почему существует 2 пола
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.
«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.
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
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».
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.
Почему природа предпочитает пары и даже у дрожжей два пола?
У некоторых видов не пара, а гораздо больше полов (точнее — их функциональных эквивалентов), однако у большинства видов их только два. Согласно новой теоретической модели, дело в частоте спариваний.
Нам свойственно выделять два биологических пола: мужской и женский. Но, пока не началась эволюция, в результате которой появились яйцеклетки и сперма, то есть пока половые клетки не стали различаться по размеру и форме, организмы нельзя классифицировать по полу. Это относится и ко многим нынешним видам грибов, водорослей и простейших животных, чьи половые клетки различаются не анатомически, а лишь на молекулярном уровне, и вместо полов имеются лишь типы спаривания, или половые типы. И эти типы не обязательно образуют пары.
К примеру, у социальной амёбы Dictyostelium discoideum три половых типа, и каждый способен спариваться с двумя другими. Coprinellus dispinatus, гриб с пепельно-серой шляпкой, имеет 143 половых типа, каждый из которых может стать парой для любого из 142 остальных. Волосатый, веерообразный гриб Schizophyllum commune использует более 23 000 типов спаривания (впрочем, его замысловатая репродуктивная стратегия не позволяет каждому из этих типов спариваться с любым другим).
Однако у большинства видов всего лишь два типа спаривания. Джордж Констабл (George Constable), научный сотрудник Университета Бата (University of Bath), и Ханна Кокко (Hanna Kokko), биолог-эволюционист из Цюрихского университета (нем. Universität Zürich, UZH), решили выяснить почему. В статье, опубликованной в июне в Nature Ecology & Evolution, они предложили предсказывать, сколько типов спаривания окажется у вида, с помощью модели, созданной на основе трёх фундаментальных экологических элементов: частоты мутаций (она генерирует новые типы), размера популяции и — что оказалось весьма неожиданным — частоты половых сношений. Работа этих исследователей не только даёт возможность лучше понять базовую биологию примитивных видов живых организмов, но и, по-видимому, будет способствовать выяснению того, как в ходе эволюции появились два противоположных пола — мужской и женский.
По мнению многих учёных, развитие типов спаривания в ранний период жизни на Земле стало барьером на пути инбридинга и подобных ему форм скрещивания, способных нанести вред популяции или виду. В результате полового сношения с неподходящим типом спаривания (включая спаривание организма с самим собой) не появляется никакого потомства.
Если не учитывать это ограничение, получается, что виду выгодно иметь как можно больше типов спаривания. При наличии двух типов только половина популяции способна претендовать на роль полового партнёра для данной особи. При трёх типах число потенциальных партнёров возрастает до двух третей и так далее, по мере появления новых типов спаривания. Когда в результате мутации появляется новый половой тип, перед ним не встаёт проблема отыскать в популяции редкую пару; напротив, он может спариваться со всеми, в силу чего быстро производит потомство и увеличивает свою численность.
«Логично предположить, что число типов спаривания должно всё расти и расти до тех пор, пока их счёт не пойдёт на тысячи», — отмечает Констабл.
Почему же половых типов редко бывает очень много? Это объясняют тем, что виду нужна стабильность. Выходит, что наилучший вариант — иметь всего лишь два типа спаривания: здесь можно использовать простые, эффективные феромонные сети и простую систему сортировки при передаче органелл из родительских клеток в клетки потомства. Однако такого рода теории не учитывают множество исключений.
И тут Констабла осенило. «Я понял: всё дело в нашем предположении о том, что виды спариваются непрерывно», — говорит он. Это предположение существенно влияло на качество его прогнозов о развитии популяций, поскольку в периоды отсутствия спаривания половой тип превращается в нейтральный признак, и тогда доминирование одних типов и исчезновение многих других зависит от случайных событий.
Согласно новой модели, большие популяции, в которых размножение в наибольшей степени зависит от половых сношений, способны поддерживать больше типов спаривания, чем те популяции, где меньше половых сношений. Констабл и Кокко задались вопросом, насколько редким должно быть половое размножение, чтобы имело место всего лишь два типа спаривания. Оказалось, очень и очень редким: только один раз за несколько тысяч поколений.
У этих чудесных чернильных грибов (Coprinellus dispinatus), сфотографированных в Лондоне, 143 половых типа, каждый из которых способен спариваться с любым из остальных.
«Это позволило приподнять завесу давнишней тайны и открыло путь к решению серьёзных проблем, довольно простой, ясный и напрямую связанный с биологией данных организмов», — считает Юсси Лехтонен (Jussi Lehtonen), биолог-эволюционист из Сиднейского университета (University of Sydney).
Кроме того, по мнению Кокко, новая модель дала возможность ясно увидеть, что наши знания о фундаментальных законах биологии, сформировавшиеся на основе изучения горстки видов живых организмов (таких как мыши, плодовые мушки или кишечные палочки), не в состоянии охватить реальное разнообразие даже наиболее важных процессов, происходящих в природе. «Исследователи [могут быть] слегка близорукими, когда нужно осознать разнообразие. Далеко не всё живое подчиняется набору широко известных правил», — подчеркнула Кокко в своём электронном письме. Она надеется, что её исследования вдохновят учёных на дальнейшее эмпирическое изучение грибов и подобных им необычных, обделённых вниманием видов. (Эта работа помогла бы достроить её модель, добавить к ней такие важные видоспецифические механизмы, как феромонная сигнализация и наследование органелл).
Эзотерические, на первый взгляд, правила жизнедеятельности грибов и сходных с ними организмов могут, как ни странно, способствовать изучению свойств, которые всем нам прекрасно знакомы. «Мы можем рассматривать существование двух типов спаривания как триггер эволюции, в результате которой появились два противоположных пола — мужской и женский», — утверждает Сильвен Билльярд (Sylvain Billiard), биолог из французского Лилльского университета наук и технологий (фр. Université des Sciences et Technologies de Lille 1). Модель Констабла и Кокко, по-видимому, способна объяснить, какие условия необходимы для того, чтобы данная эволюция получила основу. Ньивенхёйс предположил, что, поскольку два типа спаривания доминируют при низкой частоте полового размножения, в этих условиях могут возникать ситуации, когда очень трудно найти полового партнёра. Вероятно, такие условия благоприятны для специализированных, мелких гамет, способных сравнительно легко добираться до партнёра. Отсюда — прямая дорога к сегодняшним полам.
Кое-что из этого Ньивенхёйс пытается реконструировать в лаборатории: он работает с делящимися дрожжами, чтобы создать третий половой тип, способный спариваться с двумя уже существующими. «Но это очень сложно», — говорит он, и пока что его усилия не увенчались успехом.
Как и Ньивенхёйс, Констабл считает, что работа в данном направлении может иметь прикладное значение. У патогенных грибов, заражающих культурные растения, один из типов спаривания часто обладает особенно разрушительными свойствами, и гены, определяющие этот тип, могут, скажем, иметь отношение к его опасной устойчивости к противогрибковым препаратам. Выяснив, почему данные свойства выступают вместе, можно сделать борьбу с болезнями культурных растений более эффективной.
По мнению Зены Хадживасилиу (Zena Hadjivasiliou), научного сотрудника Женевского университета (фр. Université de Genève), открытия Констабла и Кокко «в некоторых отношениях … начались с довольно простого интуитивного прозрения. Но иногда именно этот тип вдохновения становится источником ярчайших научных достижений».
Почему существует 2 пола
Два пола. Зачем и почему? Эволюционная роль разделения на два пола с точки зрения кибернетики.
Журнал «Наука и жизнь», 1966, № 3, стр. 99-105.
В горах Армении, на берегах озера Севан, живут интересные ящерицы. Они замечательны тем, что среди них нет самцов – одни самки, которые откладывают неоплодотворенные, но способные к развитию яйца. Из них выводятся опять-таки исключительно самки.
Такой метод размножения крайне прост и весьма рационален: потомство могут дать все особи, и отпадают трудности, связанные с поиском «супруга».
Выходит в деле продолжение рода вполне можно обойтись без самцов.
Другой интересный способ размножения встречается у обитателей наших озер – серебристых карасей. Они, так же как и ящерицы с берегов Севана, представлены одними самками. Но эти самки все-таки прибегают к услугам самцов. других видов рыб. Сперма «чужих» самцов активирует их икринки, побуждая их к развитию. Однако настоящего оплодотворения – слияния ядер мужской и женской половых клеток – здесь не происходит. Самцы в таком случае не принимают генетического участия в образовании новых существ и поэтому не могут претендовать на отцовство. Роль отца могут играть иголка или некоторые химические вещества. Например, икринки лягушки можно стимулировать к развитию уколом тонкой иглы, а яйцеклетки ряда морских животных побудить к делению, встряхивая их или добавляя к воде некоторые кислоты или соли.
В лабораторных условиях даже столь высокоорганизованное животное, как кролик, иногда появляется на свет без участия самца. Яйцеклетку извлекают из организма самки, механическим или химическим путем побуждают к делению, а затем вновь помещают в чрево матери. Далее идет нормальное развитие и рождение нового существа. Такой «крольчонок-сирота» может развиться во вполне взрослое животное.
У некоторых видов животных можно найти примеры весьма «несправедливого» отношения к самцам. Так самки пауков допускают к спариванию, но съедают его сразу после свадьбы. Чтобы избежать такой участи, самец преподносит своей кровожадной невесте лакомство.
Также «безбожно» поступают и самки богомола, откусывающие во время спаривания голову самца. Свою миссию самцу-богомолу приходится выполнять, уже будучи без головы.
К этим примерам можно добавить еще повадки пчел и ос, некоторые виды которых «допускают» появление самцов не в каждом поколении или практикуют их уничтожение сразу же после осеменения матки.
Однако у подавляющего большинства животных самки «держат» своих самцов, терпят их и относятся к ним довольно сносно. Более того, виды, которые, «умеют» размножаться без самцов, например, некоторые ракообразные, обходятся без них летом – когда тепло и много корма. Но, как только наступает осень или засуха, они прибегают к услугам самцов. Это заставляет думать, что самцы для чего-то все-таки нужны.
Попытаемся выяснить, для чего.
Для чего нужно скрещивание?
Существует два основных способа размножения: бесполое и половое. В бесполом размножении участвует только одна родительская особь, которая производит себе подобных. В половом размножении участвуют два родителя. Принципиальное значение имеет, однако, не количественная сторона: то, что в одном случае получается «из одного – два», а в другом – «из двух – три». Гораздо важнее качественная сторона дела, а именно то, что при бесполом варианте не возникает новых свойств, в то время как при половом каждый раз появляется иное качество, отличное от родительского. Это очень существенно.
Бесполый способ встречается в основном у одноклеточных организмов, половым способом размножается большинство животных, в том числе млекопитающие. Видимо, с эволюционной точки зрения это наиболее прогрессивный способ.
Преимущества полового размножения обычно связывают с возможностью перекомбинации наследственных признаков родителей, что приводит к появлению генетического разнообразия. В самом деле, легко родиться метисом, имея черного отца и белую мать. Но это невозможно без отца – только лишь от одной белой матери.
Половое размножение обязательно предполагает скрещивание и, как правило, сопровождается разделением на два пола. Скрещивание – как раз тот процесс, благодаря которому возникают новые варианты. Оно необходимо для обеспечения генетического разнообразия. А что дает разделение на два пола?
Нужны ли для скрещивания два пола?
Существует способ размножения, при котором животные не разделены – не дифференцированы – на два пола, однако скрещивание имеет место. Таким способом размножаются дождевые черви. У них каждый червяк одновременно является и самкой и самцом. Или устрицы, у которых одна и та же особь выступает сначала в роли самца, а затем в роли самки.
Казалось бы, такой способ дает больше преимуществ.
Действительно, если, например, популяция животных состоит из 100 особей и все они без исключения могут скрещиваться между собой, то максимальное число возможных вариантов будет (100*99)/2 = 4950. Если та же популяция делится поровну на два пола, то число особей каждого пола равно 50 и максимальное количество возможных вариантов при этом равняется произведению 50*50 = 2500. То есть почти в два раза меньше.
Как видим, разделение на два пола ухудшает дело.
В чем же тогда секрет? Какую выгоду дает дифференциация полов? Ради чего популяция жертвует доброй половиной возможных вариантов, и что она получает взамен?
Считается, что дифференциация на два пола обеспечивает производство двух сортов гамет – половых клеток: с одной стороны маленьких и подвижных сперматозоидов, задача которых состоит в том, чтобы встретиться с яйцеклеткой, и, с другой стороны, относительно больших, но неподвижных яйцеклеток, обеспечивающих будущий зародыш питательными веществами. Однако такая специализация имеет место и у гермафродитных животных (дождевых червей и устриц) без дифференциации на два пола и без уменьшения разнообразия вариантов. Следовательно, этим биологический смысл разделения на два пола объяснить нельзя.
Попытаемся проанализировать роль полов в процессе воспроизводства, то есть выяснить их отношение к основным критериям производства – количеству, качеству и ассортименту продукции. Ибо всякое производство характеризуется прежде всего этими тремя параметрами.
Количество, качество и ассортимент продукции.
Предположим, что в заповедник выпускают всего 100 зубров. Какое выбрать соотношение полов, сколько выпустить коров и сколько быков? очевидно, что это соотношение зависит от того, какие цели преследуются. Если, например, задаются целью получить максимальное количество телят, то разумно взять 99 коров и 1 быка – при этом в каждом поколении могут родиться 99 телят. Однако все эти телята окажутся одного сорта по отцу и будут отличаться только по матери. Максимальное количество возможных сочетаний родителей в этом случае равно 99. Если желательно получить максимальное разнообразие (ассортимент), то необходимо иметь коров и быков поровну. Тогда количество возможных вариантов скрещиваний определяется произведением 50*50 = 2500! Однако уменьшится количество потомства, так как в одном поколении родиться лишь 50 телят. Среди них будут результаты как хороших сочетаний родителей, так и плохих.
Если же желательно улучшить качество стада зубров, то необходимо создать условия для полового отбора, то есть сделать так, чтобы часть животных не участвовала в размножении. Для этого необходимо иметь избыток самцов. Тогда конкуренция в борьбе за самку приведет к тому, что часть самцов не будет представлена в потомстве. При этом, чем больше избыток самцов, те жестче будут условия отбора.