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

расшифровка геномов перестала быть затеей на миллион долларов. И тогда ученой пришлось прочитать ни много ни мало пятьдесят полных геномов воробьиной овсянки, благо ее лабораторный холодильник был полон образцов овсяночьей крови. В частности, ее интересовало, действительно ли инвертированный участок II хромосомы накапливает мутации гораздо быстрее, чем остальной геном. Такого следовало бы ожидать, если белополосые особи и правда никогда не скрещиваются и, стало быть, инвертированные хромосомы никогда не проходят через мейоз и рекомбинацию. Даже ничтожной доли скрещиваний между белополосыми воробьями было бы достаточно, чтобы «почистить» инверсию от мутаций. Но нет: мутаций на ней было действительно в разы больше, чем в остальных местах. Заодно стало ясно, почему такая порченая хромосома никогда не встречается в двух копиях и почему белополосым нет смысла скрещиваться между собой – ведь тогда многие птенцы оказались бы нежизнеспособными.

Выводы Элейны Татл были таковы: у одного из десятка тысяч видов птиц на Земле на наших глазах эволюционирует новая половая хромосома, и она уже перехватила многие функции (в том числе диморфизм в окраске и поведении), за которые у остальных видов отвечает как раз традиционная пара половых хромосом.

Что ждет белогорлого воробья дальше? Некоторые скептики в своих отзывах на работу Элейны Татл утверждали, что ничего хорошего: виду, которого угораздило завести такую сложную систему репродукции с ограниченным выбором партнеров, нелегко избежать вымирания. Если так, то новая половая хромосома может и не состояться. Но возможно, что в один прекрасный день в далекой Канаде вылупятся птенчики, у которых гены, определяющие развитие половых органов, перескочат с хромосом Z или W на 2-ю, а то и вовсе две хромосомы объединятся в одну большую. Тогда в птичьем царстве появится новая половая хромосома, а зонотрихии окончательно решат для себя, кому у них положено распутничать, мальчикам или девочкам.

Гипотеза о том, что прямо сейчас в самой гуще класса птиц зарождается альтернативная система определения пола, возникла у Элейны Татл не на пустом месте. В следующих главах мы увидим, что все события, о которых шла речь выше, – хромосомная инверсия в одной из аутосомных пар, затруднения с рекомбинацией, быстрое накопление мутаций и потеря генов – происходили в половых хромосомах у предков ныне живущих видов. Это уж точно случалось у наших предков-млекопитающих. Кстати, вот что любопытно: если принцип Бейтмана хоть немного работает, то новый мужской пол у потомков зонотрихий должен бы оказаться более ветреным и склонным к промискуитету, чем женский. Можно ожидать, что он возникнет на базе разновидности с белыми полосками. У таких зонотрихий, как мы узнали, хромосомы II пары разные, то есть этот новый мужской пол будет гетерогаметным. А значит, новая ветвь на эволюционном древе птиц перейдет от определения пола по системе ZW к более близкой нашему сердцу системе XY. Такого с птицами пока вроде бы не случалось. А вот у их (да и наших) предков-рептилий обе системы используются с равным успехом.

Вряд ли мы в течение нашей жизни узнаем, что ждет канадского белогорлого воробья в его эволюционном будущем и суждено ли ему стать основоположником нового птичьего племени. И уж точно об этом не узнает Элейна Татл: одно из неприятных свойств смерти в том, что уже ничего не получится добавить к тем знаниям, которые ты получил в течение жизни. А у нас пока получается: вот и еще одна крупица информации добавилась к нашему багажу сведений о половых странностях земных существ.

Пока наше время на земле не истекло, можно задаться еще одним вопросом. Допустим, что в случае воробьиной овсянки мы и вправду стали свидетелями самой первой фазы передачи функций определения пола от одной пары хромосом к другой. А где можно посмотреть на последние фазы процесса? Как ни странно, у изученной вдоль и поперек плодовой мушки. Одна из хромосом дрозофилы – самая маленькая – получила название точечной (а остальные, соответственно, называют стержневыми). Эта хромосомка во многом ведет себя странно: мухе, похоже, не очень важно, одна или две такие хромосомы у нее в геноме, при этом точечная хромосома оказывает «мягкий феминизирующий эффект» на определение пола. Есть у нее и другие черты, заставляющие вспомнить о половых хромосомах. Подозрения исследователей подтвердились, когда были расшифрованы последовательности хромосом у разных представителей двукрылых. Похоже, что в линии, ведущей к дрозофиле, функции половой хромосомы перешли от точечной хромосомы к первой, самой большой. При этом процесс еще не закончен, и именно поэтому точечная хромосома пока еще проявляет некоторые странности, которые и навели генетиков на след.

БИБЛИОГРАФИЯ

Arnold C. The Sparrow with Four Sexes. Nature. 2016. 539(7630): 482–484.

Dean T. Oh Sweet Canada, Canada, Canada: The Nostalgia-Inducing Song of the White-Throated Sparrow. https://littlevillagemag.com/oh-sweet-canada-canada-canada-the-nostalgia-inducing-song-of-the-white-throated-sparrow

Landeen E. L., Presgraves D. C. Evolution: From Autosomes to Sex Chromosomes – and Back. Current Biology. 2013. 23(18): R848–R850.

Tuttle E. M., Bergland A. O., Korody M. L., et al. Divergence and Functional Degradation of a Sex Chromosome-Like Supergene. Current Biology. 2016. 26(3): 344–350.

Zhang S. The Birdsong That Took Over North America. https://www.theatlantic.com/science/archive/2020/07/bird-song-sparrows/613768

Глава девятнадцатая, в которой утконос из последних сил противостоит гендерной небинарности

Эволюция половых хромосом

Если в заголовке упоминается утконос, то, конечно, ужасно хочется прямо с него и начать. Увы, логика подачи материала требует с этим потерпеть до конца главы. Утконос в свое время выполнит важную функцию – проиллюстрирует извивы истории половых хромосом на нашей ветке эволюционного древа. Эта ветка, включающая рептилий и произошедших от них зверей и птиц, кажется нам такой важной, что даже праотец Ной, как известно, во время Всемирного потопа взял с собой в ковчег только их, а все остальные выкручивались как могли. Разбираться в том, что происходило с хромосомным определением пола у остальных существ на планете, не представляется возможным, но вот на этом отрезке нашего эволюционного забега – включающем, между прочим, примерно 300 млн лет – уже можно разглядеть хотя бы самые важные события.

Эволюцию нелегко изучать, потому что она – вернее, те ее сюжеты, которые оказались самыми интересными и многообещающими, – происходила в прошлом. У всех ныне живущих организмов за плечами одинаково длинный эволюционный путь в 4 млрд лет от общего предка всего живого на Земле. Никто из нас, ныне живущих, ничей не предок, ничья не промежуточная стадия и уж точно не вершина пирамиды жизни, на которую остальные взирают с восхищением и завистью своими примитивными глазенками. Тем не менее, сравнивая устройство разных земных тварей, биологи могут догадаться, что некоторые из их различий – разные стадии процесса, происходившего в прошлом и продолжающегося по сей день.

Вот, например, вопрос: как у рептилий могла возникнуть эта странная система определения пола зародыша в зависимости от температуры? Пожалуйста, познакомьтесь: ящерица прибрежная агама, проживающая в Восточной Австралии. У нее есть половые хромосомы Z и W, которые могут определять пол ящерицы обычным способом (ZZ – мальчики). Однако, когда австралийские биологи инкубировали агамовы яйца при повышенной температуре, из ZZ-зародышей получались девочки. Дело там, видимо, обстоит так: на Z-хромосоме агамы есть очень важный ген, который определяет мужской пол, но для этого ему надо работать изо всех сил – точнее, обеим его копиям на двух Z-хромосомах. Одной копии точно не хватает, и тогда получается ящерица-самка. Однако, даже если копий две, девочку-агаму по-прежнему еще можно получить, если чуть-чуть приглушить активность гена. Именно так и действует повышенная температура. Исследователи считают, что им повезло рассмотреть на этом примере промежуточную стадию эволюции – именно так крокодилы и некоторые черепахи приобрели свою способность менять пол в зависимости от окружающей среды.

Эта суперспособность рептилий поначалу так заворожила биологов, что они – по крайней мере, некоторые из них – в упор отказывались видеть сложности жизни, которые путали стройную картину. В 1957 году (Уотсон и Крик к тому моменту уже четыре года как открыли свою «двойную спираль») два почтенных зоолога завершили свой обзор следующей сакраментальной фразой: «Изложенные наблюдения подводят черту под дискуссией, которая длилась четверть века. Морфологически различимые половые хромосомы у рептилий отсутствуют…» Разумеется, сегодня единственная ценность этой цитаты состоит в том, что она учит нас относиться с юмором к безапелляционным утверждениям в научных статьях. Сейчас половые хромосомы описаны у полутора тысяч видов рептилий, включая змей, ящериц и даже черепах. Среди них есть и наша