Странный вопрос, не правда ли?
Вроде бы ответ на поверхности, но когда пытаешься его озвучить, получается какая-то ерунда.
Потому что так устроен мир? Как бы - да. Но почему он устроен именно так?
Потому что это оптимальный вариант? Ну, а почему он оптимальный?
Потому что только так и может быть? Да нет, не только. Известно много других способов воспроизводства — не хуже полового: микроскопические животные размножаются простым делением, ивы вырастают из отростков, одуванчики производят семена, из которых вырастают точные копии родительского организма, девственные партеногенетические тли рождают партеногенетических деток, уже беременных другими партеногенетическими детками.
Давайте попробуем разобраться.
И начнём мы с более общего вопроса, который не давал покоя учёным с 1889 года, когда его озвучил Август Вейсман: "зачем вообще нужно половое размножение?"
Я пропущу рассказ о том, как возникали и менялись ранние гипотезы о причинах полового размножения, и перейду сразу к выводам.
Половой процесс — это рекомбинация и скрещивание одновременно. И, главное, во время него происходит перетасовка генов.
В ребенке объединяются (путем скрещивания родителей) тщательно перемешанные (путем рекомбинации) гены его двух дедушек и двух бабушек. Рекомбинация и скрещивание — ключевые моменты полового размножения, а все остальное — двуполость, выбор партнера, избегание инцеста, полигамия, любовь, ревность и т. п. — способы сделать скрещивание и рекомбинацию более эффективными или более точными.
В 1965 году математические модели Кроу и Кимуры подтвердили гипотезы Фишера и Мюллера начала 30х о том, что главное предназначение скрещивания и рекомбинации - возможность встречи в одном организме двух редких мутаций, полезных вместе, но малополезных поодиночке.
Виду, практикующему половое размножение, не приходится ждать совпадения двух редких событий в одном и том же индивиде, они могут комбинировать мутации из разных особей, а это очень ускоряет эволюцию.
Образно говоря, в мире полового размножения поезда ездят по рельсам, в то время, как в мире бесполого - паровые локомотивы буксуют на обычных дорогах, а лошади таскают телеги по железным.
Но эволюция сама по себе - не цель. Если это было бы так - достаточно было бы иметь высокий уровень мутаций, ведь именно они являются источником вариабельности. Но, как сказал Уильямс, все, что мы знаем о живых организмах, однозначно говорит: они пытаются сделать уровень мутаций настолько низким, насколько это возможно. Все стремятся к нулевому их уровню. Эволюция идет лишь потому, что им это не удается.
Более того, вид размножающийся половым способом, "платит за самцов": ресурсы они потребляют наравне с самками, но потомства не приносят.
Гены "бесполого размножения" при прочих равных создают свои копии вдвое быстрее, чем гены "полового размножения". Более того, если половой процесс хорошо складывает гены в удачные комбинации, то еще лучше он будет их разбивать.
Здравый смысл говорит нам, что эволюция должна уничтожить половое размножение, но раз оно существует, значит для чего-то оно всё-таки нужно.
В 1973 году Ли ван Вален предложил теорию Черной королевы, которая изначально не была воспринята как что-то значимое.
Суть этой теории в том, что мир все время возвращается туда, откуда он начал: изменение есть, прогресса — нет.
Возникновение полового размножения— это не адаптация к каким-либо абиотическим условиям, вроде увеличения размеров тела, защитной окраски, устойчивости к холоду или способности к полету. Это — адаптация к борьбе с врагом, который всегда даст сдачи.
Биологи постоянно переоценивают важность физиологических причин смерти до полового созревания, по сравнению с биологическими. Засуха, мороз, ветер или голод кажутся нам лютыми врагами.
Но очень редко бывает так, что именно физические факторы убивают животных или не дают им размножаться. Гораздо чаще костью в горле становятся другие живые организмы — паразиты, хищники и конкуренты. Дафния, голодающая в перенаселенном пруду — жертва не нехватки еды, а конкуренции. Хищники и паразиты прямо или косвенно вызывают большую часть смертей в мире.
Что убивало наших предков два века назад? Оспа, туберкулез, грипп, пневмония, чума, скарлатина, диарея. Голод или несчастные случаи могли ослабить людей, но убивала их инфекция.
Первая мировая война унесла жизни 25 миллионов человек за четыре года, последовавшая затем эпидемия гриппа убила столько же людей за четыре месяца. То была последняя из серии чудовищных эпидемий, бушевавших от зари цивилизации.
Корь опустошила Европу в 165-м году, чума — в 251-м, бубонная чума — в 1348-м, сифилис — после 1492-го, туберкулез — после 1800-го. И это — просто эпидемии. Эндемические заболевания тоже унесли жизни фантастического количества людей.
В объекте, который мы с гордостью называем «своим» телом, бактериальных клеток, возможно, больше, чем человеческих. А геном человека – лишь 1% от их суммарого генома.
Паразиты страшнее хищников по двум причинам.
Первая: их больше. «Над» людьми нет хищников, за исключением белой акулы и других людей. Но зато у нас много паразитов. Даже у кроликов, которых едят горностаи, ласки, лисы, канюки, собаки и люди, паразитов гораздо больше, чем «больших» врагов: блохи, вши, клещи, комары, ленточные черви и несметное количество простейших, бактерий, грибов и вирусов. Например, вирус миксоматоза убил гораздо больше кроликов, чем лисы.
Вторая причина, из которой вырастает первая: паразиты обычно меньше своих хозяев, а хищники — обычно больше. Это значит, что жизнь первых короче и за одно и то же время у них сменяется больше поколений, чем у их хозяина. За вашу жизнь в вашем кишечнике друг друга сменяет больше поколений бактерий, чем люди прожили с тех пор, как произошли от обезьян.
Паразиты и их хозяева слились в крепком эволюционном объятии. Чем успешнее нападают первые (чем больше хозяев он заразит или чем больше ресурсов он получит от них), тем в большей степени шансы вторых на выживание зависят от того, смогут ли они придумать хорошую защиту от паразита. Чем лучше хозяин обороняется, тем жестче естественный отбор у паразитов, у которых постепенно получается преодолеть защиту. Так что преимущество всегда переходит от одного к другому: чем страшнее ситуация для любой из сторон, тем яростнее она будет сражаться. Это самый настоящий мир Черной Королевы, в котором вы никогда не победите, а можете рассчитывать только на временную передышку.
В конце 70-х – начале 80-х Кертис Лайвли совместно с Робертом Вриенхоком провели серию экспериментов над видами, способными как к половому, так и бесполому размножению, которые убедительно подтвердили теорию Черной королевы. Введение в экосистемы паразитов резко увеличивало процент особей, размножающихся половым путем, а среди бесполых особей сильнее страдали от паразитов более многочисленные линии клонов.
Паразиты. Часть 12. И любовь, и война
Вы можете возразить мне, что я не подумал об иммунитете. И что нормальный способ бороться с болезнью — это не секс, а антитела, прививки или что-то в этом роде.
Но иммунная система — довольно недавнее, по эволюционным меркам, изобретение: она появилась у рептилий всего около 300 миллионов лет назад. А у лягушек, насекомых, омаров, улиток и дафний ее и вовсе нет.
И потом, есть одна оригинальная теория в стилистике Черной Королевы, объединяющая иммунную систему с половым размножением. Ее создатель, Ганс Бремерман, приводит в пользу этого удивительный довод. Он утверждает, что без полового размножения иммунная система не работала бы.
Гены гистосовместимости, играющие огромную роль в работе иммунной системы, очень полиморфны. В среднестатистической популяции мышей существует более сотни версий каждого гена гистосовместимости. У людей — еще больше. Каждый человек несет уникальную их комбинацию, поэтому органы, пересаженные от одного человека к другому (если это не однояйцевые близнецы), без принятия специальных препаратов всегда отторгаются. Такой высокий полиморфизм невозможно поддерживать без скрещивания.
У этой теории есть доказательства.
В 1991 году Эдриан Хилл с коллегами получили первое хорошее свидетельство в пользу того, что при распространении инфекционных заболеваний возрастает разнообразие генов гистосовместимости. Они обнаружили, что определенный тип такого гена — HLA-BW53 — встречается часто там, где распространена малярия, а в других местах — редко. Более того, у болеющих малярией детей, в основном, этого гена нет. Возможно, поэтому они и заболевают.
А согласно открытию Уэйна Поттса, домовые мыши выбирают в качестве половых партнеров только таких мышей, у которых гены гистосовместимости отличаются от их собственных. Они определяют это по запаху. Такие сексуальные предпочтения максимизируют генетическое разнообразие и делают мышат более устойчивыми к заболеваниям.
Объяснение паразитной теорией Черной Королевы полового размножения — прекрасный пример того, как в науке для решения одной проблемы приходится объединять вместе несколько разных подходов.
Ведь идея о паразитах и половом размножении возникла у Гамильтона и его коллег не на пустом месте. Они пользуются данными сразу трех исследовательских направлений, которые только недавно сошлись вместе.
Первое исследует, как паразиты контролируют численность и запускают в популяциях циклические процессы. Оно впервые обозначилось в 1920-х и было окончательно сформулировано в виде стройной теории в 1970-х годах.
Второе — открытие в 1940-х Холдейном и его коллегами высокого уровня генетического полиморфизма. Это интереснейший феномен, заключающийся в том, что почти любой ген почти у любого вида представлен несколькими разными версиями — но что-то мешает одной из них вытеснить все остальные варианты.
Третье — идея Уолтера Бодмера и коллег о генах защиты, работающих по принципу «ключ-замок».
Гамильтон объединил вместе все три направления исследований и пришел к выводу: паразиты находятся в состоянии постоянной войны с хозяевами, причем последняя ведется путем переключения с одного гена устойчивости на другой — отсюда и возникает батарея разных версий генов. Все это не работало бы без полового размножения .
Половое размножение — это средство от паразитов. Оно необходимо, чтобы гены хозяина на шаг опережали гены инфекции. Самцы в популяции — это не излишество. Они — страховка для самок, средство не потерять детей из-за гриппа или кори. Самки допускают сперматозоиды к своим яйцеклеткам — иначе получившиеся дети будут одинаково уязвимы для первого же паразита, который подберет ключи к их генетическим замкам.
Но, прежде чем начать радоваться своей вновь осознанной важной роли, пусть мужчины вздрогнут перед очередным вопросом о смысле своего существования. Пусть они вспомнят о грибах. Потому что многие грибы размножаются половым путем, но у них нет самцов. У них десятки тысяч разных полов, физически идентичных, спаривающихся с другими с одинаковой вероятностью, но неспособных к спариванию с самими собой. Даже многие животные — например, земляные черви — гермафродитны. Половое размножение не предполагает необходимости наличия самих полов — тем более, именно двух, да еще и таких разных, как у людей.
На первый взгляд, два пола — это самая дурацкая система, которую только можно придумать: она требует, чтобы целых 50 % встреченных особей не подходили вам в качестве половых партнеров.
А будь мы гермафродитами, нашим партнерами мог бы стать каждый. Если бы у нас было десять тысяч полов, как у обычной поганки, мы могли бы спариваться с 99 % популяции. Если бы полов было три, нам бы подходили две трети.
Ни одна из теорий, о которых мы говорили раньше, не объясняет, почему у нас два пола. Почему мы все не гермафродиты, которым не нужно платить за присутствие в популяции самцов — ведь последние одновременно являлись бы и самками? Почему даже у гермафродитов именно два пола? Почему бы особям просто не обмениваться пачками генов на равных условиях? Вопрос «зачем нужно половое размножение?» теряет смысл без вопроса «зачем нужны два пола?»
Чтобы получить ответ на этот вопрос, ученым пришлось погрузиться в исследование генов и взаимоотношений между ними.
Гены существуют не сами по себе, они собраны в команды – геномы. Ген сам по себе мало на что способен, а команда генов способна создать вокруг себя машину для выживания – клетку. Успешному копированию гена предшествует выживание клетки и всей команды генов, поэтому все гены заинтересованы в слаженной и плодотворной работе. Когда клетка делится и происходит копирование генов – тут тоже заинтересованы все. Но когда дело доходит до такого важного процесса, как половое размножение – эгоистичные интересы могут возобладать.
Если в результате какой-то особенности своего строения ген попадает именно в ту половую клетку, которая будет оплодотворена и даст начало новой жизни с вероятностью больше 50% - такой ген начнет распространяться в популяции.
Если таких генов становится слишком много в популяции, то низкое генетическое разнообразие ставит ее на грань гибели. Как ответ - в клетках есть процессы, этому препятствующие.
Это несколько упрощенное объяснение. Процессы в клетках сложны и сами по себе, и изучать их непросто. Но механизмов для жульничества там – море.
Гены могут заставлять организм менять поведение для своего распространения даже во вред самому организму.
Они могут создавать в клетке свои дополнительные копии;
вырезать себя из хромосомы и вшиваться в новое место — например, на другую хромосому;
ломать яйцеклетки и сперматозоиды, в которых нет копий этого гена;
проникать в уже оплодотворенную яйцеклетку и заменять там гены-конкуренты.
Они могут в конце концов просто покинуть организм, при процессе конъюгации, когда две бактерии соединяются друг с другом узкой трубкой и передают по ней некоторое количество копий генов.
В отличие от полового размножения, конъюгация не связана с репродукцией и происходит относительно редко. Но во всех остальных отношениях это — половой процесс: самая настоящая генетическая торговля.
Кстати, это явление не существует не ради пользы клетки, а ради пользы гена .
Главное здесь то, что у генов есть конфликт интересов. Все они заинтересованы в том, чтобы делать свои копии за чужой счет, но им не выгодно платить за чужой успех. Апофеоз этого конфликта приходится на мейоз – формирование половых клеток. А самый действенный метод борьбы с жуликами – кроссинговер – тщательная перетасовка генов при мейозе.
И как это нас приблизило к ответу на вопрос «почему полов — два?» спросите вы.
К ответу нас приведет путь исследования конфликтов интересов между наборами генов, ибо сама двуполость может оказаться частью клеточной бюрократической машины.
Самцы определяются как пол, поставляющий сперму или пыльцу — многочисленные маленькие и подвижные гаметы. Самки же производят несколько больших неподвижных гамет — яйцеклеток. Но размер — не единственное различие между женской и мужской гаметой. Гораздо интереснее для нас сейчас гены, которые потомок получает только от матери (т. е., лишь из яйцеклетки).
В 1981 году Леда Космидес и Джон Туби — по кусочкам собрали историю одного мощнейшего генетического восстания против «парламента генов», восстания, заставившего эволюцию животных и растений пойти новым, довольно причудливым путем. В конце него возникла двуполость.
До сих пор мы не обращали внимания на то, от кого из родителей приходят гены. Но это не совсем корректно. Когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, он передает ей всего одну вещь — полный генов мешок, называемый ядром. Все остальные его части в яйцеклетку не попадут — в том числе, и несколько отцовских генов, находящихся вне ядра.
Они расположены в микроскопических структурах — определенных органеллах. Существует два основных типа органелл, содержащих гены — митохондрии и хлоропласты. Первые используют кислород, чтобы получать энергию из пищи (у животных), а вторые (встречающиеся у растений) приспособили солнечный свет, чтобы делать пищу из воздуха и воды. Эти органеллы происходят от свободноживущих бактерий, которые поселились внутри клеток и были «одомашнены», поскольку их биохимические способности оказались полезны клетке-хозяину. Они пришли сюда со своими генами, многие из которых и у них по-прежнему работают. Человеческие митохондрии, к примеру, содержат 37 собственных генов. И спросить «почему полов — два?» это то же самое, что поинтересоваться «почему гены органелл (еще их называют цитоплазматическими генами) наследуются по материнской линии?»
Почему бы вместе с ядром в яйцеклетку не пустить и органеллы сперматозоида? Эволюция, судя по всему, сделала все возможное, чтобы избежать этого. У растений небольшое пережатие спермия предотвращает попадание отцовских органелл в яйцеклетку. У животных ядро сперматозоида перед входом в яйцеклетку проходит что-то вроде полного личного досмотра с раздеванием, в результате чего все органеллы остаются снаружи.
Процесс оплодотворения
Удивительный процесс оплодотворения
Для чего же это нужно?
Ответ нужно искать в исключении из этого правила: у водорослей Chlamydomonas есть два пола — «плюс» и «минус». Это вместо самцов и самок. У этого вида родительские хлоропласты ведут самую настоящую войну на истощение, в которой выживают всего 5 % из них. Они принадлежат родителю «плюс», который побеждает «минусы» в силу численного превосходства.
Эта война истощает клетку. Ядерные гены подобны шекспировскому герцогу из «Ромео и Джульетты», с горечью смотрящему на вражду двух своих подданных.
Ядерные гены матери и отца вступают в сговор, в результате которого внеядерные гены отца оказываются убиты. Ядру самца выгодно позволить убить свои органеллы и получить за это жизнеспособное потомство.
Владельцы более покорной версии органелл (пола «минус») хоть и жертвуют ими, но получают преимущество.
Если организм может выбирать, скреститься ли со «своим» типом, развязав войну органелл, или с другим, гарантировав мир, то любое отклонение в популяции от равного числа убийц и жертв (50:50) приносит пользу более редкому типу (он всегда найдет партнера, с которым не будут воевать его органеллы). В результате, соотношение двух типов в следующих поколениях само себя корректирует.
Так возникли два пола: убийца, передающий органеллы в следующее поколение, и жертва, не делающая этого.
Из всего вышесказанного следует, что двуполость — неизбежное следствие полового процесса, происходящего путем слияния двух клеток. Другими словами, если у данного вида половой процесс происходит именно таким образом, как у Chlamydomonas и большинства животных и растений, то вы обнаружите у него два пола. Если же он представляет собой конъюгацию — формирование трубки между двумя клетками и передачу по ней ядра без их слияния, то не происходит и конфликта между органеллами, и не нужно пола-убийцы и пола-жертвы.
И правда: у видов с половым процессом конъюгационного типа — ресничных протистов и грибов — существуют многие десятки полов. А у всех (почти без исключения) видов с половым процессом, идущим путем слияния клеток, полов — два. Убедительным примером в этой связи является ресничная инфузория отряда Hypotricha, у которой половой процесс может проходить обоими способами. Если он идет слиянием клеток, инфузория ведет себя так, словно у нее два пола, а в случае же конъюгации — будто полов много.
