Mszyce rodzą się w ciąży: zarodki w zarodkach wyjaśnione

Na łodydze róży w czerwcu bezskrzydła zielona mszyca wielkości główki od szpilki wydaje na świat potomstwo — a jej nowo narodzona córka jest już w ciąży. To dziwna, potwierdzona naukowo prawda kryjąca się za stwierdzeniem, że „mszyce rodzą się w ciąży”: młode przychodzą na świat, mając w sobie już rozwijające się zarodki kolejnego pokolenia. Bez jajka. Bez ojca. Bez czekania. Tylko żywa matrioszka matek, rozwijająca się szybciej niż niemal wszystko inne w twoim ogrodzie.

W skrócie: Mszyce rodzą się w ciąży: latem większość z nich rozmnaża się przez żyworodną partenogenezę, rodząc żywe klony bez kopulacji. Każda nienarodzona córka nosi już własne zarodki, mieszcząc trzy pokolenia w jednym ciele. To teleskopowanie pozwala mszycy rozmnożyć się w ciągu około tygodnia. Charles Bonnet jako pierwszy udowodnił dziewicze rodzenie u zwierząt na przykładzie jednej izolowanej mszycy w 1745 roku.

Mszyce rodzą się w ciąży: narodziny, które zawierają już kolejne narodziny

Sprecyzujmy, bo fakt jest jeszcze dziwniejszy niż samo hasło. Wiosną i latem większość mszyc rozmnaża się przez żyworodną partenogenezę — trudny termin, który rozkłada się na dwie proste idee. Partenogeneza oznacza dziewicze rodzenie: bez kopulacji, bez nasienia, potomstwo będące klonami matki. Żyworodność oznacza żywe rodzenie: żadne jajko nie zostaje złożone, na świat wychodzi wijąca się larwa. Połącz te dwie rzeczy, a otrzymasz samicę, która nigdy nie została zapłodniona, wydającą na świat żywe córki, które również nigdy nie zostały zapłodnione.

A teraz zwrot akcji. Wewnątrz tej ciężarnej matki każda rozwijająca się córka zaczęła już formować swoje własne zarodki, zanim jeszcze się urodziła. Pokolenia są ułożone jedno w drugim. Biolodzy nazywają to „teleskopowaniem pokoleń” i to właśnie dlatego pojedyncza mszyca może w ciągu tygodnia przejść od noworodka do babci.

Okazuje się, że popularne hasło jeszcze zaniża rzeczywistość. „Rodzi się w ciąży” jest prawdą — ale ukrywa trzecią laleczkę.

Rosyjska matrioszka po prawdzie: trzy pokolenia w jednym ciele

Większość ilustracji rozmnażania mszyc pokazuje dwie zagnieżdżone postacie: matkę i zwiniętą w niej córkę. Rzeczywistość sięga o jedną warstwę głębiej. Ta nienarodzona córka to nie tylko zarodek — nosi już w sobie komórki płciowe, komórki zalążkowe przyszłych jajeczek, z których powstaną jej własne córki. Tak więc pojedyncza ciężarna mszyca w jednej chwili mieści w sobie własne ciało, swoje rozwijające się córki oraz najwcześniejsze komórki swoich wnuczek. Babcia, matka, wnuczka — trzy pokolenia dzielące jedno małe, zielone ciałko.

To skompresowanie nie jest przypadkowym efektem tłoku. W artykule z 1989 roku opublikowanym w czasopiśmie Functional Ecology ekolodzy Pavel Kindlmann i Anthony Dixon argumentowali, że teleskopowanie to strategia rozwojowa: rozpoczynając formowanie zarodków kolejnego pokolenia wcześnie, mszyca drastycznie skraca czas między kolejnymi porodami. Każda zaoszczędzona godzina mnoży się przez całe lato. Cała ta architektura jest zbudowana pod kątem szybkości.

{IMAGE_2}

A kiedy buduje się ciało pod kątem szybkości i pomija całą ceremonię szukania partnera, arytmetyka szybko robi się przerażająca. Wiktoriański biolog policzył to na papierze, a liczba, do której doszedł, wciąż brzmi jak błąd druku.

Kwintylion Huxleya: arytmetyka, która zaniepokoiła wiktoriańskiego biologa

W 1858 roku Thomas Henry Huxley — najzagorzalszy publiczny obrońca Darwina — opublikował w Transactions of the Linnean Society of London studium na temat rozmnażania mszyc. Bazując na ówczesnych tempach rozrodu, obliczył, co by się stało, gdyby całe potomstwo jednej samicy-założycielki przetrwało. Jego wniosek: jedna zapłodniona mszyca mogłaby, bez żadnego dalszego zapłodnienia, dać początek „kwintylionowi mszyc” — jedynce, po której następuje osiemnaście zer.

Aby to uzmysłowić, Huxley sięgnął po ludzką miarę. „To bardzo tęgi mężczyzna, który waży dwa miliony ziaren” — napisał, a potem dodał zdanie, które go przeżyło: samo dziesiąte pokolenie, gdyby wszyscy jego przedstawiciele przetrwali, „zawiera więcej materii niż 500 000 000 tęgich mężczyzn”. Dziesiąte pokolenie jednej mszycy przewyższyłoby wagą populację całego kontynentu.

Współczesna matematyka przemysłowa ląduje w tej samej przerażającej okolicy. Firma rolnicza BASF oszacowała, że w idealnych, niczym nieograniczonych warunkach jedna mszyca mogłaby teoretycznie zapoczątkować około 600 miliardów potomków w ciągu jednego roku. Obie liczby są hipotetyczne — nic na Ziemi nie pozwala przeżyć każdej mszycy — ale odpowiadają na pytanie, którego unikają popularne filmiki. Ile ich jest? Nie „dużo”. Liczba z co najmniej dwunastoma zerami.

Genewa, 1745: jedna larwa, jeden szklany słoik i pierwszy dowód dziewiczego rodzenia

Na długo przed genetyką, dwudziestokilkuletni przyrodnik Charles Bonnet postanowił rozstrzygnąć spór poprzez obserwację. W Genewie odizolował pojedynczą nowo narodzoną mszycę pod szkłem — odciętą od jakiegokolwiek potencjalnego partnera — i obserwował ją, posiłek po posiłku, dzień po dniu. Mszyca, samotna i nietknięta, mimo to wydała na świat potomstwo. Przez około miesiąc Bonnet rejestrował pojawianie się kolejnych pokoleń z dziewiczego owada.

Był to pierwszy eksperymentalny dowód partenogenezy u zwierzęcia, opublikowany w jego dziele Traité d’insectologie z 1745 roku. I oto cicho zachwycająca część: to 280-letni eksperyment, który ciekawa osoba może powtórzyć do dziś. Odizoluj jedną larwę mszycy, trzymaj ją nakarmioną i samotną, i obserwuj. Bez laboratorium, bez licencji — wystarczy cierpliwość i lupa. Metoda Bonneta była całym odkryciem.

Dziewicze rodzenie nie jest zresztą wyłączną cechą mszyc. Pojawia się w dziwniejszych miejscach królestwa zwierząt niż krzew róży — w tym w słynnym przypadku, gdy płaszczka wydawała się zajść w ciążę bez partnera w swoim zbiorniku. Mszyce po prostu uczyniły z tego swoje domyślne ustawienie.

Pasażer, który nigdy nie wysiada: Buchnera i 160 milionów lat w tych samych komórkach

Oto ukryta postać, o której nie wspomina żaden poradnik ogrodniczy. Każda mszyca nosi w sobie żywą bakterię, Buchnera aphidicola, umieszczoną w wyspecjalizowanych komórkach zwanych bakteriocytami. Mszyce piją sok floemowy — bogaty w cukry, ale rozpaczliwie ubogi w niezbędne aminokwasy, których owad nie potrafi sam wytworzyć. Buchnera je produkuje. Bez bakterii mszyca głoduje mimo pełnego żołądka; bez mszycy bakteria nie może już przetrwać samodzielnie. Żadna ze stron nie jest kompletna sama w sobie.

Badania podsumowane przez mikrobiologa Paula Baumanna i współpracowników w Annual Review of Microbiology datują to partnerstwo na mniej więcej 160 milionów lat — obie linie ewolucyjne są nierozłączne od czasów dinozaurów. A ponieważ mszyca rozmnaża się, upychając żywe zarodki w swoim ciele, przekazuje dalej nie tylko geny. Pakuje Buchnera bezpośrednio do każdego zarodka jeszcze przed narodzinami. Bakteria jest dziedziczona podobnie jak kolor oczu: dołączana do kolejnej mszycy, już na pokładzie, pokolenie po pokoleniu, dłużej niż rośliny kwiatowe dominują na lądzie.

Licząc noce: jak letnie klony nagle przypominają sobie o seksie

Jeśli mszyce to same żeńskie klony, skąd biorą się samce? Bo jesienią się pojawiają.

Bodźcem nie jest temperatura ani kalendarz. To ciemność. Wraz z gasnącym latem mszyce mierzą wydłużający się okres nocny — skotoperiod, nie długość dnia — i po serii wystarczająco długich nocy klonalne matki zmieniają to, co produkują. Nagle wydają na świat samce oraz płciowe, jajorodne samice. Te dwie formy łączą się w tradycyjny sposób, a samica składa zapłodnione, twardoskorupowe jajo zbudowane tak, by przetrwać zimę — jajo diapauzujące, które przeczekuje chłody i wiosną wykluwa nową samicę-założycielkę. Cała klonalna letnia armia zwija się z powrotem w jedno zimujące jajo.

To, jak ten przełącznik jest odczytywany na poziomie molekularnym, opisano w badaniu z 2009 roku opublikowanym w BMC Genomics przez Gaëla Le Trionnaire’a i współpracowników, śledzącym zmiany aktywności genów i białek, gdy mszyca grochowa przełącza się z trybu bezpłciowego na płciowy. To, szczerze mówiąc, najlepszy zwrot akcji w biologii owadów — stworzenie, które całe lato spędza jako identyczne córki, a potem, na sygnał czystej ciemności, na nowo wynajduje seks, by zbudować ziarno na kolejny rok.

Dlaczego twoje róże mimo to przeżywają: biedronka, złotook i osa w środku

Po przeczytaniu powyższych liczb oczywiste pytanie brzmi: dlaczego nie brodzimy po kolana w mszycach? Odpowiedzią jest stała armia drapieżników, która traktuje kolonię mszyc jak bufet all-you-can-eat. Larwy biedronek — kolczaste, przypominające aligatory stworzonka niepodobne do schludnych dorosłych osobników — potrafią zjeść po kilkaset mszyc każda. Larwy złotooka pospolitego, przezywane „lwami mszyc”, robią to samo. Larwy bzygowatych żerują na kolonii od spodu.

A potem jest jeszcze cicho makabryczna osa-parazytoid. Samica osy z rodzaju Aphidius ląduje na mszycy, zwija odwłok pod spodem i wstrzykuje pojedyncze jajo wewnątrz żywego owada. Larwa rozwija się w środku, wydrążając mszycę od wewnątrz, aż jej ciało stwardnieje w papierowatą, brązową skorupkę — „mumię” — z zapieczętowaną wewnątrz kolejną osą. Entomolog Ian Grettenberger z UC Davis, cytowany w programie Deep Look stacji KQED, zwrócił uwagę, jak duża część tej kontroli zachodzi niewidocznie, w terenie, zanim ogrodnik w ogóle sięgnie po opryskiwacz.

Ta równowaga to prawdziwa historia i warto powiedzieć to wprost: inwazja mszyc rzadko jest kryzysem, który trzeba zniwelować chemią — to raczej fala pokarmowa, na którą drapieżniki ogrodu zazwyczaj już odpowiadają.

Co przepisuje na nowo ciężarny noworodek

Odrzuć hasło, a mszyca cicho obala kilka rzeczy, które uważamy za uniwersalne. Że rozmnażanie wymaga dwojga rodziców — nie. Że samica musi dojrzeć, zanim będzie mogła nosić młode — nie. Że zwierzę jest pojedynczym organizmem, a nie linią rodową zagnieżdżoną samą w sobie — też, wspaniale, nie. Mszyca to łańcuch matek złożony w jedno ciało, noszący 160-milionoletnią bakterię, zdolny eksplodować do miliardów, a potem, na sygnał ciemności, spakować całe lato z powrotem w jedno jajo.

Następnym razem, gdy strącisz kolonię z róży, warto spojrzeć jeszcze raz. Ta pełzająca zielona smuga prowadzi jeden z najszybszych, najstarszych i najściślej zaprojektowanych systemów rozrodczych na planecie — a każdy noworodek w niej niesie już w sobie kolejne pokolenie.

Najczęściej zadawane pytania

Czy mszyce naprawdę rodzą się w ciąży? Tak. Przez większość roku samice mszyc rozmnażają się przez żyworodną partenogenezę — żywe rodzenie bez kopulacji — a rozwijające się córki zaczynają formować własne zarodki, zanim jeszcze się urodzą. Noworodki naprawdę przychodzą na świat, nosząc już w sobie kolejne pokolenie.

Ile pokoleń mszyc pojawia się w ciągu roku? Zależy to od gatunku i klimatu, ale liczby są duże: u mszycy kapuścianej (Brevicoryne brassicae) odnotowano nawet 41 pokoleń w jednym sezonie, a wiele gatunków wydaje nowe pokolenie mniej więcej co tydzień w ciepłej pogodzie.

Czy mszyce kiedykolwiek się kopulują? Tak — jesienią. Długie noce wywołują u klonalnych matek produkcję samców i płciowych samic, które łączą się w pary i składają odporne, zapłodnione jajo, które przetrwa zimę i wykluje nową założycielkę wiosną.

Dlaczego mszyce mają w sobie bakterie? Bakteria zwana Buchnera aphidicola żyje w wyspecjalizowanych komórkach mszyc i wytwarza niezbędne aminokwasy, których brakuje w soku roślinnym. Obie strony są od siebie zależne od około 160 milionów lat; bez Buchnera mszyca nie może przeżyć.

Źródła i uwagi

• Huxley, T.H. (1858). „On the agamic reproduction and morphology of Aphis,” Transactions of the Linnean Society of London — obliczenia dotyczące „kwintyliona” / „500 milionów tęgich mężczyzn”.
• Kindlmann, P. i Dixon, A.F.G. (1989). „Developmental constraints in the evolution of reproductive strategies: telescoping of generations in parthenogenetic aphids,” Functional Ecology.
• Baumann, P. i in., Annual Review of Microbiology — endosymbioza Buchnera aphidicola datowana na około 160 milionów lat.
• Le Trionnaire, G. i in. (2009). „Transcriptomic and proteomic analyses of seasonal photoperiodism in the pea aphid,” BMC Genomics.
• Bonnet, C. (1745). Traité d’insectologie — pierwszy eksperymentalny dowód partenogenezy u zwierzęcia.
• Raport BASF Agriculture na temat potencjału rozrodczego mszyc; Ian Grettenberger, UC Davis, Department of Entomology and Nematology, w programie KQED Deep Look.

Mszycę łatwo rozgnieść i łatwo zlekceważyć, a mimo to może być najciszej radykalnym zwierzęciem w ogrodzie — noworodkiem, który nosi już w sobie swoje wnuczki, dziewiczą linią rodową liczniejszą niż armie, partnerstwem z bakterią starszą niż kwiaty, którymi się żywi. Przyjrzyj się zwyczajności wystarczająco uważnie, a przestanie być zwyczajna.

Frequently Asked Questions

Q: Czy mszyce naprawdę rodzą się w ciąży?

Tak, i jest to jeszcze dziwniejsze, niż sugeruje samo hasło. Wiosną i latem większość mszyc rozmnaża się przez żyworodną partenogenezę — dziewicze rodzenie żywych młodych, będących klonami matki. Wewnątrz ciężarnej mszycy każda rozwijająca się córka zaczęła już formować własne zarodki, zanim się urodziła. Tak więc jedna mszyca może jednocześnie zawierać własne ciało, swoje córki oraz komórki zalążkowe swoich wnuczek — trzy pokolenia w jednym małym ciałku.

Q: Czym jest teleskopowanie pokoleń?

To zjawisko układania pokoleń jedno w drugim wewnątrz pojedynczej mszycy. Nienarodzona córka to nie tylko zarodek — nosi już komórki płciowe, z których powstaną jej własne córki. W artykule z 1989 roku w Functional Ecology ekolodzy Pavel Kindlmann i Anthony Dixon argumentowali, że jest to celowa strategia rozwojowa: rozpoczynając formowanie zarodków kolejnego pokolenia wcześnie, mszyca drastycznie skraca czas między porodami, więc każda zaoszczędzona godzina mnoży się przez całe lato.

Q: Jak szybko mogą rozmnażać się mszyce?

Przerażająco szybko. Ponieważ samica rodzi się już w ciąży, może przejść od noworodka do dorosłej, rozmnażającej się osobniczki w ciągu około 7 do 10 dni, a mszyce kapuściane potrafią wyprodukować nawet 41 pokoleń w jednym sezonie. W 1858 roku Thomas Henry Huxley obliczył, że potomstwo jednej mszycy, gdyby wszystko przetrwało, mogłoby osiągnąć kwintylion — jedynkę, po której następuje osiemnaście zer. Firma BASF szacuje, że w idealnych warunkach byłoby to około 600 miliardów potomków rocznie.

Q: Kto jako pierwszy udowodnił, że mszyce mogą się rozmnażać bez kopulacji?

Przyrodnik Charles Bonnet, w Genewie w 1745 roku. Odizolował pojedynczą nowo narodzoną mszycę pod szkłem, odciętą od jakiegokolwiek potencjalnego partnera, i obserwował, jak mimo to wydaje na świat potomstwo — pokolenie po pokoleniu z dziewiczego owada, przez około miesiąc. Opublikowane w jego dziele Traité d’insectologie, było to pierwsze eksperymentalne wykazanie partenogenezy u zwierzęcia, i jest to 280-letni eksperyment, który ciekawa osoba może powtórzyć do dziś.

Ilustracje wygenerowano przy użyciu sztucznej inteligencji. Artykuł zweryfikowany faktograficznie i zredagowany przez człowieka. Nasze standardy redakcyjne.