaskowce, czyli zalety prostoty. Autor: Łukasz Sobala.

Autorem poniższego wpisu jest Łukasz Sobala, mój kolega z Instytutu Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN, glikobiolog (specjalista od enzymów przenoszących cukry, czyli glikozylotransferaz) i badacz wczesnej ewolucji zwierząt. Możliwe, że dołączy na stałe do grona autorów. Dziś gościnnie u mnie.

Płaskowce pod mikroskopem

Jak wyglądała ewolucja zwierząt? Było już na blogu kilka artykułów na ten temat. Chciałbym się odnieść  do drzewa z niedawnego wpisu, które pokazuje najnowsze spojrzenie na wzajemne relacje pokrewieństwa główych kladów zwierząt: żebropławów, gąbek, parzydełkowców, płaskowców oraz zwierząt dwubocznie symetrycznych. Gąbki są powszechnie znane, parzydełkowce także. Żebropławy zyskały ostatnio nową sławę jako najdalsi żyjący krewni wszystkich innych zwierząt. Dwubocznie symetryczni są ludzie, a także np. ryby i owady. Ale płaskowce (Placozoa)? Co to właściwie jest? Zacznijmy od zdjęcia poglądowego (Ryc. 1).

Ryc. 1. Płaskowiec Trichoplax sp. H2 wśród okrzemków, bakterii i innych organizmów. Zdjęcie: Łukasz Sobala.

Chociaż płaskowiec swoim wyglądem przypomina nieco jednokomórkową amebę, każdy z jasnych i ciemnych punktów na zdjęciu powyżej to pojedyncza komórka (niektóre mogą być resztkami jego pożywienia). Trichoplax porusza się na tyle szybko, że można to zobaczyć gołym okiem (Ryc. 2).

Ryc. 2. Płaskowiec Trichoplax sp. H2 udający się na nowy łów. Zdjęcie: Łukasz Sobala.

Na Ryc. 2 można zaobserwować, jak morski płaskowiec Trichoplax sp. H2 opuszcza niestrawione resztki pożywienia (algi Rhodomonas salina), aby szukać nowego. Warto tutaj zaznaczyć, że wszystkie znane dziś gatunki płaskowców żyją w morzach. A jak płaskie są płaskowce? Popatrzmy na Ryc. 3.

Ryc. 3. Osobnik Trichoplax sp. H2 próbujący przedostać się na spodnią część szkiełka mikroskopu. Warto zwrócić uwagę na różne typy komórek oraz brak sieci neuronów. Zdjęcie: Łukasz Sobala.

Grubość płaskowca to ok. 25 µm (dla porównania: ludzki włos ma grubość ok. 75 µm, przy czym 1 µm to 1/1000 mm), a średnica może dochodzić do ponad 2 mm. Gdyby człowiek o wysokości 170 cm miał proporcje płaskowca, miałby średnicę 140 metrów.

Zachowanie i biologia

Płaskowce poruszają się za pomocą rzęsek, które pokrywają całe ich ciało, ale są bardziej liczne na spodniej stronie. Rzęski te mogą poruszać się w skoordynowany sposób. Można więc powiedzieć, że płaskowce “biegają” po powierzchni za pomocą tysięcy nóżek. Rozmnażają się bezpłciowo (po prostu dzieląc się na dwa potomne organizmy) lub płciowo (zostało to zaobserwowane, jednak do dziś cykl płciowy nie jest w pełni zrozumiany).

Początkowo uważano, że płaskowce mają tylko cztery typy komórek: górny i dolny nabłonek (to komórki z rzęskami), komórki gruczołowe znajdujące się w dolnym nabłonku oraz komórki włókniste (fiber cells). Jednak okazało się, że rodzajów komórek jest sześć. Zostało to  potwierdzone za pomocą nowatorskiej metody sekwencjonowania RNA z pojedynczych komórek. Dzięki tej metodzie można zidentyfikować grupy komórek, w których ekspresja genów jest na podobnym poziomie. Jeden z nowo odkrytych typów komórek jest nazywany lipofilnymi. Mają one pokaźną wakuolę wypełnioną lipidami i odpowiadają za szybkie wydzielanie enzymów trawiennych po napotkaniu potencjalnej zdobyczy.

Ostatni typ komórek to komórki peptydergiczne (“wydzielające peptydy”), których może być 5 podrodzajów. To one odpowiadają za “wydawanie poleceń” innym komórkom. Nie tworzą jednak sieci, i jak wynika z nazwy, komunikują się za pomocą wydzielanych peptydów. Co ciekawe, peptydy te są podobne do wydzielanych przez zwierzęta z układem nerwowym  (przykładem mogą być endorfiny) i można ich używać  do indukcji określonych zachowań w płaskowcach.

Interesujące u płaskowców jest także to, że nie mają układu nerwowego ani mięśni. W odróżnieniu od gąbek, które prowadzą osiadły tryb życia, płaskowce aktywnie szukają pożywienia. Jak w takim razie koordynują swoje ruchy? Wygląda na to, że z racji niewielkich rozmiarów, koordynacja może polegać na wyczuwaniu przez pojedyncze komórki tego, co robią ich sąsiedzi. Jest to zdecentralizowany układ, w którym porządek pojawia się niejako “samorzutnie”, dzięki temu że każdy jego element ma podobne zdolności. Wprowadza to jednak dość duże ograniczenie dla maksymalnych rozmiarów płaskowców, bo ruchy większych osobników są bardziej chaotyczne.

Trichoplax zyskuje towarzystwo

Pierwszy płaskowiec został opisany jako Trichoplax adhaerens w 1883 roku przez F. E. Schulze. Przez ponad sto lat od tego odkrycia płaskowce zdawały się być mało interesujące dla biologów. Dopiero w obecnym stuleciu, dzięki rozwojowi technologii sekwencjonowania, zaczęto rozpoznawać nowe gatunki. Większości płaskowców nie da się dzisiaj rozróżnić po wyglądzie: wszystkie, oprócz nieco zagadkowego gatunku Polyplacotoma mediterannea, wyglądają podobnie. Trzeci nazwany gatunek to Hoilungia hongkongensis. W przypadku innych płaskowców, których aktualnie znamy około 25, na razie używa się ponumerowanych szczepów (od H0 do H24, przy czym Polyplacotoma to H0). Podjęto także pierwsze próby stworzenia linneańskiej systematyki płaskowców, nadając poszczególnym kladom rangi rodziny, rzędu i gromady (Ryc. 4).

Ryc. 4. Początki systematyki płaskowców. Reprodukcja za: Tessler i in., 2022, licencja CC-BY-4.0.

Zagadkowa pozycja płaskowców

Pierwszy (i jak dotąd, jedyny) genom płaskowca Trichoplax adhaerens został opublikowany w 2008 roku. Pomimo nieskomplikowanej budowy, okazało się, że płaskowce mają  zróżnicowany zestaw czynników transkrypcyjnych, czyli białek odpowiadających za regulację ekspresji genów w odpowiedzi na różne bodźce. Wskazuje na potencjalnie wysoką elastyczność cyklu życia. Niestety, w genomie płaskowców zaszło zbyt dużo zmian w stosunku do innych organizmów, aby na podstawie analizy porównawczej z genomami innych zwierząt stwierdzić, jakie jest ich miejsce na zwierzęcym drzewie ewolucyjnym. Daleki dystans ewolucyjny (duża liczba mutacji) sprawił, że trudno jest “dopasować” do siebie np. sekwencje poszczególnych białek płaskowca i zwierzęcia dwubocznego. A nawet jeśli się to uda, mutacje mogły zajść już kilka razy nawet w zrekonstruowanym wspólnym przodku tych grup. Jest to sytuacja, z którą trudno sobie poradzić używanym dzisiaj modelom ewolucji, szukającym “sygnału ewolucyjnego” w zmianach w pojedynczych aminokwasach. Jeśli zaszła więcej niż jedna zmiana, sygnał taki zostaje stracony. Konserwacja niektórych fragmentów genomu wskazywała jedynie że są bliżej spokrewnione z parzydełkowcami i dwubocznymi niż z gąbkami. Oprócz tego, analizy porównawcze morfologii zwierząt wskazywały na możliwość nieco bliższego spokrewnienia płaskowców z parzydełkowcami, niż z dwubocznymi. Brakowało jednak przekonujących dowodów popierających tą hipotezę.

Przełomem była wspomniana na początku analiza makrosyntenii, czyli obecności na tym samym chromosomie genów pochodzących w prostej linii z tego samego proto-genu, wśród wielu gatunków odległych od siebie zwierząt. Oprócz tejże analizy, już w 2022 roku ta sama grupa badawcza opublikowała pracę, w której wskazywała na makrosyntenię jednego z chromosomów między płaskowcami i parzydełkowcami, która była nieobecna wśród żebropławów, gąbek ani zwierząt dwubocznych. Zapis historyczny ukryty w genomie znów pokazał swoją wartość. Pomimo ogromnej różnicy w budowie ciała – płaskie i bezneuronowe u płaskowca, trójwymiarowe i unerwione wśród parzydełkowców – wygląda na to że płaskowce są najbliżej spokrewnione z parzydełkowcami. Zwierzęta dwubocznie symetryczne są potomkami linii, która oddzieliła się wcześniej, niż istniał wspólny przodek płaskowców i parzydełkowców. Innymi słowy, dwuboczne są kladem siostrzanym w stosunku do kladu “parzydełkowce + płaskowce”. Jeśli hipoteza ta zostanie potwierdzona, zagadka drzewa ewolucyjnego zwierząt będzie rozwikłana.

Literatura dodatkowa

Smith, C. L. et al. Novel Cell Types, Neurosecretory Cells, and Body Plan of the Early-Diverging Metazoan Trichoplax adhaerens. Current Biology 24, 1565–1572 (2014). https://doi.org/10.1016/j.cub.2014.05.046

Sebé-Pedrós, A. et al. Early metazoan cell type diversity and the evolution of multicellular gene regulation. Nat Ecol Evol 2, 1176–1188 (2018). https://doi.org/10.1038/s41559-018-0575-6

Davidescu, M. R., Romanczuk, P., Gregor, T. & Couzin, I. D. Growth produces coordination trade-offs in Trichoplax adhaerens, an animal lacking a central nervous system. Proceedings of the National Academy of Sciences 120, e2206163120 (2023). https://doi.org/10.1073/pnas.2206163120

Senatore, A., Reese, T. S. & Smith, C. L. Neuropeptidergic integration of behavior in Trichoplax adhaerens, an animal without synapses. The Journal of Experimental Biology 220, 3381–3390 (2017). https://doi.org/10.1242/jeb.162396

Srivastava, M. et al. The Trichoplax genome and the nature of placozoans. Nature 454, 955–960 (2008). https://doi.org/10.1038/nature07191

Nielsen, C. Early animal evolution: a morphologist’s view. Royal Society Open Science 6, 190638. https://doi.org/10.1098/rsos.190638

Simakov, O. et al. Deeply conserved synteny and the evolution of metazoan chromosomes. Science Advances 8, eabi5884 (2022). https://doi.org/10.1126/sciadv.abi5884

Czy można żyć bez hemoglobiny?

Pisałem już, jak ludzie żyjący na dużych wysokościach w Himalajach lub Andach przystosowali się do życia w środowisku, gdzie tlenu jest mało. Kluczem do tego przystosowania jest hemoglobina, białko, które przenosi tlen z płuc do tkanek. Wydawałoby się więc, że nie ma życia bez hemoglobiny: każdy kręgowiec ją produkuje. Ale są wyjątki: niektóre antarktyczne ryby nie mają hemoglobiny, a żyją zupełnie normalnie. Dlaczego?

Bielankowate, czyli ryby bez hemoglobiny

Rodzina Channichthyidae (bielankowate, białokrwiste); rząd: okoniokształtne (Perciformes), podrząd: nototeniowate (Notothenioidei) liczy 16 gatunków. Są to jedyne kręgowce pozbawione hemoglobiny. Żyją w Oceanie Południowym (czyli morzu okalającym Antarktydę). Dorastają do 75 cm. Do tej rodziny należy m.in. znana nam ze smażalni kergulena (Ryc. 1).

Ryc. 1. Kergulena, bielanka kerguleńska (Champsocephalus gunnari). Autor: C.T. Regan (1913). Domena publiczna.

Ocean Południowy: trudne miejsce do życia

Ocean Południowy, zwany też Antarktycznym, rozpościera się od wybrzeża Antarktydy do równoleżnika 60o. Jest głęboki na 4000-5000 m, z nielicznymi płytszymi miejscami. Wody Oceanu Południowego są najzimniejsze na Ziemi: od 1,5oC pod powierzchnią wody, do -2,1oC. Woda nie zamarza z powodu wysokiej zawartości soli.

Stałym elementem Oceanu Południowego jest Prąd Wiatrów Zachodnich, najsilniejszy prąd morski na Ziemi. Powoduje przepływ wody wokół Antarktydy z zachodu na wschód, czyli zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara (patrząc od strony bieguna południowego). Transportuje co najmniej 100 milionów m3 wody na sekundę. Prąd stabilizuje cały klimat Ziemi, jednocześnie izolując Antarktykę przed dopływem ciepłych wód z północy. Ponieważ w tym rejonie wieją najsilniejsze wiatry na Ziemi (do 300 km/h), które mogą generować fale o wysokości do 25 m, żeglowanie jest trudne i niebezpieczne (Ryc. 2).

Ryc. 2. Prąd Wiatrów Zachodnich. Źródło: NASA, domena publiczna.

Antifreeze, czyli rybie Borygo

Mimo to wiele gatunków przystosowało się do życia w takich warunkach. Co robić, kiedy temperatura wody spada poniżej 0oC? To (dosłownie) może mrozić krew w żyłach. Ryby z podrzędu Notothenioidei, do których należą bielankowate, produkują duże ilości białek o zbiorczej nazwie antifreeze. Są to odpowiedniki płynu Borygo w chłodnicy samochodu, ponieważ hamują krystalizację wody, czyli zamianę wody w lód. Wiążą się też do błon komórkowych i chronią ją przed uszkodzeniem przez kryształki lodu. Wiele ryb produkuje takie białka, ale u bielankowatych liczba genów, które je kodują (140) jest znacznie wyższa niż u innych ryb (nie więcej niż 30) (Ryc. 3).

Ryc. 3. Struktura białka antifreeze z flądry Pseudopleuronectes americanus. Źródło: RCSB PDB, numer 4KE2.

Hemoglobina i jej brak

Ale najciekawszy jest brak hemoglobiny. Krew bielankowatych jest bezbarwna i pozbawiona  krwinek, a w ich mięśniach nie ma mioglobiny (stąd nazwa). Taka krew może przenosić tylko ok. 10% tlenu w porównaniu z krwią ryb „czerwonokrwistych”. Ponieważ w niskich temperaturach tlen dobrze rozpuszcza się w wodzie, ryby są w stanie przeżyć (Ryc. 4).

Ryc. 4. Krew Chaenocephalus aceratus z rodziny bielankowatych (z lewej) i „czerwonokrwistej” ryby Notothenia coriiceps. Źródło: Joshua T. Butcher i współpr., Free Rad. Biol. Med. 2014, 73: 136-142. Licencja  CC-BY-NC-ND.

Krew bielankowatych przenosi mało tlenu, więc logiczne jest, że jej objętość jest kilkukrotnie większa niż u innych ryb o porównywalnej wielkości. Większe też jest serce i naczynia krwionośne. Bardziej wydajna praca łańcucha oddechowego (który generuje ATP) wiąże się z większą liczbą mitochondriów. Tak duże serce zużywa ok. 20% energii całego organizmu; u „czerwonokrwistych” ryb jest to nie więcej niż 5%.

Bielankowate oszczędzają energię mało się ruszając, a żywią się innymi rybami oraz krylem (pisał o nim ostatnio Piotr Gąsiorowski).

Największa na świecie kolonia ryb

Niedawno u wybrzeża Antarktydy odkryto ogromną kolonię ryb Neopagetopsis ionah (rodzina: bielankowate). Na głębokości 500 m było ok. 60 milionów gniazd. W każdym gnieździe było przeciętnie 1700 jaj, i każde było strzeżone przez jedną rybę. Powierzchnia kolonii wynosiła ok. 240 km2 (Ryc. 5).

Ryc. 5. Kolonia ryb Neopagetopsis ionah na głębokości 500 m. Źródło: Purser A i współpr., Curr. Biol. 2022, 32:842-850. Licencja  CC-BY-NC-ND

Genom bielankowatych

Jakie zmiany zaszły w genomie bielankowatych? U większości kręgowców homoglobina składa się z dwóch podjednostek o nazwie α i β, które są kodowane przez geny hba i hbb. Analiza genomu przedstawiciela tej rodziny wykazała, ze gen hbb zanikł zupełnie, a gen hba istnieje tylko w postaci fragmentu. Zaniknęły też geny kodujące białka obecne w krwinkach (np. spektryna), a także gen kodujący haptoglobinę, która u wszystkich innych kręgowców wiąże wolną hemoglobinę, co zapobiega utracie żelaza z moczem.

Bielankowate są bardziej niż inne ryby podatne na stres oksydacyjny związany z wytwarzaniem reakcyjnych form tlenu (ROS), czyli wolnych rodników. Żeby się przed nimi chronić, liczba niektórych genów kodujących białka związane z unieszkodliwianiem takich związków uległa zwiększeniu. Przykładowo, bielankowate mają 5 genów sod kodujących dysmutazę ponadtlenkową (inne ryby mają 3). Liczba genów nqo (dehydrogenaza NADP(H):chinon(1)) to 33 u bielankowatych i 2-10 u innych ryb.

Co wspólnego mają bielankowate z ludzkim układem grupowym krwi Scianna?

U ryb bielankowatych nie ma genu bty, który jest rybim homologiem (czyli odpowiednikiem) ludzkiego genu ERMAP. U człowieka gen ten koduje białko związane z błoną erytroblastów (czyli prekursorów krwinek) o nazwie erythroblast membrane-associated protein (ERMAP). Białko to wydaje się odgrywać rolę w tworzeniu krwinek w szpiku, nie dziwi więc brak jego homologu u bielankowatych. U człowieka białko to jest nosicielem antygenów układu grupowego Scianna (Sc). Większość ludzi ma antygen SC1, a ok. 0,01% ma antygen SC2. Różnica to jedna reszta aminokwasowa (glicyna lub arginina w pozycji 57). Jest też rzadki fenotyp Scianna(null), gdzie białko ERMAP w ogóle nie jest obecne. Teoretycznie powinno to powodować brak krwinek, podobnie jak u bielankowatych (ewentualnie anemię), ale takie osoby są całkiem zdrowe. Być może inne białka przejmują jego funkcję? Fenotyp ten jest niezwykły rzadki w Europie, ale dość częsty w Papui-Nowej Gwinei. Dlaczego? Nie wiadomo.

Dlaczego hemoglobina zaniknęła u bielankowatych?

Wydaje się, że główną przyczyną był niski poziom żelaza w wodach Oceanu Południowego. Żelazo jest koniecznie potrzebne do życia, ponieważ wchodzi w skład wielu enzymów, a przede wszystkim hemu. Ok. 70% żelaza w organizmach kręgowców znajduje się w krwinkach. Skoro można przeżyć bez hemoglobiny, i w ten sposób oszczędzać żelazo, to dlaczego nie skorzystać z okazji?

Kiedy bielankowate mogły stracić zdolność do produkcji hemoglobiny? Ocean Południowy ochłodził się do dzisiejszej temperatury ok. 6 milionów lat temu. Ale 8 milionów lat temu temperatura wody nie była już wyższa niż 5oC, i to mniej więcej wtedy mogły mieć miejsce pierwsze mutacje w genach kodujących hemoglobinę i inne białka związane z transportem tlenu. Proces ten musiał być stopniowy, bo najbliżsi krewni bielankowatych, czyli nototeniowate (np. Notothenia coriiceps) są w stanie przeżyć obniżenie hematokrytu (czyli stosunek objętości krwinek do objętości pełnej krwi) z 40% do 5%. Inny przedstawiciel tej rodziny, trematoma lodowa (Pseudotrematomus bernacchii), może mieć 95%  karboksyhemoglobiny, czyli hemoglobiny związanej z tlenkiem węgla. U człowieka 40% to wielkość śmiertelna (pisał o tym Mirosław Dworniczak). Tak więc wydaje się, że ryby Oceanu Południowego stopniowo uzyskiwały zdolność do życia bez hemoglobiny. Zmianom tym sprzyjały niska temperatura wody i niskie stężenie żelaza w wodzie.

Literatura dodatkowa

Genom ryb bielankowatych

https://www.nature.com/articles/s41559-019-0812-7

Brak żelaza jako czynnik wymuszający brak hemoglobiny

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2019.01389/full

Utrata hemoglobiny u bielankowatych

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378111902006911?via%3Dihub

Największa na świecie kolonia ryb

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982221016985