Dlaczego cykle rozwojowe mszaków i paprotników są takie skomplikowane?

Ilustracja z jakiegoś podręcznika szkolnego z cyklem życiowym i przemianą pokoleń u mszaków. 

Biologia nie jest nauką pamięciową. Biologia odkrywa prawa przyrody a te są logiczne, stałe i ze sobą powiązane. Trzeba więc szukać tych ogólnych praw a nie tylko starać się zapamiętać poszczególne informacje. Bogactwo faktów pozwala analizować i odkrywać te uniwersalne prawa. Mógłbym podkreślić, że teoria ewolucji jak i ekologii znacząco porządkują pozornie chaotyczne bogactwo form życia i ich cykli życiowych. Oczywiście, łatwiej sprawdzić wiedzę faktograficzną niż rozumienie procesów, np. w formie testu. W nauczaniu chodzi jednak o coś więcej. Fakty są jak rzeczy w magazynie, zgromadzone na półkach. W miarę wrastania i edukacji przybywa faktów, potrzeba coraz to nowych półek. Wspomniane rzeczy mogą być zgromadzone przypadkowo, dokładane kolejno jak przybywają. Ale mogą być ułożone wg jakiegoś systemu, spójnego i logicznego (umiejętność klasyfikacji to element inteligencji przyrodniczej). Wtedy łatwo znaleźć to, czego szukamy. A nawet odkryć to, czego nie było, czego sami nie wkładaliśmy. Bo możemy wydedukować. Edukacja to nie tylko dokładanie nowych rzeczy do tego "magazynu" ale często też reorganizacja, porządkowanie, układanie według nowego, lepszego systemu. To szukanie sensu i szeroko rozumianego porządku w przyrodzie. Tak samo jest z pozoru bardzo złożonymi cyklami rozwojowymi i przemianą pokoleń u roślin.

Czasem zatrzymujemy się nad przypadkami jednostkowymi, opisujemy poszczególne gatunki. Ale liczy się całość i proces. Za pomocą pojedynczych przypadków można opowiedzieć cały złożony proces. Rozmnażanie płciowe - po co ono jest, skąd się wzięło i jaki jest jego biologiczny sens? Jak i dlaczego pojawiła się diploidalność i dlaczego w procesie ewolucji obserwujemy przewagę diploidalności nad haploidalnością?  I czy rozmnażanie płciowe możemy jakoś połączyć z pojęciem holobiontów i hologenomu (to już wykracza poza zakres niniejszego wpisu, niniejszej opowieści)?  Czy poznając cykl życiowy mszaków możemy snuć refleksje nad  wspólnotowością w przyrodzie, integracją w środowisku i wzajemnych uzależnieniach różnych gatunków i procesów? Moim zdaniem tak. Poszukiwanie powtarzalnych wzorców w przyrodzie jest ciekawsze niż tylko gromadzenie informacji.

Powstanie ekologii jako nauki było związane z dostrzeżeniem organizmu w jego środowisku. I uzależnienia organizmu od środowiska, ewolucyjnego dopasowania budowy, fizjologii oraz cyklu rozwojowego do środowiska, w którym dany gatunek żyje. Wtedy skomplikowana budowa i cykl życiowy stają się zrozumiałe. Nie są przypadkowe. Do tego dochodzi ewolucja czyli ślad przeszłości i powstawiane form coraz doskonalszych, efektywniejszych, szybciej dostosowujących się do zmian otoczenia. Całość można zawrzeć aforyzmem: "wszystko ze wszystkim i wszystko ze wszystkiego" - wszystko ze wszystkim jest powiązane w przyrodzie i wynika z ewolucji z tego, że powstało z czegoś innego.

Niniejsze rozważania sprowokował wpis w mediach społecznościowych, oburzający się na "nielogiczność" cyklu życiowego i przemiany pokoleń mszaków. Myślę, że wiele osób miało i ma z tym kłopoty. Dla mnie również w czasach szkolnych to było mocno zagmatwane i trudne do zapamiętania. Dopiero po kilku latach studiowania biologii poukładało mi się w szerszym kontekście. Ale na początek cytat z mediów społecznościowych (do ilustracji z podręcznika, zamieszczonej wyżej): 

"Biologia klasa piąta SP. Konia z rzędem temu, kto uzasadni rozpoczynanie cyklu rozmnażania mchu od wypadnięcia zarodnika. Przenosząc to na człowieka, to cykl rozmnażania człowieka trzeba by zacząć od słów: I zapłodniona komórka jajowa zagnieżdża się w ścianie macicy. Po dziewięciu miesiącach wychodzi mały Człowieczek. Po jakichś 30 latach Człowieczek produkuje plemniczki albo komórki jajowe. Potem dochodzi do zapłodnienia i powstaje ta zapłodniona komórka, która była na początku cyklu. Przecież dziecka jak widzimy rosnący mech, to nie spotyka go formie zarodnika tylko formie rosnącej roślinki. Nie prościej byłoby zacząć od tego? Autorzy podręczników to jednak potrafią utrudnić życie uczniom i nauczycielom. A potem się narzeka na podstawę, która czasami jest przeładowana, ale w ilu przypadkach winny jest jednak podręcznik a nie podstawa to już tylko nauczyciele wiedzą (niektórzy)." [mały komentarz - nie można porównywać zarodnika do zapłodnionej komórki czyli zygoty, bo to inne fazy w cyklu życiowym w odniesieniu do haploidalności-diploidalności, Drugą dygresja jest to, że realizuje sie podstawe programowa a nie podręcznik.].

Ważny jest kontekst. Przede wszystkim ewolucyjny i porównawczy. Sam schemat oderwany od całości cykli życiowych innych organizmów może wydawać się dziwny. Ale ma sens i tak powinno być (choć można zaproponować inną kolejność opowiada tego cyklu - tak jak okrąg "zaczyna się" w dowolnym miejscu). W tym podręczniku jest jak najbardziej prawidłowo i sensownie to ujęte. Kłopot może być z tym, że nauczyciel (albo rodzic) nie rozumie sensu i dlatego kiepsko tłumaczy całość zagadnienia. Biorąc za punkt widzenia ssaki czy człowieka początkiem wydaje się zapłodnienie i powstanie zygoty, czyli pojawienie się fazy diploidalnej. Biologia to nauka logiczna a nie pamięciowa. Ten schemat to tylko element tłumaczenia ewolucji i związku organizmu ze środowiskiem. Dlaczego mamy trudności ze zrozumieniem cykli życiowych (już od dziesięcioleci)? Bo zgubiono z oczu sens (albo nie odkryto). Postaram się wyjaśnić i mam nadzieję, że  będzie pomocne przede wszystkim nauczycielom. Ale i uczniom.

W przypadku mszaków wyraźna jest równowaga pokolenia haploidalnego i diploidalnego. U bardziej zaawansowanych ewolucyjnie roślin takich jak paprotniki i rośliny nasienne, przeważa wyraźnie pokolenie diploidalne (co zaznaczono na niżej zamieszczonych schematach). Natomiast u człowieka znacząca jest przewaga fazy diploidalnej. Można postawić pytanie, dlaczego ewolucja preferuje diploidalność w cyklu życiowym? 

W przypadku mszaków trzeba zestawić cykle życiowe glonów, mszaków, paprotników i roślin nasiennych. Trend jest bardzo widoczny. I w takim kontekście warto omawiać cykl życiowy mszaków. Oderwany od całości wydaje się zagmatwany i niezrozumiały.

Ale zacznijmy od szukania czegoś wspólnego dla wszystkich organizmów żywych. I pojawienia się procesów płciowych. Ewolucja opiera się na zmienności genetycznej. Ta powstaje powoli i w różny sposób: poprzez pojedyncze mutacje lub łączenie się i reorganizację. U prokariontów, a więc najbardziej pierwotnych organizmów komórkowych, dostrzeżono ruchome elementy genetyczne, np. plazmidy. To takie małe fragmenty DNA, które mogą być przekazywane z komórki do komórki. W rezultacie biorca otrzymuje nową zmienność i ma większe szanse na dostosowanie się do zmiennego środowiska, w którym żyje. U jednokomórkowych eukariontów zaobserwowano bardziej zaawansowane procesy wymiany i rekombinacji materiału genetycznego, np. koniugacja u pantofelka (przykład ze szkolnych podręczników). Na moment łączą się komórki ze sobą, niejako duplikują, i wymieniają fragmentami homologicznymi DNA. Można powiedzieć, że to prekursor zapłodnienia i procesu płciowego. Tak zapewne powstała niezwykle ważna mejoza. Bo jeśli łączą się ze sobą komórki to materiał genetyczny jest zduplikowany. I gdyby kolejny raz taki proces nastąpił to w potomnym organizmie byłoby 4 razy więcej DNA. I tak w nieskończoność. Jak powrócić do stanu wyjściowego? Tym sposobem jest mejoza, podział redukujący ilość DNA. Najpierw łączyć by potem znowu podzielić? Zyskiem jest rekombinacja, przemieszanie materiału genetycznego. Zatem najważniejszym sensem rozmnażania płciowego i analogicznych do niego procesów płciowych, jest przede wszystkim rekombinacja, skutkiem której jest większa różnorodność. A to daje szanse na szybszą ewolucję i szybsze dostosowanie do ciągle zmieniającego się środowiska (w tym obecności innych gatunków).

Pojedynczy zestaw DNA to faza haploidalna (1 n). Zduplikowany to faza diploidalna (2 n). Za pierwotną ewolucyjnie należy uznać fazę haploidalną. Na początku faza diploidalna to krótki epizod w cyklu życiowym organizmów żywych. W toku ewolucji obserwować możemy systematyczne wydłużanie się fazy diploidalne, zarówno u roślin, grzybów jak i u zwierząt. Dobrze oddaje to poniższy schemat:

Schemat przemiany fazy diploidalnej i haploidalnej w cyklach życiowych różnych organizmów.
czytaj więcej https://profesorskiegadanie.blogspot.com/2021/03/czy-u-workowcow-wystepuja-mejospory.html

Dlaczego? Bo faza diploidalna ma dwa homologiczne zestawy genów. W obu zestawach mogą znajdować się różne allele tego samego genu. Jeśli jeden jest "zepsuty", to działa drugi. Ale w komórce gromadzi się większa różnorodność, z której może "wybierać" ewolucja. Przewagą fazy diploidalnej jest większa różnorodność genetyczna.  Niżej przykład cyklu rozwojowego u brunatnic, widzimy gatunki o jednakowym wyglądzie fazy haploidalenj i diploodalnej oraz gatunki z przewagą (wielkości) fazy diploidalne (sporofit):

Schemat wg I.Rejment-Grochowksiej "Cykle rozwojowe roślin".

Wróćmy do mszaków i ich cyklu życiowego, na tle cykli życiowych glonów oraz roślin nasiennych:

Schemat wg I.Rejment-Grochowksiej "Cykle rozwojowe roślin".

Opis do schematu wyżej.

Zarówno wśród glonów jak i roślin naczyniowych widać uporządkowanie według kryterium długości fazy haploidalnej i diploidalnej (gametofit, sporofit). Schemat próbujący ująć ogólne procesy ewolucji i filogenezy. Próba znalezienia sensu w ogromnej różnorodności świata żywego. A opis cyklu życiowego ma być ujednolicony dla różnych grup, by łatwiej było porównywać i doszukiwać się praw ogólnych. Dlatego w podręczniku cykl życiowy mszaków zaczyna się od zarodnika. Tak jak opis każdego zwierzęcia zaczyna się od głowy (jeśli ją ma) i biegnie do drugiego końca ciała. Przyjęty standard ułatwia porównywanie budowy różnych zwierząt. To próba zaprowadzania porządku w "magazynie" z gromadzonymi rzeczami.

W biologii (i nauczaniu biologii) gromadzimy i prezentujemy dużą różnorodność faktów, opisów, pojęć nie tylko z kolekcjonerskiego punktu widzenia a przede wszystkim by szukać praw ogólnych. Zrozumienie procesów jest ważniejsze od zapamiętania pojedynczych faktów. Pojedyncze fakty łatwo odszukać w książkach i Internecie. Znacznie trudniej jest ze zrozumieniem zachodzących procesów. 

I przykład bardziej uniwersalny, pokazujący grzyby, rośliny i zwierzęta:

Schemat przemiany pokoleń, za najbardziej pierwotne należy uznać te z prawej strony, występujące u grzybów i części protistów. Długość fazy zaznaczono wielkością kół - dodatkowo zaznaczyłem fazę haploidalną kolorem niebieskim, fazę diploidalną kolorem czerwony. Na schemacie bardzo poglądowo zaznaczono dwa kluczowe momenty: zapłodnienie i mejozę (wg. Biologii Campbella 2021, nieco zmienione).

A na koniec starsza książka z zebranymi cyklami życiowymi. Jeszcze stara systematyka więc znajdą się cykle życiowe nie tylko roślin ale i grzybów oraz "glonów" (protistów fotosyntetyzujących), dawniej uważanych za rośliny. Nowe fakty, nowe przemyślenia i nowe uogólnienia powodują zmiany w podręcznikach. Bo porządkują zebrane fakty wg nieco innych kryteriów.