Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексей Алексенко

организмы должны хвататься за каждую возможность перейти на бесполое размножение и отбросить половой процесс как досадный атавизм, то теперь ясно, что ничего подобного не происходит, да и саму «двойную цену» в этом примере с плесенью не так уж просто отыскать. Во-вторых, возникает смутное ощущение, что эти синие шары и фиолетовые аскоспоры нужны аспергиллу не только и даже не столько для размножения, сколько для иных надобностей, – вспомним, что вырастают они лишь через пару недель, когда питательные вещества на родной чашке в основном уже съедены и грибу пора задуматься о заселении новых мест. Это неплохо согласуется с идеей ранних теоретиков о том, что перетасовка генов во время полового процесса позволяет создавать их новые комбинации, более пригодные для меняющихся условий жизни и заселения новых ниш. В-третьих, половой процесс у аспергилла основан на точно таком же мейозе, который происходит у нас с вами или, к примеру, у растений. Можно поручиться, что возник этот самый мейоз у очень древних наших предков – скорее всего, этим навыком уже владел общий предок всей сложной жизни на Земле. С другой стороны, аппарат производства конидий, при всей его изысканной сложности, встречается только у нескольких классов грибов. Надо полагать, он появился в ходе эволюции существенно позже. Еще позже некоторые грибы все же рискнули отказаться от полового размножения вообще. Почему мы думаем, что это случилось позже? Да потому, что такие «отказники» образуют на эволюционном древе лишь отдельные небольшие веточки, притом что их ближайшие родственники остались верны традициям.

Но что это мы все о грибах? Есть и более интересные – как мы говорим, высокоразвитые – организмы. У растений, к примеру, тоже бывают отдельные органы, предназначенные для бесполого размножения, возьмите для примера хоть клубень картошки. Что касается животных, они обычно не заводят себе отдельную манеру размножаться без секса, а лишь слегка модифицируют половой процесс. Вот, например, один интересный вариант – научиться оплодотворять свои собственные яйца. Из позвоночных этим фокусом овладела, кажется, только рыбка мраморный ривулус, обитающая в мангровых топях, но среди беспозвоночных таких умельцев существенно больше.

Куда более распространенный прием – упомянутый выше партеногенез, когда потомству дозволяется развиваться из неоплодотворенных яйцеклеток. Проблема тут в том, что неоплодотворенное яйцо обычно гаплоидно, то есть содержит одинарный набор хромосом – вдвое меньше, чем тот, кто это яйцо отложил. Такому потомству придется навеки забыть о мейозе. Но если делать таким способом, к примеру, только самцов, а мейоз и рекомбинацию поручить диплоидным самкам, можно создать вполне процветающие ветви эволюции вроде пчел и муравьев.

Другой вариант партеногенеза – опять же обойтись без оплодотворения, но каким-то способом сделать яйцеклетку диплоидной. К примеру, она может просто пропустить свой мейоз, или пройти его, а потом удвоить свои хромосомы собственными силами перед началом развития, или просто слить две получившиеся в результате мейоза клетки. Это умеют многие. Вот, например, живет в далекой Америке симпатичная ящерица по имени хлыстохвост. Когда две самки хлыстохвоста встречаются, одна проделывает над другой характерные движения любви. От радости у второй ящерицы происходит овуляция, да такая, что яйцеклетки без всякого оплодотворения тут же начинают развиваться в зародышей. Потом ящерицы меняются местами, чтобы никому не было обидно. Вместо одной беременной ящерицы мы получаем сразу двух – никакой «двойной цены» за секс платить больше не надо. Это огромный скачок в эффективности размножения.

Наконец, можно даже сохранить весь половой процесс, но при этом вроде бы не платить «двойную цену» – для этого счастливой паре надо просто оплодотворять друг друга, одновременно или по очереди, уж как договорятся. Это называется гермафродитизм и тоже встречается сплошь и рядом у самых разных существ. О таких затейниках мы пока рассуждать не будем, потому что они вроде бы достигают того, ради чего, как мы подозреваем, существует секс: тасуют свои гены путем рекомбинации и создают их новые ансамбли. О прелестях разделения на два пола речь пойдет позже. А сейчас интересно то, что и те, кто обманул эволюцию и обходится без всякого спаривания, вроде бы тоже процветают. Как это так?

Тут надо быть осторожным в оценках. Процветают они или нет, покажет время, причем неблизкое. Для человеческого восприятия эволюция сложных организмов довольно медленный процесс, и мы за все время существования нашей цивилизации чаще всего видим лишь ее мгновенный кадр, застывшую картинку. Кстати, когда в этой картинке удается заметить движение, людям свойственно кричать «караул, экологическая катастрофа!» – к примеру, мы кричим так, когда на наших глазах биологический вид заселяет новый ареал обитания (24 июля 2011 года один рыбак поймал в Волге килограммовую пиранью). Или, наоборот, вид исчезает там, где еще недавно процветал (а осетра этот рыбак между тем не поймал – а еще сто лет назад мог бы.

Может быть, те, кто не пользуется сексом, обречены. Как об этом судить? Например, мы можем, как в случае грибов-дейтеромицетов, заметить, что отказавшаяся от секса плесень не имеет глубоких эволюционных корней: эта группа собрана по совершенно искусственному признаку. То же и с хлыстохвостами: они отказались от секса, но все их ближайшие родственники явно относятся к этой инновации неодобрительно и размножаются по старинке.

Таким образом, вполне возможно, что все парадоксы, с которых мы начали эту главу, в природе успешно разрешаются. Секс действительно имеет свою цену, и те, кто сумел от него отказаться, некоторое – возможно, по человеческим меркам весьма долгое – время способны процветать. Накопление вредных мутаций у тех, кто размножается клонально (то есть без секса), действительно происходит, но оно может происходить не так уж стремительно. Английский, а впоследствии канадский биолог Грэм Белл (род. 1949) подсчитал, от чего это зависит. У существ с маленьким размером популяций и большим геномом мутационная катастрофа не заставит себя ждать, и, чтобы избежать ее, им необходимо заниматься сексом буквально в каждом поколении. У нас с вами, как и у большинства позвоночных, ситуация именно такова, отчего и возник термин «половое размножение» – как будто перетасовка генов и рождение потомков принципиально неразделимы. А вот тем, у кого геном поменьше, а особей побольше, – как те же плесневые грибки – можно заниматься сексом лишь время от времени, каковой возможностью они и пользуются. Бактерии, с их огромными размерами популяций и крохотными геномами, вообще успешно заменяют секс совершенно другими практиками, о которых мы поговорим позже.

Еще один важный параметр – частота, с которой возникают мутации к бесполости. Американский генетик Джордж Уильямс (1926–2010), который скоро еще раз появится в нашей истории, предположил, что одна из причин сохранения секса – технические трудности, которые приходится преодолевать организму при переходе к клональному размножению. Если стать бесполым сложно, такое событие будет маловероятным. Тогда на большом дереве жизни бесполые веточки будут вырастать не слишком часто – так, чтобы не заглушить рост всей кроны. Конечно, в свой срок эти ветки будут отмирать, строго в соответствии с предсказанием Германа Мёллера, но само дерево выживет.

А почему это вдруг бесполые веточки вырастают так редко – неужели просто повезло? Возможно, дело не в везении. Просто те части дерева, где они вырастали часто, – населенные организмами, для которых переход к бесполости не представлял никаких проблем, – уже давно отсохли все, целиком. Сперва обильно растущие бесполые ветки заглушили сексуальную поросль, а потом погибли сами под грузом мутаций. Остались лишь те части дерева, где в механизм размножения оказались заложены какие-то гаджеты, мешающие переходу к бесполости (либо просто убивающие бесполых отщепенцев быстрее, чем те вытеснят сексуалов). Запомним этот интересный аргумент, он еще пригодится для понимания современных гипотез об эволюции мейоза.

Впрочем, здесь мы проходим в опасной близости от одного недоразумения, которое довольно долго омрачало многие рассуждения генетиков о сексе. Прежде чем перейти к еще одной группе гипотез о происхождении полового размножения, нам придется с этим разобраться.

БИБЛИОГРАФИЯ

Bell G. A. C. The Masterpiece of Nature: The Evolution and Genetics of Sexuality. London: Croom Helm; Berkeley: University of California Press, 1982.

Clutterbuck A. J. A Mutational Analysis of Conidial Development in Aspergillus nidulans. Genetics. 1969. 63(2): 317–327.

Engelstädter J. Constraints on the Evolution of Asexual Reproduction. Bioessays. 2008. 30(11–12): 1138–1150.

Hörandl E. The Classification of Asexual Organisms: Old Myths, New Facts, and a Novel Pluralistic Approach. Taxon. 2018. 67(6): 1066–1081.

Janko K., Mikulíček P., Hobza R., et al. Asexual Species