Зачем эволюции понадобились два пола? Разбор гипотезы генетического конфликта
Пол — дорогое удовольствие. Вдумайтесь, сколько энергии ушло на создание роскошного веерообразного хвоста павлина, необходимого для привлечения самок. Кроме того, пол попросту неэффективен, так как позволяет передавать только 50% генов, а половина популяции каждого вида (то есть самцы) вообще лишена способности производить потомство. Эволюция не склонна к сантиментам, поэтому все недостатки должны чем-то компенсироваться. О том, как это происходит, рассказывает журнал Nautilus.
Принято считать, что смешивание генов позволяет создать новые генетические комбинации, сохраняя полезные мутации, устраняя вредные и оставляя в генофонде гены, которые могут помочь будущим поколениям в борьбе с эпидемиями и паразитами.
Однако у этой теории есть один недостаток: преимущества полового размножения становятся заметны лишь через много поколений, а огромные затраты энергии необходимы прямо сейчас.
Чтобы понять пол, мы должны вернуться во времена первичного бульона и изучить угрозы, с которыми сталкивались первые сложные организмы.
Эволюционный биолог из Австралии Дэмьен Даулинг и его коллеги Джастин Хавирд и Мэтью Холл в прошлом году выдвинули интересную гипотезу. Они обратили внимание на то, что у одноклеточных бактерий и архей (прокариотов) отсутствует половое размножение. Им свойственно схожее с половым поведение, в том числе телесный контакт при обмене генами, который иногда называют бактериальным сексом, но размножаются они не половым путем, а делением.
Пол — это привилегия более сложных организмов, таких как эукариоты.
Самые разные организмы, от амеб до броненосцев, размножаются, распределяя хромосомы между гаметами — сперматозоидами и яйцеклетками, — которые затем соединяются, чтобы создать новый организм. Первые известные нам организмы, размножающиеся половым путем, — красные водоросли, древнейшие эукариоты, возраст которых оценивается в 1,2 млрд лет.
Отличительный признак эукариотов — строгая структура клеток, которые содержат не только ядро, но и органеллы — прежде всего митохондрии, биологические батарейки, обеспечивающие необходимую для жизни энергию.
«Эукариоты имеют две особенности: митохондрии и пол. Мы считаем, что между ними есть связь», — говорит Даулинг, возглавляющий команду исследователей из Университета Монаша в Мельбурне.
Дело в том, что митохондрии — это не просто энергетические станции клеток. Много миллиардов лет назад они были отдельными организмами.
Человеческое тело — не полностью человеческое. В нашем кишечнике живут триллионы бактериальных клеток; в нашей ДНК присутствуют следы прежних вирусов; и даже наши клетки частично состоят из первичного бульона.
Ученые всё яснее осознают, что многие болезни — это не результат внешних угроз, а следствие нарушения баланса в нашей внутренней экосистеме.
В случае с митохондриями их собственная уникальная ДНК может вступать в конфликт с нашей. «До недавнего времени наука попросту закрывала глаза на тот факт, что в наших клетках есть два генома: наш собственный и митохондриальный», — замечает Даулинг.
Митохондриальная ДНК мутирует быстрее, чем регуляторные гены в ядре клетки. Это может иметь негативные последствия для организма. По мнению Даулинга, пол возник для того, чтобы ядро поспевало за изменениями митохондрий.
Дэмьен Даулинг, эволюционный биолог:
«Империя, которую строили ранние эукариоты, основывалась на производящих энергию митохондриях и оказалась под угрозой, потому что митохондрии мутировали слишком быстро».
Пол позволяет создавать новые генотипы в каждом поколении, благодаря чему ядро может реагировать на возникающие проблемы.
Другими словами, это средство восстановления баланса. И, в отличие от остальных преимуществ пола, данное преимущество было не менее важным для первых эукариотов, чем для современных организмов.
Примерно 2 миллиарда лет назад между двумя прокариотами — двумя бактериями, барахтавшимися в первичном бульоне, — произошло некое подобие полового акта. Одна бактерия поглотила другую, но обе выжили. Они соединились и сформировали нечто совершенно новое.
Поглощенная бактерия через несколько миллионов лет превратилась в маленькую, но мощную митохондрию. Вторая бактерия — в большое ядро.
Получился впечатляющий симбиоз. Митохондрии занялись производством энергии и настолько в этом преуспели, что привели к всплеску сложных форм жизни на планете. Но подобная специализация имела свою цену — высокий окислительный стресс, который может повредить саму органеллу и ее ДНК. Как следствие, утверждает Даулинг, «митохондриальная ДНК обречена на вредные мутации».
Недавнее исследование, проведенное Нильсом-Гораном Ларссоном из Института биологии старения Общества Макса Планка, подтверждает, что митохондриальная репликация неизбежно приводит к ошибкам.
Большое число митохондриальных мутаций наблюдается у многих современных биологических видов. Как и у других животных, у людей митохондрии делятся на протяжении всей жизни, вследствие чего их гены мутируют в 10–100 раз быстрее, чем гены ядра.
Каждая клетка содержит тысячи митохондрий, а каждая митохондрия содержит многочисленные копии собственной ДНК. Количество изменений огромно.
В ходе эволюции большая часть генов переместилась из митохондрий в более стабильное ядро. Митохондрии современных животных содержат всего 37 генов, и все они занимаются производством энергии. Их работа регулируется тысячей генов в ДНК ядра. Но такое решение имеет свои недостатки: случись что с этими 37 генами, весь механизм остановится. Если регулирующие их гены ядра не смогут адаптироваться, клетка может умереть.
В 2007 году Даулинг и его коллеги решили проверить, что произойдет, если два набора генов будут преследовать разные цели.
В ходе одного из своих экспериментов они скрестили 23 поколения пяти разных видов жуков Callosobruchus maculatus. В некоторых штаммах митохондриальная и ядерная ДНК были подобраны так, чтобы работать вместе. Когда же исследователи пересадили митохондрии другим штаммам, это привело к снижению жизнеспособности сперматозоидов.
Даулинг и его коллеги повторили свой эксперимент на дрозофилах. Самки почти не пострадали: только семь генов ядра снизили активность. У самцов же изменениям подверглись целых 1172 гена ядра, то есть почти 10% генома.
Читайте также
Генетический привод: технология, которую боится ее создатель
Разница между последствиями для самцов и самок объясняется тем, что митохондрии передаются только от матери. Поэтому самки с вредными митохондриальными мутациями умирают прежде, чем успевают произвести потомство, тем самым устраняя эти мутации из генофонда. Но если мутация сказывается на самцах, то может сохраниться в дальнейшем.
Несоответствие геномов также отражается на людях.
Эволюционный генетик Дан Мишмар из Университета имени Бен-Гуриона в Израиле обнаружил, что конфликт митохондрий повышает риск развития диабета 2-го типа у ашкеназов, которые являются носителями определенных генетических вариантов. А одна-единственная мутация митохондрий, по словам Яна Виллема Таанмана из Университетского колледжа Лондона, ответственна за наследственную глухоту в арабо-израильских и испанских семьях.
Однако у некоторых людей, унаследовавших мутацию, варианты ядерных генов помогают устранить проблему.
Ученые теперь считают, что наследственная оптическая нейропатия LHON Лебера отчасти обусловлена несоответствием митохондриальных вариантов и генов ядра. Исследователей долго ставил в тупик тот факт, что эта форма слепоты не всегда одинаково проявляется у людей с одной и той же мутацией. Например, жителей Тибета данная мутация защищает от высотной болезни и предотвращает у них слепоту, а у жителей низинных районов наоборот — повышает риск ее развития. Как это возможно? «Мы идентифицировали несколько генов в ядерной ДНК, которые могут дать ответ на этот вопрос», — говорит нейрогенетик Валерио Карелли из Болонского университета, который вот уже 20 лет занимается изучением оптической нейропатии LHON Лебера.
Именно пол стал решением проблемы несоответствия геномов, так как половое размножение обеспечивает смешение генов и позволяет создать новые варианты, помогающие адаптироваться к любым изменениям, как внутренним, так и внешним.
«Половое размножение — это единственный способ „подстроить“ ДНК ядра под геном митохондрий», — говорит Хавирд.
Кроме того, пол делает возможным новый путь эволюции.
Особи отсеиваются не только в результате естественного отбора, но и в ходе соперничества за партнеров, которому на микроскопическом уровне соответствует соперничество между сперматозоидами. Для митохондрий это настоящее испытание огнем, устраняющее даже малейшие несоответствия.
Мэтью Кейдж, биолог из Университета Восточной Англии в Норидже:
«Хоть митохондриальный геном и невелик, он имеет критически важное значение для здоровья организма. Выбор партнера и конкуренция обеспечивают отбор на основе высокой митохондриальной активности и качества спермы, которое напрямую зависит от функции митохондрий».
Подтверждение своей теории Даулинг находит у самых разных видов. Частота митохондриальных мутаций очень сильно отличается у разных организмов — от водорослей и тюльпанов до кораллов.
Согласно его теории, чем выше частота митохондриальных мутаций, тем чаще представители этого вида должны заниматься сексом. «У большинства наземных растений крайне низкая частота митохондриальных мутаций, поэтому очень мало растений размножаются половым путем», — говорит Даулинг.
Другие ученые сомневаются в этом.
Эволюционному биологу Браму Куйперу из Университетского колледжа Лондона нравится теория Даулинга, но он хочет получить больше доказательств. «Мы по-прежнему очень мало знаем о мутациях митохондрий у многих организмов».
Дэвид Рой Смит, биолог из Университета Западного Онтарио:
«Хоть митохондриальная ДНК у животных действительно эволюционирует намного быстрее, чем у растений, не всё так просто. Последние исследования показывают, что частота мутаций в пределах митохондриальной ДНК одного растения может очень сильно варьироваться».
Микроспоридии — один из видов, о которых Куйпер хотел бы узнать больше. Эти крошечные паразиты относятся к эукариотам, но они утратили митохондрии в процессе эволюции. Еще один — это коловратки Bdelloidea, маленькие водяные существа, которые обладают митохондриями, но не практикуют половое размножение. Теоретический биолог из Университета Британской Колумбии Сара Отто опасается, что эти пиявкоподобные организмы — исключение, опровергающее теорию. Тем не менее она допускает, что Даулинг прав и половое размножение возникло вследствие слияния существ, превратившихся в эукариотов.
Эволюция показывает, что объединение организмов стимулируют перемены.
Фримен Дайсон, физик, автор книги «Происхождение жизни»:
«Великий биолог Линн Маргулис научила нас, что большинство скачков в эволюции происходят благодаря симбиозу. Паразит атакует хозяина, затем следует борьба, которая приводит к возникновению новых форм. Поскольку хозяин поддерживает жизнь симбионта, тот получает возможность развиваться. Симбионт крайне редко коренным образом меняет образ жизни хозяина».
Что касается радикальных перемен, то половое размножение с сопутствующими ему энергозатратными ритуалами ухаживания и роскошными оперениями обеспечивает их сполна. Вполне возможно, что все эти затраты энергии — всего лишь способ избежать проблем, которые может спровоцировать группка из 37 генов.