چگونه ماده‌های برخی گونه‌ها بدون نر تولیدمثل می‌کنند؟

اژدهای آبی آسیایی (گونه‌ای مارمولک) در باغ‌وحش ملی اسمیتسونین در واشینگتن از تخم متولد شد و نگهبانانش شوکه شدند. دلیل تعجب آن‌ها این بود که مادرش هرگز با اژدهای آبی نر نبود. دانشمندان باغ‌وحش ازطریق آزمایش ژنتیکی کشف کردند ماده‌ای که به‌تازگی از تخم در‌آمده است (۲۴ آگوست ۲۰۱۶)، ازطریق نوعی فرایند تولیدمثلی به‌نام بکرزایی (پارتنوژنز) تولید شده است. پارتنوژنز واژه‌ای یونانی به‌معنای بکرآفرینی است؛ اما به‌صورت خاص به تولیدمثل غیرجنسی ماده اشاره می‌کند.

درحالی‌که بسیاری از افراد ممکن است تصور کنند بکرزایی در قلمرو داستان‌های علمی‌تخیلی یا متون مذهبی است، این رفتار به‌طور‌شگفت‌آوری در سراسر درخت حیات رایج است و در بسیاری از موجودات، مانند گیاه‌ها، حشره‌ها، ماهی‌ها، خزنده‌ها و حتی پرنده‌ها دیده می‌شود. ازآنجاکه پستانداران، ازجمله انسان‌ها به ژن‌های خاصی نیاز دارند که از اسپرم می‌آید، نمی‌توانند بکرزایی کنند.

در تولیدمثل جنسی، یک نر و یک ماده شرکت دارند که هر‌یک از آن‌ها ماده‌ی ژنتیکی را به‌شکل تخمک یا اسپرم فراهم می‌کند تا فرزند منحصر‌به‌فردی ایجاد کنند. تولیدمثل در بیشتر گونه‌های جانوری به روش جنسی اتفاق می‌افتد؛ اما ماده‌های برخی گونه‌ها تخم‌هایی تولید می‌کنند که حاوی تمامی ماده‌ی ژنتیکی مورد‌نیاز برای تولیدمثل است. ماده‌های این گونه‌ها شامل برخی وسپ‌ها و سخت‌پوستان و مارمولک‌ها هستند که فقط ازطریق بکرزایی تولیدمثل می‌کنند و به آن‌ها بکرزای اجباری گفته می‌شود.

نمونه‌هایی از گونه‌های مختلفی که غیراجباری بکرزایی می‌کنند، به بهترین شکل در جانورانی نشان داده شده است که در باغ‌وحش‌ها نگه‌داری می‌شوند. برخی از این نمونه‌ها عبارت‌اند از: اژدهای آبی آسیایی در باغ‌وحش ملی اسمیتسونین یا کوسه‌ی باله‌سیاه کوچک در آکواریوم ویرجینیا.

جانوران دارای ویژگی بکرزایی غیراجباری معمولا به روش جنسی تولیدمثل می‌کنند؛ ولی ممکن است گاهی چرخه‌هایی داشته باشند که حاصلش تخم‌هایی آماده‌ی رشد باشد. دانشمندان آموخته‌اند بکرزایی غیراجباری ممکن است صفتی توارثی باشد؛ یعنی احتمالِ داشتن فرزندان ماده‌ی دارای توانایی بکرزایی در ماده‌هایی بیشتر است که بکرزایی را تجربه می‌کنند.

برای اینکه بکرزایی اتفاق افتد، باید زنجیره‌ای از وقایع سلولی با موفقیت انجام شود: ۱. ماده‌ها باید بتوانند بدون تحریک ناشی ‌از اسپرم یا جفت‌گیری، تخمک‌گذاری (اووژنز) انجام دهد؛ ۲. تخمک‌های تولیدشده به‌وسیله‌ی ماده‌ها باید به‌خودی‌خود شروع به رشد کنند و رویانی تشکیل دهند که قدرت رشد داشته باشند؛ ۳. فرزند حاصل باید بتواند با موفقیت از تخم متولد شود.

هر مرحله از این فرایند به‌ویژه مرحله‌ی دوم که به مضاعف‌شدن کروموزوم‌های درون تخم نیاز دارد تا فرزند در‌حال‌رشد مجموعه‌ی کاملی از ژن‌ها را داشته باشد، می‌تواند به‌راحتی با شکست رو‌به‌رو شود. به روش دیگر، تخمک می‌تواند با سلول‌های باقی‌مانده از فرایند تولید تخمک که اجسام قطبی نامیده می‌شوند، به‌طورکاذب بارور شود. هریک از این روش‌ها که آغازگر رشد رویان باشد، درنهایت میزان شباهت ژنتیکی میان مادر و فرزند را تعیین می‌کند.

رویدادهای که موجب آغاز بکرزایی می‌شوند، کاملا درک نشده‌اند؛ ولی به‌نظر می‌رسد تغییرات محیطی در این فرایند نقش داشته باشد. در گونه‌هایی مانند شته‌ها که توانایی تولیدمثل جنسی و بکرزایی دارند، عوامل استرس‌زایی نظیر ازدحام و شکار ممکن است موجب شود ماده‌ها از بکرزایی به تولیدمثل جنسی روی آورند؛ ولی برعکس آن رخ نمی‌دهد. به‌نظر می‌رسد حداقل در نوعی پلانکتون آب شیرین، شوری زیادی موجب این تغییر رفتار شود.

هیولای هیلای دم‌شلاقی خال‌دار (Aspidoscelis flagellicauda) یکی از چند گونه‌ی تماما ماده از مارمولک‌های دم‌شلاقی است که ازطریق بکرزایی تولیدمثل می‌کند

گرچه به‌نظر می‌رسد بکرزایی غیراجباری نادر باشد، مزایایی برای ماده‌ی دارای این قابلیت به‌همراه دارد. در برخی مواقع، به ماده‌ها امکان می‌دهد شرکای جفت‌گیری خود را تولید کنند. جنس فرزندان حاصل از بکرزایی به همان روشی تعیین می‌شود که جنس در خود گونه مشخص می‌شود. برای ارگانیسم‌هایی که در آن‌ها جنس با کروموزوم‌ها تعیین می‌شود، مانند کروموزوم‌های (ماده XX و نر XY در برخی حشره‌ها و ماهی‌ها و خزنده‌ها) ماده‌ی بکرزا فرزندان خود را فقط با استفاده از کرموزوم‌های جنسی‌اش تولید می‌کند؛ بنابراین، فرزندان او همیشه ماده XX هستند. درمقابل، برای موجوداتی که در آن‌ها ماده‌ها کروموزوم‌های جنسی ZW دارند (مانند مارها و پرنده‌ها)، تمام فرزندان زنده‌ای که تولید می‌شوند یا ZZ و نر یا به‌طور بسیار نادرتر WW و ماده خواهند بود.

بین سال‌های ۱۹۹۷ تا ۱۹۹۹، مار بندجورابی شطرنجی که در باغ‌وحش فونیکس در آریزونا نگه‌داری می‌شد، دو فرزند نر به‌دنیا آورد که درنهایت تا بزرگ‌سالی زنده ماندند. اگر ماده‌ای با نری جفت‌گیری کند که ازطریق بکرزایی تولید کرده‌، به‌منزله‌ی درون‌زایی است. در‌حالی‌که درون‌زایی می‌تواند به مشکلات ژنتیکی زیادی منجر شود، از دیدگاه تکاملی بهتر از نداشتن فرزند است.

پژوهش‌های کنونی درمورد بکرزایی به‌دنبال درک این موضوع است که چرا برخی گونه‌ها می‌توانند هم تولیدمثل جنسی و هم بکرزایی داشته باشند و اینکه آیا تولیدمثل جنسی گاه‌گاه، برای بقای گونه کافی است.