"Dure" eicellen en "goedkope" zaadcellen: competitie verklaart waarom ze zo in grootte verschillen
Momenteel zijn de meeste eicellen veel groter dan de meeste zaadcellen maar toen de seksuele voortplanting op het toneel verscheen, vroeg in de evolutie, waren de gameten of geslachtscellen ongeveer even groot. Een nieuwe studie stelt nu dat competitie om beperkte hulpmiddelen geleid heeft tot het ontstaan van aparte groepen van grote en kleine geslachtscellen, die later zijn uitgegroeid tot de vrouwelijke eicellen en de mannelijke zaadcellen.
Bij de meeste dieren die nu leven, zijn de eicellen enorm veel groter dan de zaadcellen. Bij mensen heeft een eicel bijvoorbeeld 10 miljoen keer het volume van een zaadcel.
In een nieuwe studie hebben onderzoekers van de Northwestern University in Illinois nu aangetoond dat competitie en natuurlijke selectie verantwoordelijk zijn voor die verrassende discrepantie in grootte.
De onderzoekers gebruikten een wiskundig model dat ze toepasten op een tijd zeer vroeg in de evolutie toen de oersoorten zich voortplantten door uitwendige bevruchting, waarbij de samensmelting van de geslachtscellen dus buiten het lichaam van de ouders plaatsvindt.
In het model bieden grotere geslachtcellen een reproductief voordeel omdat ze meer voedingsstoffen kunnen bevatten voor een potentiële zygoot, de cel die ontstaat uit de samensmelting. Anderzijds zijn er minder hulpmiddelen nodig om kleinere geslachtscellen te maken, wat minder stress betekent voor de ouder.
"Organismen moesten ofwel de grootste geslachtscellen produceren met de grootste voorraad voeding ofwel de kleinste geslachtscellen om het minste hulpmiddelen te gebruiken", zei Daniel Abrams. "We denken dat dit verschil in grootte bijna onvermijdelijk is, op basis van geloofwaardige aannames over hoe geslachtelijke voortplanting werkt en hoe natuurlijke selectie werkt."
Abrams is een professor toegepaste wiskunde aan Northwestern en de senior auteur van de nieuwe studie. Hij schreef de studie samen met drie studenten uit zijn laboratorium Joseph Johnson, Nathan White en Alain Kangabire.
Van isogamie naar anisogamie
Het model van het team begint met isogamie, een oorspronkelijke staat waarin alle geslachtscellen ongeveer even groot waren en er nog geen aparte geslachten bestonden. Het team ontwikkelde vervolgens een eenvoudig wiskundig model om aan te tonen hoe isogamie overging in anisogamie, een toestand waarin de geslachtscellen ofwel heel klein of behoorlijk groot werden - de voorgangers van het sperma en de eicellen die nu geassocieerd worden met de biologische geslachten.
In het model komt anisogamie tevoorschijn door competitie om te overleven in een omgeving met beperkte hulpmiddelen. Geslachtscellen hadden meer kans om te overleven als ze een voorsprong hadden op het vlak van grootte op hun buren, wat leidde tot een wapenwedloop ten voordele van grotere en grotere geslachtscellen.
Dergelijke grote geslachtscellen zijn echter 'duur': organismen konden er niet veel van produceren zonder zelf meer en meer hulpmiddelen nodig te hebben. Ze konden echter wel hun eigen hulpmiddelen behouden door een boel piepkleine, 'goedkope' geslachtscellen te produceren.
"Vroeg in de evolutie, toen geslachtelijke voortplanting verscheen, waren geslachtscellen symmetrisch. Maar dit is waar die symmetrie verbroken wordt", zei Abrams. "En uiteindelijk komen we terecht bij bepaalde organismen die zich specialiseren in grote geslachtscellen en andere die zich specialiseren in kleine geslachtscellen."
Abrams zei dat een mysterie tot hiertoe niet opgelost is, namelijk waarom er nu nog steeds een aantal isogame soorten bestaan. Sommige soorten algen en schimmels bijvoorbeeld planten zich ook nu ofwel aseksueel voort ofwel met symmetrische geslachtscellen.
"Er zijn verschillende theorieën over hoe anisogamie ontstaan is, die teruggaan helemaal tot Charles Darwin", zei Abrams. "Het is heel moeilijk om dergelijke kwesties in de evolutionaire biologie te testen, omdat we alleen de soorten die nu nog bestaan kunnen bestuderen. We kunnen niet zien hoe ze er miljarden jaren geleden uitzagen. Wiskundige modellen kunnen nieuwe inzichten opleveren en een beter begrip."
De studie van Abrams en zijn studenten is gepubliceerd in het Journal of Theoretical Biology. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van Northwestern University.