Geçtiğimiz hafta yayınlanan, DNA dizileme ve laboratuvarda uygulanan evrim deneylerine dayanan bir çalışma, seksin evrimsel faydalarına dair ortaya atılmış hipotezlere ilk elden moleküler kanıtlar sunuyor.
Seks ile üremek canlılar için masraflı bir süreç (bkz. Kutu 1). Farklı seçenekler de mevcut.
Örneğin tek hücreli canlılar bölünerek genetik materyalini iki yeni hücreye aktarabilir. Veya çok hücreli bazı canlılar yalnız dişilerden oluşur. Bunlar, erkeklere ve döllenmeye ihtiyaç duymadan, doğrudan döllenmemiş yumurta ile yeni nesil bireyleri oluşturabilirler (bu şekilde ürediği bilinen 22 balık türü var). Erkeğe ihtiyaç duymadan eşeysiz üreyen canlıların listesine bazı bitki ve sürüngen türleri de eklenebilir.
Kutu1: Şekilde, ‘Erkek-masrafı’ veya ‘seks ile üremenin 2-kat-değerinde masrafı’ olarak bilinen durum gösterilmekte. Bir dişinin 4 yeni yavru verdiği düşünülerek karşılaştırma yapıldığında, seks ile üreyen canlılarda, bu yavrulardan yarısı erkek olacak, ve sonuçta böylesi topluluklardaki birey sayısı artışı, eşeysiz üreyenlere göre 2-kat daha az olacak. Bu durum seks ile üremeyi 2-kat daha masraflı hale getirmekte. Bunun yanında, eş bulmak ve eşi etkilemek gibi biyolojik aktivitelerde seks ile üremenin masraflarına eklenebilir. Bu durumun seks hücreleri (gametler) farklı boyutlarda olan türler için geçerli olduğu not edilmeli (Berström ve Dugatkin 2012'den uyarlanmıştır). Popülasyon (topluluk) dinamikleri açısından bakıldığında ise, ‘seks ile üreyen’ bir toplulukta, mutasyonlar ile ‘eşeysiz üreyen’ bir birey ortaya çıkarsa, bu eşeysiz üreyen bireyin, eşeyli üreyen bu topluluğun bireylerine göre her nesilde iki kat daha fazla döl vermesi beklenmekte. Bunun sonucunda, ‘eşeysiz üreyen’ “mutant” bireyler topluluğa yayılabilir ve ‘seks ile üreyen’ bireyler topluluktan silinebilir.
Seks ile kötülerden arınmak ve iyileri birleştirmek
Yine de, karmaşık ve çok hücreli neredeyse tüm türler seks ile (eşeyli olarak) üremekte. Örneğin, 42 bin omurgalı tür arasında sadece 74 tür eşeysiz ürerken, geri kalan tüm türler seks ile üremekte (bkz. Bergström ve Dugatkin 2012).
‘Seks ile üreme’nin masrafı az alternatifi ‘eşeysiz üreme’ karşısında halen korunabilmesi evrimsel biyologların araştırdığı en ilginç konulardan birisini oluşturmakta.
Cevap için önerilmiş hipotezler, moleküler-genetik temeline dayanan iki bakış üstüne kurulu (bkz. Kutu 2, görseller). Hipotezlerden ilki, eşeysiz üremenin eksilerine odaklanıyor. Buna göre, ‘eşeysiz üreyen’ bireyler yüksek oranda ‘zararlı’ mutasyon biriktirirken, seks ile üreyen bireyler, anne-baba gen bölgelerinin karılması ile 'zararlı' mutasyonların temizlendiği yeni nesil bireyler oluşturabilir (bkz. Kutu 2).
İkinci bakış açısı ise, seks ile üremenin artılarına odaklanmakta. Seks ile üreme farklı bireylerin DNA’larının farklı konumlarında bulunan 'faydalı' mutasyonları biraraya getirip, toplulukların, evrimsel uyarlanım başarısını ve değişen çevresel koşullara uyarlanım hızlarını artırabilir (bkz. Kutu 2). Eşeysiz üreyen topluluklarda ise, farklı bireylerde bulunan faydalı mutasyonlar biraraya getirilemediğinden, bu üreme biçimine sahip topluluklar, seks ile üreyen topluluklarla karşılaştırıldıklarında, çevre sartlarına evrimsel uyarlanım konusunda daha düşük verimde bir adaptasyon "başarısı" gösterebilirler.
Kutu 2: Şekilde 'seks ile üreme' ve 'eşeysiz üreme' arasındaki moleküler genetik farklılıklar gösterilmekte. Bu farklılıklar, ‘seks ile üreme’nin, alternatif ‘eşeysiz üreme’ karşısında evrimsel olarak nasıl tutunabildiğini açıklamaya çalışan iki hipoteze temel oluşturuyor. Her bir siyah-doğru bir bireyin DNA dizisini gösteriyor. T1 ve T2 her bir yeni neslin oluştuğu zaman süreçlerini göstermekte. "Seks" diye belirtilen üreme anları, dışı ve erkek bireylerin genetik yapılarını yeniden "kararak" ('genetik rekombinasyon' denilen moleküler süreç ile) anne ve babanın genetik yapısından yepyeni genetik yapıda bireyleri oluşturmakta. (A) 'Eşeysiz üreme'de, 3 birey ile başlanıldığında, ve her bir bireyin gösterilen faydalı ve zararlı mutasyonları taşıdığı göz önüne alınırsa, farklı bireylerdeki faydalı mutasyonların yarışacağı düşünülebilir. Ayrıca, 'eşeysiz üreme' doğal seçilime zararlı mutasyonların elendiği genetik veriye sahip bireyleri vermiyor. Bu nedenle, zararlı mutasyonlar, evrimsel zamanda, topluluklardaki bireylerce (faydalı mutasyonların yanında ‘otostop çeker gibi’) taşınarak, dolaşımda kalabiliyor. (B) 'Seks ile üreme' ise farklı desteli iskambil kartlarını "karmaya" benzer bir işlem ile ('genetik rekombinasyon') dişi ve erkeğin genetik yapılarını birbirine "karıp" yeni bileşimde genetiğe sahip bireyleri oluşturabiliyor. Rekombinasyon sonucunda, seks ile, yeni karılan desteye kötü kartları (zararlı mutasyonları) almamak mümkün. Aynı şekilde, seks ile üreme, iyi kartları biraraya getirip (örneğin faydalı mutasyonları aynı genetik altyapıda birleştirerek), çok daha basarılı bireylerin üremesini sağlayarak, toplumların evrimsel uyarlanım başarılarını artırabilir. Böylece evrimsel adaptasyon daha hızlı ve daha verimli gerçekleşebilir.
Bir maya deneyi
McDonald ve arkadaşları deneysel evrim ve DNA dizisinin evrimsel değişimini inceledikleri ve Şubat ayı sonunda yayınlandıkları çalışmalarında, seks ile üremenin eşeysiz üreme gibi bir alternatif karşısında evrimsel adaptasyon bağlamında neden daha başarılı olduğunu gösteren önemli kanıtlar sunuyorlar.
Araştırmacılar, deneylerinde, seks ile üremenin avantajlarını DNA düzeyinde izlemek için, model organizma olan maya (S. cerevisiae) ile çalışmışlar. Tek hücreli olan maya hücreleri bölünerek ‘eşeysiz olarak’ üreyebilmekte. Aynı zamanda, maya hücreleri eşeyli de üreyebiliyorlar. Mayalar, bizdeki dişi ve erkek seks hücrelerinin çok daha basit örnekleri olan alfa ve beta olarak adlandırılmış iki eşey tipine sahip. Bu iki farklı “cinsiyet”ten hücrelere sahip maya hücreleri bizdeki sperm ve yumurta gibi birleşip, genetik karma işlemi ile (rekombinasyon – Kutu 2-B) yeni nesli oluşturma (yani seks ile üreyebilme) alternatifine de sahip.
Eşeysiz veya seks ile üreme yöntemleri, maya hücrelerine laboratuvarda basit biçimde dikte edilebilmekte. Araştırmacılar çalışmalarında, maya hücrelerini, ‘seks ile (eşeyli) üreyen’ ve ‘eşeysiz üreyen’ iki farklı gruba ayırarak, laboratuvarda belirledikleri bir seçilim ortamına evrimsel olarak uyarlanımlarını izlemişler.
Deneylerinin ilk sonucuna göre araştırmacılar, 1000 nesil süren laboratuvar seçilimi sonrasında, 'seks ile üreyen' ve 'eşeysiz üreyen' toplulukların evrimsel uyarlanım oranlarına baktıklarında, her iki grubunda yeni çevresel koşula uyarlanıp (adapte olup), seçilime uğramamış atasal hücre topluluğuna göre üreme başarılarının arttığını gözlüyor (Şekil 1).
Daha önemli sonuç ise, ‘seks ile üreyen’ toplulukların, teorik beklentilere uyar biçimde, ‘eşeysiz üreyen’ topluluklara göre daha verimli ve daha hızlı biçimde yeni çevresel koşula adapte olduklarının gözlenmesi (Şekil 1).
Şekil 1. Evrimsel seçilim sonunda ataya oranla evrilen toplulukların uyarlanım yüzdeleri. Dikey eksende bulunan ‘0 noktası’ seçilime uğramamış atasal toplulukların ilgili çevre koşulundaki üreme/hayatta-kalım başarısına denk geliyor. Laboratuvarda 1000 nesil boyunca seçilime uğramış topluluklar ise, evrimsel değişim sonucunda ilgili çevre koşuluna adapte olup, atasal topluluklardan %5 ile %20 arasında daha fazla verimle üreyebilmekteler. Asıl odaklanılması gereken sonuç, seks ile üreyerek seçilime uğramış toplulukların (turuncu noktalar), eşeysiz olarak üreyerek seçilime uğramış topluluklara (mavi noktalar) oranla, daha hızlı ve verimli biçimde yeni çevresel koşula uyum sağlamış olması (Şekil McDonald vd. 2016’dan alınmıştır).
Seks 'iyi' ve 'kötü' mutasyonların sıklıklarını nasıl etkilemiş?
Seks ile üremenin evrimsel uyarlanımda beklenilen sonucu verdiğini gösteren araştırmacılar, bir sonraki hedef olarak, bu sonucun hipotezlerde sunulan moleküler-genetik değişimler ile açıklanıp açıklanamayacağını görmek (yani Kutu 2’yi test etmek) için, deney sırasında evrilen mayaların DNA dizilerinde meydana gelen mutasyonları ve mutasyonların topluluklardaki frekanslarının nesilden nesle değişimini izliyorlar.
Her ne kadar 'seks ile üreyen' ve 'eşeysiz üreyen' iki grupta da ortaya çıkan mutasyonlar aynı oranda zararlı/etkisiz/faydalı olarak 3 gruba ayrılsa da, 'seks ile üreyen' topluluklarda meydana gelmiş tüm mutasyonlardan çok az sayıda bir kısmı nesilden nesle yaygınlaşmış.
Eşeysiz üreyen toplulukta ise meydana gelen 3 mutasyon çeşidi de hemen hemen ortaya çıktıkları oranla topluluk içinde nesilden nesle yayılmışlar.
Bu sonuç, seks ile üremenin doğal seçilimin zararlı mutasyonları ayıklamasına olanak verdiğini gösteriyor (Kutu 2). Çünkü seks, genetik malzemeyi yeniden “karıyor”.
Diğer taraftan, 'eşeysiz üreyen' topluluklarda, değişik etkiye sahip mutasyonların hücresel soyların DNA’larına "birlikte hapsoldukları" için, doğal seçilim hem faydalı hem de zararlı mutasyonları “ayırt edemiyor” ve bir arada "seçmek" zorunda kalıyor.
Araştırmacılar, seks ile üremenin, doğal seçilimin üzerinde çalışabileceği genetik çeşitliliği çok daha verimli bir biçimde sağladığını da gösteriyorlar. 'Eşeysiz üreyen' topluluklarda zararlı mutasyonlar topluluğa (1 tek bireyde ortaya çıkıp 100000 kadar bireye) yayılabilmekte. Bunun nedeni, zararlı mutasyonların, faydalı mutasyonları içeren bireylerin DNA’larında “otostop çeker gibi” topluluk içinde dolaşıp, seçilen faydalı mutasyonlarla birlikte yüksek oranlara ulaşabilmesinden kaynaklanıyor. Bu durum, 'eşeysiz üreyen' toplulukların evrimsel uyarlanım verimini düşürmekte (Şekil 1).
'Seks ile üreyen' topluluklarda ise, incelenen zararlı mutasyonlar, topluluğa yayılamayıp -evrimsel uyarlanımı baltalamadan- doğal seçilim tarafından ayıklanabiliyor.
Araştırmacılar, ‘seks ile üreme’nin, farklı bireylerde farklı DNA bölgelerinde bulunan faydalı mutasyonları biraraya getirerek evrimsel uyarlanım başarısını artırdığına dair izler de buluyorlar. Diğer yandan, faydalı mutasyonların biraraya getirilmesi konusu, daha detaylı örneklerle ileride yapılacak çalışmalarda gösterilmeyi bekliyor.
Sonuç olarak çalışma, ‘seks ile üreme’nin ‘eşeysiz üreme’ gibi daha az masraflı üreme tipi karşısında evrimsel olarak tutunabilmesini açıklayan moleküler-genetik temelli hipotezlere ilk detaylı kanıtları sunuyor.
‘Seks ile üreme’nin evrimsel temelinin -atasal durum olan- ‘eşeysiz üreme’den 2 milyar yıl kadar sonra evrildiği bilinmekte. Sırada aydınlatılmayı bekleyen konu, eşeysiz üreyen canlıların, hangi dinamikler ve genetik değişikliklerle, seks ile üreyen canlılara evrildiğinin araştırılması.
Kaynaklar:
İlgili makale: McDonald MJ, Rice DP, Desai MM. "Sex speeds adaptation by altering the dynamics of molecular evolution." Nature. 2016 Feb 24. doi: 10.1038/nature17143.
Bergström CT & Dugatkin LA. Evolution. 2012 (1. Basım).
Haber görseli: Anton Lefterov’un calışması.