Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии

Так что отбросим всякие оговорки: будем и дальше делать вид, будто ученые точно знают, что там произошло. А произошло немало интересного: только в сказках бывает так, что «стали они жить-поживать да добра наживать», а в реальности с предложения: «Давай съедемся?» – начинаются вовсе не идиллии, а букеты проблем. Так и у нашей химерной клетки. Оказалось, что у бактерии-сожителя были проблемы со здоровьем: в ее геноме водились паразитические последовательности, прыгавшие из гена в ген. Бактерии научились как-то их контролировать, или, наоборот, паразиты научились прыгать осторожно, чтобы случайно не убить бактерию и не погибнуть вместе с ней. Но тут для паразитов открылось новое поле деятельности – геном археи-хозяина, которая никогда раньше с ними не встречалась. Паразиты встраивались в гены и портили их, в результате производились никуда не годные белки. Очень многих это убило. Выжили те, кто научился кое-как справляться с напастью. Мы от них и произошли.
От тех времен в наших клетках осталось хорошо заметное наследие. В отличие от бактериальных (да, кстати, и архейных) генов, в наших генах полным-полно вставных кусочков, которые прерывают связный текст – то есть инструкцию по синтезу белка. Они называются интронами. Прежде чем синтезировать на генетической матрице белок, наши клетки тщательно вырезают из нее эти самые интроны. Оттуда же берет начало и другая наша особенность, давшая название всей нашей ветке жизни, – эукариоты. Это ядро, в котором заключен наш геном. Идея ядра состоит в том, чтобы как-то изолировать гены от цитоплазмы, где делаются белки, и дать клетке возможность вырезать из матричной РНК (мРНК) все ненужное, прежде чем начать использовать ее по назначению.
Итак, клетку перегородили на ядро и цитоплазму, выделив таким образом кабинет для босса. Как и в человеческом офисе, младшие начальники после этого тоже могут захотеть отгородиться от низового персонала, и вот уже вместо демократичного open plan у вас выстраивается лабиринт каморок-компартментов. В результате наша клетка становится совсем уж не похожа на бактериальную. Бактерия вообще-то внутри жидкая: если ее проткнуть, из нее все вытечет. А наша клетка студенистая внутри из-за этих перегородок, и из нее ничего не вытекает, потому что она вся заполнена разными прочными молекулярными структурами.
Или вот еще разница между мной и бактерией или археей: мои хромосомы большие, линейные и их много, а у большинства микробов хромосома маленькая, кольцевая и одна. Казалось бы, налицо некий созидательный прогресс. Но подумайте: как сделать из одного кольца много линейных кусочков? Да просто порубить это кольцо в нескольких местах. А как теперь сделать эти линейные кусочки большими и важными? Напихать в них всякого мусора, то есть тех же паразитических последовательностей. И вот уже вместо конструктивного прогресса начинает вырисовываться совсем другая история. Наши предки устали бороться с натиском всевозможных мутаций, при попытке починить которые может образоваться разрыв в хромосоме. Предки махнули рукой: пусть встраиваются эгоистичные элементы, пусть геном непомерно распухает от ненужного хлама, пусть вместо аккуратного кольца будут отдельные кусочки [14]. Постараемся компенсировать ущерб другими способами.
Ну что – вроде компенсировали. Так теперь и живем.
О том, что все могло быть именно так, догадался тот же Билл Мартин. Вместе с Евгением Куниным (род. 1956) они написали статью, а потом Кунин коротко и понятно изложил эту идею в своей книжке «Логика случая». Этот сценарий подкупает убедительностью: вторжение молекулярных паразитов (вставочных последовательностей ДНК, или уж назовем их честно «интронами II типа») объясняет множество черт сложных клеток, которые раньше казались странными и непонятно откуда взявшимися.
Но мы-то толкуем о сексе, так при чем тут секс? Зайдем теперь с другого конца. В первых главах нашей истории мы несколько раз сталкивались с одной трудностью. Половое размножение действительно может способствовать выживанию, а раз так, естественный отбор должен быть на его стороне. Но вот только ущерб от полового размножения – «двойная цена» секса – наступает немедленно, а выгоды могут проявиться через несколько поколений. А отбор не заглядывает вперед, так что вроде бы те, кто придумает размножаться половым путем, обречены на исчезновение еще до того, как успеют воспользоваться всеми преимуществами своей затеи. Многие из обсуждавшихся гипотез могут отлично работать только в том случае, если выгодами секса тоже можно будет воспользоваться немедленно: те, кто его не освоит, должны вымереть в следующем же поколении, расчистив место для сексуальных новаторов.
 
Рассказ о популяционно-генетических гипотезах происхождения пола мы закончили именами Салли Отто и Ника Бартона – биологов-математиков, предложивших самые современные математические модели популяций, размножающихся половым путем. По их расчетам, половое размножение может выиграть у бесполого при разных начальных условиях, но самый надежный рецепт таков: очень быстрый темп накопления мутаций и сильное давление отбора. В этом случае первое же поколение потомства будет испорчено мутациями безнадежно. Его единственный шанс – начать лихорадочно перетасовывать свои геномы в надежде, что совершенно случайно получится собрать вместе все нужные кусочки, не испорченные мутациями.
Это очень похоже на ситуацию, в которой, видимо, оказались наши химерные предки, подвергшиеся атаке паразитов-интронов. Если у вас испорчен один ген, вы можете поискать в окрестностях похожую последовательность ДНК и заменить дефектный кусок. Но если испорчена половина генома, путь один: найти еще один такой же геном и попробовать сделать из двух плохих один хороший. А это именно тот способ рекомбинации – «полногеномный», – на котором строится половое размножение всех сложных организмов, в отличие от бактерий, способных обмениваться в основном небольшими кусочками геномов. И вот наши предки решились попробовать: слили свои клетки, перетасовали геномы, наделали детей. И все получилось: кто-то из детишек выжил. Мы об этом знаем потому, что и сами живы.
Итак, есть резон предполагать, что наше половое размножение – наследие тех времен, когда наш химерный предок из последних сил пытался не сломаться под непосильным мутационным бременем. К счастью, этот период, как и все мрачные полосы в истории, имел начало и конец. И поскольку происходило это еще до того, как на Земле появился последний общий предок всех современных эукариот, от которого пошли линии животных, растений, грибов, амеб, инфузорий и т. п., все они, то есть мы, унаследовали странные атавизмы того времени. Наш секс, со всеми его, казалось бы, случайными особенностями, тоже оттуда.
Это, конечно, лишь одна из гипотез. И уж если мы взялись сыпать гипотезами, отсылающими к житью-бытью общего предка всех эукариот, надо упомянуть еще об одном обстоятельстве. В самой первой части рассказа, иллюстрируя идею естественного отбора миллионным стадом несуществующих слонов, мы упоминали о том, что, кроме отбора, жизнями слонов распоряжается слепой случай. Может случиться так, что у нескольких слонят возникнут чрезвычайно полезные адаптации, но пришедшая из Калахари страшная засуха или извержение вулкана безвременно оборвет их жизни. Тогда, вопреки Дарвину, наиболее приспособленные слонята могут погибнуть, а в живых, наоборот, останутся те, которые так себе.
Позже американский генетик и статистик Сьюал Райт (1889–1988), а за ним и японец Мотоо Кимура навели на эти фантазии математический глянец. Оказывается, все зависит от размера популяции: чем она больше, тем меньше роль случайности. Если точнее, то в популяции из N особей (слонов, например) отбор может эффективно действовать на признаки, для которых коэффициент отбора больше чем 1/N. Это значит, что в популяции бесконечного размера даже самые крохотные улучшения должны быть подхвачены отбором, а если особей всего 1000, то все, что приносит пользу меньше чем 0,1﹪, никак в селекционном процессе не учитывается. Если же в какой-то момент на Земле – или на удаленном острове во время зомби-апокалипсиса – осталось всего полдюжины выживших, то среди их потомков, наверное, закрепятся суперполезные признаки, увеличивающие шансы выживания на 20﹪ и более, а вот все менее заметные улучшения – или, что бывает чаще, ухудшения – окажутся факультативными. Перейдут ли они следующему поколению или канут в Лету – вопрос случая.