Niezwykłe ewolucyjne i biologiczne wynalazki żaby Rheobatrachus silus z Australii i projekt Lazarus

Grafika wygenerowana przez AI (Copilot). Jest to więc tylko wyobrażenie żaby gęborodnej.

Biologia jest niezwykle różnorodna. Mnóstwo różnych planów budowy i niezwykłych cyklów życiowych, miliardy różnych przystosować. Jak to spamiętać? Biologia, mimo bogatej faktografii, nie jest nauką pamięciową. Tu też obowiązują uniwersalne prawa przyrody. I to ich zrozumienie jest najważniejsze. Na przykład dwie duże teorie: ewolucji i ekologii, ujawniają sens tak wielkiej różnorodności biologicznej na róznych poziomach organizacji. Wiele razy podejmowany był temat przypadku czy konieczności. I oba elementy w biologii są widoczne. Możemy wskazać bardzo dużo przykładów przypadkowych koincydencji w przebiegu filogenezy, np. zachodzące katastrofy w postaci uderzenia planetoidy. A jednocześnie możemy wskazać wiele przykładów kierunkowego rozwoju. Na przykład konwergencja budowy i dużych nektonicznych zwierząt morskich: rekiny, ichtiozaury, delfiny – mimo różnego pochodzenia osiągnęły podobny kształt i zewnętrzną budowę. To prawa fizyki narzuciły kierunek przypadkowym zmianom i adaptacjom. Podobnie wiele razy niezależnie zwierzęta osiągnęły zdolność lotu. Tak jakby istniała jakaś dolina adaptacji, kierująca tam różnorodne organizmy o ile tylko nisza pozostaje wolna.

Im więcej szukamy i poznajemy, tym więcej dostrzegamy wyjątków. Na przykład szkolny przykład płazów, których stadia młodociane rozwijając się w wodzie (np. kijanki i larwy traszek). Taki cykl życiowy znamy z Europy. Ale poznając ogromy świat przyrody znajdujemy wiele wyjątków. Pozornych. Bo nie wszystkie płazy rozwijają się z wodną kijanką w środowisku poza organizmem matki.

Płazy podawane są za pierwsze kręgowce, które „wyszły” na ląd i przystosowały się przynajmniej do okresowego przebywania poza wodą. Ale nie tylko ryby trzonopłetwe "wyszły na ląd" i dały początek lądowym kręgowcom. Drugim przykładem są ryby dwudyszne (przykładem życia na lądzie a nie filogenezy lądowych kręgowców). A i we współcześnie żyjących rybach znajdziemy przykłady poruszania się po lądzie, np. węgorze. Na dłużej na przebywa poza wodą poskoczek mułowy z lasów mangrowych. Innym przykładem jest sumik marmurkowy (Clarias batrachus) znany z "wędrówek" po lądzie. Posiada narząd oddechowy umożliwiający oddychanie powietrzem. Tak więc kilka niezależnych od siebie "wynalazków" ryb do oddychania powietrzem atmosferycznym.

Ale wróćmy do płazów. Płazy wyszły z wody… by do niej szybko powrócić. Oddychanie płucne, wykorzystujące tlen w powietrzu oraz kroczne kończyny służyły pierwszym płazom głównie jako adaptacje do… dyspersji i przemieszczania się po lądzie między izolowanymi zbiornikami wodnymi. Wysychające od czasu do czasu zbiorniki lub te w pełni izolowane wolne były od typowych kręgowcowych mieszkańców wód, jakimi są ryby. Czyli wyjście na ląd jako w pierwszym rzędzie dyspersja i docieranie do zasobnych siedlisk wolnych od drapieżników i konkurentów. Relatywnie małe i izolowane czasowo zbiorniki śródlądowe były atrakcyjne siedliskowo i wolne od konkurentów. Tak ewolucyjnie skolonizowały te zbiorniki owady (i nauczyły się przy okazji fruwać) oraz płazy. Część jednak płazów trwalej skolonizowała suche lądy. Ograniczeniem w cyklu życiowym było uzależnienie rozrodu od środowiska wodnego. I takich procesów uniezależniania się od wody w rozrodzie obserwowaliśmy w filogenezie kilkukrotnie. Wymuszało to m.in. zmianę cyklu życiowego i rezygnację z rozwoju larwalnego (młodzieńczego) w zbiornikach wodnych. Cykl życiowy się uprościł a zbiornik wodny… został zamknięty w jaju (mały, izolowany "zbiornik wodny"). Z czasem ssaki jeszcze bardziej się uniezależniły i przeszły na żyworodność (choć żyworodność występuje także u naszej salamandry plamistej). Już nie jajo rozwijające się poza organizmem, ale pełna „jajożyworodność” (bo taka znana jest u gadów). Owodniowce to grupa kręgowców lądowych (wywodząca się od ziemnowodnych płazów), która wykształciła owodnię – błonę płodową otaczającą zarodek (niejako zamykająca zarodek w małym zbiorniczku wodnym). Ta innowacja biologiczna otworzyła drogę do pełnego uniezależnienia się od wody podczas rozmnażania. Owodniowce (Amniota) to kręgowce, których zarodek rozwija się w jaju lub macicy, otoczony trzema błonami płodowymi: owodnią (amnion) – chroni zarodek przed wysychaniem i urazami, omocznią (allantois) – magazynuje produkty przemiany materii, kosmówką (chorion) – uczestniczy w wymianie gazowej. Do owodniowców należą gady, ptaki oraz ssaki.

Płazy nie tylko jeden raz szukały ewolucyjnego uniezależnienia się od rozrodu w wodzie. Kilka powszechnej znanych przykładów pojawi się na końcu niniejszego tekstu. Na razie chciałbym opisać niezwykły przypadek australijskiego płaza bezogonowego Rheobatrachus silus (możemy roboczo nazwać go żabą). Rheobatrachus silus to żaba, która zamieniła żołądek w kołyskę (ujmując to w dużej przenośni). W świecie płazów, pełnym zadziwiających strategii życia, Rheobatrachus silus zajmuje miejsce absolutnie wyjątkowe. Choć gatunek ten wymarł w latach 80. XX wieku, jego biologia wciąż fascynuje biologów, lekarzy i ekologów. To jeden z najbardziej niezwykłych przykładów ewolucyjnej kreatywności, jaki kiedykolwiek opisano. Na dodatek płaz ten stał sie zaczynem dla niezwykłego projektu naukowego o znamiennej nazwie Lazarus.

Zanim opiszę fenomen naszej bohaterki, przypomnę „standardowy” scenariusz życia płazów. Większość z nich – od naszych rodzimych żab trawnych po rzekotki – prowadzi życie dwuśrodowiskowe, ziemno-wodne. Samica składa jaja w wodzie (stawie, kałuży, wolno płynącym strumieniu). Z jaj wykluwają się kijanki. To małe, wodne organizmy intensywnie się odżywiające, które oddychają skrzelami i poruszają się za pomocą ogona (tak jak ryba). Przeobrażenie czyli metamorfoza zachodzi w czasie opuszczania środowiska wodnego i przejście do życia na lądzie. W trakcie skomplikowanych przemian hormonalnych kijanka traci ogon, wykształca płuca oraz kończyny, by ostatecznie wyjść na ląd jako dorosły osobnik, oddychający powietrzem atmosferycznym i poruszająca się na czterech kończynach.

Taki cykl życiowy ma jednak pewną wadę: jaja i kijanki, rozwijające się w środowisku wodnym, są narażane na zjadanie przez wodne drapieżniki oraz na wysychanie zbiorników wodnych czy nawet na nagłe zmiany temperatury. Czy można inaczej sobie poradzić niż owodniowce (zamknięcie jaja w otoczce, chroniącej przed wysychaniem)?

Na pierwszy rzut oka Rheobatrachus silus (żaba żoładkorodna, żaba gęborodna) nie wyróżniała się szczególnie: niewielka, brunatna, zamieszkująca chłodne, wilgotne strumienie i lasy deszczowe południowego Queensland. Jednak jej cykl życiowy był tak niezwykły, że przez lata uważano go za biologiczną anomalię. Jak większość żab gatunek ten rozmnażał się poprzez zapłodnienie zewnętrzne. Samiec obejmował samicę w ampleksusie, a jaja były zapładniane w wodzie. I tu kończyły się podobieństwa do innych płazów.

Po zapłodnieniu jaj przez samca, samica połykała je. W tym momencie działo się coś, co z punktu widzenia fizjologii znacząco odbiega od powszechnych schematów. Normalnie żołądek to środowisko skrajnie wrogie – wypełnione kwasem solnym (HCl) i enzymami, które rozkładają białka. Służy do trawienia połkniętych zwierząt (bo płazy są drapieżne). Jak to się dzieje, że żaba żołądkorodna nie trawi własnych, połkniętych jaj a potem rozwijających się zarodków? Rozwijające się jaja, a później kijanki, wydzielały prostaglandyny (hormony). Te związki chemiczne wysyłały sygnał do żołądka matki: „Przestań produkować kwas!”. Takie nietypowe rozwiązanie wymusza długotrwały post i korzystanie przez matkę z wcześniej zmagazynowanych zasobów pokarmowych. Przez około 6-7 tygodni inkubacji samica całkowicie przestawała jeść. Jej żołądek przestał pełnić funkcję trawienną, stając się bezpiecznym, ciepłym inkubatorem. Niejako na nowo wynalezioną niby-owodnię

W miarę jak kijanki rosły, żołądek samicy powiększał się do nieprawdopodobnych rozmiarów. Pod koniec procesu wypełniał on niemal całą jamę ciała, spychając inne narządy na bok i uciskając płuca. Samica musiała wtedy polegać niemal wyłącznie na wymianie gazowej przez skórę. Na koniec tej dziwnej „ciąży” samica szeroko otwierała pysk, a z jej wnętrza wyskakiwały w pełni uformowane, miniaturowe żabki. Gdy młode osiągały stadium miniaturowych żab, samica regurgitowała je, a one opuszczały jej ciało przez pysk. To jedyny znany przypadek u kręgowców, w którym cały rozwój odbywa się w żołądku, a poród następuje przez jamę ustną. Dlaczego piszę w czasie przeszłym o żabie geborodnej? Bo gatunek ten najpewniej już wyginął.

Dlaczego przypadek Rheobatrachus jest tak ważny dla biologów? Ponieważ stanowi dowód na to, że wyjście kręgowców na ląd nie było jednorazowym aktem, który zakończył się miliony lat temu. To trwający proces, a ewolucja ciągle „szuka” nowych sposobów na całkowite uniezależnienie się od wody. U żab żołądkorodnych widzimy próbę ominięcia niebezpiecznego stadium wolnożyjącej kijanki. Zamiast zostawiać dzieci w niebezpiecznym strumieniu, matka zamieniła się w mobilny, lądowy inkubator. Choć gatunek ten uznaje się dziś za wymarły (prawdopodobnie przez grzyba Batrachochytrium dendrobatidis), pozostaje on dla nas lekcją, że życie potrafi zaadaptować nawet najbardziej nieoczywiste narządy do nowych funkcji zyciowych.

Płazy znane są z różnorodności strategii rozrodczych: od noszenia jaj na plecach po inkubację w workach skórnych. Jednak Rheobatrachus silus wyróżnia się na kilka sposobów. Żaden inny płaz nie wykorzystuje żołądka jako miejsca rozwoju potomstwa, żaden inny kręgowiec nie potrafi czasowo wyłączyć trawienia na taką skalę oraz żaden inny gatunek nie rodzi młodych przez pysk po pełnym rozwoju larwalnym.

Na koniec warto wspomnieć o innych gatunkach płazów, które rozmnażają się przynajmniej częściowo poza typowymi zbiornikami wodnymi.

1. Alytes obstetricans – pętówka babienica. Samiec owija jaja wokół tylnych nóg i nosi je aż do wyklucia. Wylęg jaj następuje w wodzie. Nazwa pętówka pochodzi stąd, że samiec, opiekując się potomstwem, owija dookoła tylnych nóg złożony przez samicę skrzek, który ma postać sznura. W okresie opieki nad potomstwem samiec jest więc jakby „spętany”.

2. Rhinoderma darwinii – gardłoród Darwina. Samiec połyka kijanki i inkubuje je w workach głosowych (ale nie w żołądku!). Samica składa kilka dużych jaja samiec je połyka. Jaja (z reguły dwa) umieszczane są w workach rezonacyjnych. Tam wykluwają się i przechodzą metamorfozę kijanki, a schronienie opuszczają mierzące prawie centymetr żabki. Podobieństwem do australijskiej żaby żołądkorodnej jest to, że gardłoród Darwina też żyje w wodach płynących. Tak więc sposób wychowu potomstwa stanowi przystosowanie do skrajnego dla płazów środowiska. Kijanki nie miałyby szans rozwoju w szybko płynącej wodzie. Może więc oba gatunki płazów ze swą niezwykłą strategią rozrodczą to przystosowanie do życia w wodach bieżących a nie środowiska lądowego jako takiego?

3. Pipa pipa – grzbietoród amerykański, żaba szponiasta. Samica nosi jaja w zagłębieniach skóry na grzbiecie. Samica umieszcza zapłodnione jaja na swoim grzbiecie. Nabrzmiała skóra, bogata w naczynia krwionośne, tworzy wokół przyklejonych jaj specjalne jamki. Już po 10 dniach po jajach nie ma śladu bo skóra całkowicie je obrasta. Rozwój jaj jest długi, w międzyczasie rozwijają się kijanki, które jednak nadal żyją w skórze samicy. Wreszcie po 3-4 miesiącach młode, świeżo przeobrażone grzbietorody opuszczają jamki w skórze samicy i rozpoczynają samodzielne życie. Wkrótce samica przechodzi wylinkę i jej skóra znów staje się gładka.

4. Eleutherodactylus coqui – żaba coqui. Żaby coqui należą do rodzaju płazów bezogoniastych, które nie posiadają stadium kijanki i dlatego nie wymagają zbiornika wodnego do rozmnażania. Samica składa jaja na wilgotnym mchu lub ściółce, albo wewnątrz zwiniętego lub złożonego liścia, a jajami opiekuje się samiec, który utrzymuje je w wilgoci aż do wyklucia. Wylęgają się od razu małe żabki

5. Hemiphractus fasciatus – żaba drzewna pręgowana lub ropucha hełmiasta (bogactwo płazów bezogoniastych jest ogromne i brakuje nam polskich odpowiedników, stąd wszystkie nazywamy żabami, ropuchami, rzekotkami). Samica tego płaza nosi jaja w kapsule skórnej na grzbiecie aż do wyklucia się. Rozwój jest prosty, a młode osobniki wyłaniają się jako w pełni rozwinięte żabki.

6. Drzewołazy (Dendrobatidae). Słynne kolorowe żaby z lasów tropikalnych unikają dużych zbiorników wodnych (pełnych drapieżników), wybierają mikro-akweny. Samica składa jaja w wilgotnym miejscu na lądzie. Gdy wyklują się kijanki, rodzic (często samiec) pozwala im wejść na swój grzbiet. Specjalny śluz sprawia, że młode trzymają się mocno jak w plecaku. Rodzic transportuje je wysoko w korony drzew, gdzie w kątach liści roślin (np. bromelii) gromadzi się woda deszczowa. Każda kijanka dostaje własny „basen”. Takie zbiorniczki roślinne nazywamy fytotelmami. Korzystają z nich także różne owady o wodnych stadium rozwojowym. Ponieważ w takiej małej roślinnej „kałuży” (fytotelmie) zazwyczaj nie ma jedzenia (lub jest bardzo mało), samica regularnie odwiedza swoje dzieci i składa im do wody niezapłodnione jaja, które służą kijankom za wysokobiałkowy pokarm. Taki analog ssaczego mleka do karmienia młodych. 

Z punktu widzenia biologii, każda z tych strategii to inwestycja typu "jakość ponad ilość" (w ekologii używa sie terminów strategia K i r lub oportuniści i specjalisci). Klasyczne żaby składają tysiące jaj, licząc na to, że przeżyje chociaż kilka. Płazy takie jak Pipa pipa czy żaby Darwina składają ich znacznie mniej, ale dzięki opiece nad potomstwem zwiększają szansę każdego osobnika na przetrwanie. Podobnie jest z owodniowcami, gady i ptaki składają zazwyczaj niewiele jaj. A u ssaków jednorazowa ciąża obejmuje zazwyczaj najwyżej kilka płodów.

Ląd był dla płazów wyzwaniem, które wymusiło na nich stanie się troskliwymi rodzicami. A ewolucyjnie zaowocowało to znacznie liczniejszymi lądowymi gatunkami gadów, ptaków i płazów. Co nie przekreśliło kolejnych prób uniezależniania się od środowiska wodnego w rozwoju osobniczym.

Historia Rheobatrachus silus to nie tylko opowieść o niezwykłej biologii. To także przypomnienie, jak łatwo można utracić unikatowe linie ewolucyjne. Każdy gatunek płaza, który znika, zabiera ze sobą niepowtarzalny zestaw adaptacji – często takich, których nie potrafimy nawet w pełni zrozumieć.

Jak już wspomniałem Rheobatrachus silus, to płaz, który najprawdopodobniej wyginął z powodu chorobotwórczego grzyba. Ta sama przyczyna zagraża i płazom w wielu innych miejscach świata. Pora więc przejść do niezwykłego projektu badawczego o jakże znamiennej nazwie. Projekt Lazarus (nazwany na cześć biblijnego Łazarza) to jedna z najbardziej ambitnych prób tzw. de-extinction, czyli „wskrzeszenia” wymarłego gatunku. Zespół naukowców pod kierunkiem profesora Mike'a Archera z University of New South Wales w Australii próbuje przywrócić przyrodzie i ludzkości utracone dziedzictwo różnorodności biologicznej.

Kluczem do całego projektu był przypadek i dalekowzroczność biologa Mike'a Tylera. Zanim Rheobatrachus silus ostatecznie wyginęła w latach 80., Tyler zamroził tkanki kilku osobników w temperaturze -196°C. Choć komórki były martwe, ich DNA przetrwało w stanie nienaruszonym przez ponad 30 lat. Naukowcy nie posiadają żywych plemników ani jajeczek żaby żołądkorodnej, więc muszą posłużyć się techniką, która dała nam owieczkę Dolly. Proces wygląda następująco. Naukowcy biorą jaja od żyjącego, dalekiego krewnego, np. żaby z gatunku Mixophyes fasciolatus (żaba wielka). Z jaja tejże żaby usuwa się jego własne jądro komórkowe (czyli usuwa się „oprogramowanie” żyjącego gatunku). Do tak przygotowanego pustego jaja wstrzykuje się jądro komórkowe pobrane z rozmrożonej tkanki wymarłej Rheobatrachus silus. Po setkach prób, w 2013 roku zespół ogłosił sukces: jajo zaczęło się dzielić! Powstał embrion, który zawierał genetyczne DNA wyłącznie wymarłej żaby. Naukowcy obserwowali pod mikroskopem, jak formuje się blastula. To był pierwszy raz w historii, kiedy udało się zmusić martwe DNA wymarłego gatunku do ponownej aktywności i podziałów komórkowych.

Mimo że udało się stworzyć embriony, żaden z nich nie dotrwał do stadium kijanki. Proces zatrzymuje się na wczesnym etapie rozwoju zarodkowego. Dlaczego? Jajo żaby-gospodarza (cytoplazma i mitochondria) może nie „rozumieć” wszystkich instrukcji przesyłanych przez DNA wymarłej żaby. To zwykła niekompatybilność materiału genetycznego z jądra z zawartością cytoplazmy i mitochondriów „dawcy”. Ponadto nawet w zamrażarce DNA z czasem ulega drobnej fragmentacji, co może blokować krytyczne etapy rozwoju.

Projekt Lazarus budzi kontrowersje, ale naukowcy argumentują, że mamy wobec tej żaby dług moralny. To człowiek (poprzez zawleczenie chorobotwórczego grzyba i niszczenie siedlisk) doprowadził do jej wyginięcia. Jeśli uda się wskrzesić Rheobatrachus silus, zyskamy nie tylko unikalne zwierzę, ale też zrozumiemy, jak żaba wyłącza kwas żołądkowy, mogłoby zrewolucjonizować leczenie wrzodów u ludzi. Ponadto technikę tę można by stosować do ratowania gatunków, które są na krawędzi wymarcia dziś, mając jeszcze "świeży" materiał genetyczny.

Projekt Lazarus trwa nadal i z każdą próbą naukowcy są o krok bliżej momentu, w którym z ust matki-zastępczej wyskoczy pierwsza od lat żabka żołądkorodna. Trzeba także zaprojektować taki inkubator, naśladujący żołądek żaby Rheobatrachus silus. Czy na płazach się skończy?

Grafika z publikacji. Też jak widać generowana przez AI lub malowana przez człowieka. Pierwszą nierealnością jest stanie na wodzie (lustracja z prawej), drugą zjadanie zapłodnionych jaj (jest ich zbyt dużo i część odpływa wraz z nurtem rzeki). Autor grafiki - Christophe Avon. Jest to współczesna rekonstrukcja oparta na starszych danych naukowych.