Warum Organismen anfingen, Sex zu haben, anstatt sich einfach asexuell zu reproduzieren, wie es das Leben für Milliarden von Jahren getan hat - und im Falle einzelliger Organismen und einiger Pflanzen und Pilze immer noch tut -, ist ein bisschen rätselhaft. Die sexuelle Fortpflanzung hat sich vor rund einer Milliarde Jahren oder mehr entwickelt, trotz des zusätzlichen Energiebedarfs und der scheinbaren Behinderung, einen geeigneten Partner finden zu müssen. Die vorherrschenden Theorien gehen davon aus, dass Sexualität aufgrund der Vorteile einer größeren genetischen Vielfalt zur dominierenden Form der Fortpflanzung wurde, sodass sich die Nachkommen an veränderte Umgebungen anpassen und die Arten den Parasiten, die die Eltern plagten, immer einen Schritt voraus sind.
In einem neuen Artikel in PLOS Biology schlagen ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung der Universität Montpellier in Frankreich und der Deakin University in Australien einen weiteren Grund für den Beginn und die Fortsetzung des Sexuallebens vor: die Gefahr übertragbarer, krebskranker Freeloader.
"Wir schlagen vor, dass sich die sexuelle Fortpflanzung weiterentwickelt, um eine Invasion durch übertragbare selbstsüchtige neoplastische Betrügerzellen zu verhindern, die im Folgenden als übertragbare Krebszellen bezeichnet werden", heißt es in einer E-Mail von Frederic Thomas, Evolutionsbiologe an der Universität von Montpellier und Hauptautor der Studie. "Unseres Wissens ist dieses selektive Szenario für die anfängliche Entwicklung des Geschlechts über den Baum des Lebens hinweg neu."
Krebs war kein Problem für die frühesten Lebensformen, Prokaryoten oder einzelligen Organismen, denen ein Zellkern fehlt, wie Bakterien und Archaeen. Diese Kreaturen vermehren sich ungeschlechtlich, machen eine Kopie ihres singulären Chromosoms und klonen sich im Wesentlichen selbst.
Mit der Entwicklung der Eukaryoten vor mehr als 2, 5 Milliarden Jahren änderte sich das jedoch. Diese Organismen enthalten zentrale Kerne, die ihre Genome in einer Reihe von Chromosomen umfassen. Gruppen von Eukaryoten schlossen sich zu den ersten vielzelligen Organismen zusammen - den Vorgängern allen komplexen Lebens auf der Erde, von Pflanzen über Insekten und Reptilien bis hin zu Säugetieren. Wenn sich diese Organismen vermehren, wird genetisches Material von zwei Partnern eingebracht, wodurch genetisch einzigartige Nachkommen entstehen.
"Sex scheint den Übergang zum eukaryotischen Leben begleitet, direkt vorangetrieben oder tatsächlich markiert zu haben", sagt Maurine Neiman, Professorin für Biologie an der Universität von Iowa, die sich mit sexueller Reproduktion befasst, aber nicht an der neuen Studie beteiligt war. Die große Frage in der Evolutionsbiologie sei, warum.
Sex ist wirklich kompliziert und ineffizient. Viele Organismen müssen biologische Ressourcen in Merkmale investieren, die nur dem Zweck dienen, einen Partner anzuziehen, z. B. Pfauenfedern. Sogar der Akt der Kopulation birgt ein Risiko. "Organismen sind oft buchstäblich zusammengeklebt, und das ist keine wirklich gute Situation", sagt Neiman. Die Vorstellung, dass eine Kreatur, die erfolgreich genug ist, um die Fortpflanzungsreife zu erreichen, sich mit der genetischen Formel herumschlagen möchte, ist ebenfalls seltsam. „Du bist sicher, wenn du erwachsen und erfolgreich bist. Warum würdest du gehen und ein Baby anders machen als du? "
Durch die Vermischung von Genetik bewirkt die sexuelle Reproduktion eine größere genetische Vielfalt in einer Population, wodurch die Übertragung von Krebszellen zwischen Individuen in der Population eingeschränkt wird. (Thomas et al. / PLOS Biology 10.1371) Eine der führenden Theorien ist die Red Queen-Hypothese. Die Idee legt nahe, dass sich mit der Entwicklung des vielzelligen Lebens auch die Parasiten und Krankheitserreger entwickelten, die es plagten. Durch die Nutzung des Geschlechts zur Erzeugung von Nachkommen mit einzigartigen genetischen Merkmalen können einige der Nachkommen Resistenzen gegen die Käfer entwickeln, die andernfalls die gesamte Art bedrohen würden. Sexuelle Fortpflanzung dient dazu, dem evolutionären Wettrüsten einen Schritt voraus zu sein. (Der Name der Hypothese stammt von einer Aussage der Roten Königin an Alice in Lewis Carrolls Through the Looking-Glass : "Nun, hier ist alles nötig, um am selben Ort zu bleiben." )
Die neue Studie legt nahe, dass Krebszellen als eine andere Form von Parasiten angesehen werden können. Da sich frühe Zellen zu einzelnen, eukaryotischen Organismen zusammengeschlossen hatten, hätten diese Organismen vor Mitgliedszellen schützen müssen, die es ablehnten, sich dem Ganzen unterzuordnen - "interne Betrügerzellen" oder Krebszellen. Frühe mehrzellige Organismen hätten auch Abwehrkräfte gegen das Eindringen bösartiger Zellen von anderen Organismen oder gegen übertragbare Krebsarten entwickeln müssen.
Solche frühen Immunsysteme hätten es leichter gehabt, zwischen gesunden Zellen und malignen Erkrankungen zu unterscheiden, wenn die sexuelle Fortpflanzung Nachkommen hervorgebracht hätte, die sich genetisch von den umliegenden Organismen unterschieden. Das Anvisieren von Krebszellen hätte einen evolutionären Druck auf das Geschlecht erzeugen können, ähnlich dem Druck durch Parasiten und andere Krankheitserreger.
"Maligne Zellen haben - zumindest unserer Meinung nach - in der Evolutionsbiologie und Ökologie die gleiche Bedeutung wie Nicht-Selbst-Parasiten und sollten daher als genauso wichtig angesehen werden wie Parasiten und Mikrobiota", sagt Thomas. "Krebs ist nicht nur eine Krankheit, er ist eine evolutionäre Kraft."
Laut Steve Johnson, einem Biologen, der an der Universität von New Orleans die Evolution von Geschlechts- und Wirt-Parasit-Wechselwirkungen untersucht, könnte diese Idee eine wirkungsvolle neue Denkweise für die Evolution sein. "Je mehr ich darüber nachdenke, desto wichtiger ist meiner Meinung nach ein neuer Ansatz", heißt es in einer E-Mail. "Mir gefällt besonders die Verknüpfung der Red Queen-Modellierung mit der Idee, dass die sexuelle Fortpflanzung eine einzigartige Art von Parasiten, die übertragbaren Krebszellen, reduziert."
"Man kann sich Krebs als dieses egoistische Phänomen vorstellen, das mit dem Individuum stirbt", fügt Neiman hinzu. „Aber was wäre, wenn es nicht so wäre? Wie würde das die Evolutionslandschaft verändern? “
In dem Artikel erläutern Thomas und seine Kollegen einige der Veränderungen in der Evolutionslandschaft, die sie erwarten würden, um zu sehen, ob ihre Hypothese korrekt ist. Beispielsweise wären übertragbare Krebsarten bei sich sexuell reproduzierenden Arten wahrscheinlich selten, und dies ist tatsächlich der Fall. Es gibt nur eine Handvoll Beispiele, wie Tasmanische Teufelsgesichtsläsionen und Leukämie bei einigen Muscheln.
Das Team prognostiziert auch, dass die meisten Arten, die sich ungeschlechtlich vermehren, entweder relativ jung oder speziell für die Krebsbekämpfung geeignet sind. Und tatsächlich stellten sie fest, dass ungefähr die Hälfte der bekannten asexuellen Abstammungslinien weniger als 500.000 Jahre alt ist. "Die verbleibenden 50 Prozent der Abstammungslinien bestehen aus evolutionär skandalösen Organismen", von denen bekannt ist, dass sie gegen Mutagene resistent sind, heißt es in der neuen Veröffentlichung. Solche Organismen, so Thomas, könnten es wert sein, untersucht zu werden, um mehr über ihren Antikrebsschutz für medizinische Zwecke zu erfahren.
Aber es gibt einen Grund, warum die Herkunft des Geschlechts in der Evolutionsbiologie als schwieriges Problem angesehen wird. Nach Neimans Einschätzung gibt es Elemente der neuen Theorie, die sich nicht ganz summieren - zumindest noch nicht. Die Seltenheit übertragbarer Krebsarten unter den heutigen Lebewesen könnte diese neue Theorie möglicherweise nicht stützen.
Ein "Universum, in dem Krebs Sex erklärt, würde erfordern, dass diese ansteckenden Krebsarten wirklich ziemlich häufig sind", sagt Neiman. Sie wundert sich auch über eine der zentralen Annahmen der Theorie, dass die genetische Unterscheidbarkeit von Eltern und Nachkommen tatsächlich ein Faktor für die erfolgreiche Bekämpfung von Krebsinfektionen wäre. "Ich bin nicht sicher, ob es gut getestet wurde, und es ist eine sehr wichtige Annahme."
Thomas räumt ein, dass die Hypothese seines Teams durch Experimente bestätigt werden muss, was an dieser Stelle fehlt. "Wir schlagen in dem Papier mehrere Anweisungen vor, die eleganteste wäre die Verwendung des Klonens von Tieren, um das Risiko der Übertragung von Krebszellen im Zusammenhang mit ungeschlechtlicher Fortpflanzung zu bewerten", sagt er. Wenn die neue Theorie der sexuellen Fortpflanzung richtig ist, sollte die Wahrscheinlichkeit, dass eine Mutter Krebszellen an ihre Nachkommen weitergibt, höher sein, wenn der Embryo ein implantierter Klon der Mutter und kein genetisch unterschiedlicher Embryo ist.
Das Team arbeitet auch mit geklonten Hydras, Meeresorganismen, die sich je nach Umweltbedingungen sowohl sexuell als auch ungeschlechtlich fortpflanzen können. Laut Thomas Madsen, einem Biowissenschaftler an der Deakin University und Mitautor der neuen Studie, besteht das Ziel darin, „gesunde klonale Hydrate mit Krebszellen zu infizieren und ihre evolutionäre Reaktion zu untersuchen“. Wenn die neue Theorie des Geschlechts richtig ist, infizierte Hydras sollten die sexuelle Fortpflanzung der asexuellen vorziehen.
Aber der Ursprung des Sex war schon immer chaotisch und Neiman glaubt, dass es so bleiben wird. "Ich denke, die Komplexität und die bloße Unordnung der Biologie werden oftmals das erfordern, was wir pluralistische oder multiple Erklärungen nennen", sagt sie. "Ich glaube nicht, dass es jemals eine allgemeine, elegante, einfache Lösung geben wird."
