Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии

Что касается женщин, ответ на вопрос «Где?» звучит на удивление прилично: «В животе». Вернее, начинается мейоз даже в двух животах сразу: в едва сформированном «животе» у четырехмесячного плода женского пола, который находится в животе матери. Там происходит кое-что интересное, о чем было вскользь упомянуто в одной из предыдущих глав, – мейотический арест. Мейоз начинается в точности как ему положено: взаимный поиск гомологичных хромосом, затем построение синаптонемного комплекса, генетическая рекомбинация, образование хиазм… и тут все вдруг останавливается. Будущая яйцеклетка замирает на много лет. Гомологичные хромосомы отца и матери вполне готовы разойтись по разным полюсам, но сделают они это лишь в тот момент, когда у девушки – уже, вероятно, достаточно взрослой – наступит овуляция, причем именно эта яйцеклетка будет в этот день облечена миссией выйти в свет, то есть в яйцевод. Немногие из них дождутся этого дня: в мейоз вступают около 2 млн клеток, но лишь около пятисот пройдут весь путь до конца.
Когда нашей клетке придет пора выйти в самостоятельное плавание, мейоз возобновится: растворится ядерная мембрана, хромосомы-гомологи разойдутся по разным полюсам клетки, затем начнется второе деление, образуется новое веретено, нити его натянутся, потому что сестринские хроматиды еще склеены в области центромер… и тут все опять остановится. Это второй мейотический арест. Довести мейоз до победного конца яйцеклетка сможет только после того, как в нее проникнет сперматозоид. Это значит, что вашим предкам по материнской линии никогда (по крайней мере за последнюю пару сотен миллионов лет) не привелось побыть по-настоящему гаплоидными.
Все эти хитрости – вовсе не наше человеческое изобретение. По какой-то причине мейотические аресты бывают у всех животных (а у растений, например, никогда), и генетики отчаянно спорят, в чем смысл этой затеи. Решения пока нет, но есть некоторые разумные аргументы. Начать мейоз как можно раньше, а потом остановить его может быть хорошей идеей, если нужно, чтобы до мейоза клетки прошли как можно меньше делений – потому что при каждом делении могут возникнуть мутации. Далее, первый арест почти всегда наступает в тот момент, когда между гомологичными хромосомами только что образовались хиазмы. Возможно, клетка просто берет тайм-аут, чтобы еще раз проверить, не напортачила ли она с рекомбинацией, – мы уже обсуждали, что дело это опасное. Сейчас для этого отличный момент: сестринские хроматиды находятся рядом, и всегда можно исправить ошибку на одной из них, взяв за образец другую. Это лишь одна из гипотез, но, согласитесь, довольно очевидная.
Со вторым арестом все сложнее, потому что у разных существ он наступает в разное время. Мы сейчас говорили о человеке, а вот некоторым беспозвоночным показалось удобнее арестовывать мейоз повторно сразу же, едва он только выйдет из-под первого ареста. Пары гомологичных хромосом у них выстраиваются по экватору клетки, приготовившись разойтись в первом делении мейоза, и тут же замирают в этом положении.
Одна из идей такова: возможно, мейотические аресты нужны для того, чтобы не дать будущей яйцеклетке начать делиться, не дождавшись оплодотворения. Что касается второго ареста, такое объяснение подсказывает сама событийная канва: не случайно же освободить от него яйцеклетку способен только сперматозоид. Нам может показаться странной затея надолго оставлять свои хромосомы в столь неудобном положении – подвешенными на нити веретена по экватору клетки, лишенными прикрытия ядерной мембраной или, как в первом аресте, с неразрешенными проблемами хиазм. Но это ошибка человеческой оптики: мы видим мейоз как некий законченный сюжет, своего рода представление, у которого есть начало и конец, а потом артисты идут в гримерку и переодеваются к следующему спектаклю. Однако клетка не знает названий «митоз» и «мейоз» – для нее все это звенья бесконечной последовательности событий, где после одного шага немедленно предусмотрен следующий.
Чтобы прервать эту цепь, клетке нужны особые приспособления. А в мейозе такие приспособления уже предусмотрены. Это «чекпойнты» – механизмы, которые не дают перейти к следующему этапу, если предшествующий этап не прошел так, как должно. У растений мейотических арестов не бывает, но у них и «чекпойнты» работают по-другому: мейоз доходит до конца, даже если что-то пошло не так и в ДНК, к примеру, остались незалатанные двойные разрывы. Так что смысл в этой гипотезе определенно есть: клетка делает перерыв в своих действиях прямо посреди мейоза именно потому, что только в этот момент у нее есть эффективные тормоза, способные остановить движение.
 
А вот еще одна фирменная фишка женского мейоза, о которой уже упоминалось, когда мы обсуждали конкуренцию центромер. По какой-то причине лишь один из продуктов мейоза превращается в зрелую гамету, а остальные три – их называют «полярные тела» – идут в расход или в лучшем случае используются для изготовления семян у высших растений. Этот фокус встречается на самых разных ветках древа жизни, от одноклеточных жгутиковых до людей женского пола. Сейчас считается, что он – лучше уж сразу сказать, что это называется асимметричным мейозом, – возникал в эволюции много раз. При этом симметричный мейоз – как у грибов с их тетрадами спор или, забегая вперед, у автора этих строк и в целом людей мужского пола, – надо считать предковой «примитивной» формой. Но если асимметричный мейоз с полярными телами возникал и закреплялся в эволюции несколько раз, значит, это не случайность, а адаптация, несущая организмам очень весомую пользу. Увы, тут биологи опять не могут с уверенностью объяснить, что же это за польза.
Самое простое объяснение вот такое: женской половой клетке по определению надо вырасти большой и накопить побольше ресурсов, поэтому таких клеток удобно делать меньше. Однако эту задачу можно было решить и по-другому – просто допуская до мейоза поменьше крупных клеток, имевших в своей родословной меньше делений. Конкурировать за ресурсы будут как четыре потомка одного мейоза, так и одинокие потомки многих мейозов: так в чем же тут выгода? Высказано предположение, что здесь опять все дело в эгоистичных генетических элементах. В мейозе они могут устроить настоящую войну за то, кто из четырех потомков получит больше ценных ресурсов, и, чтобы подавить эту дорогостоящую неразбериху, клеткам показалось выгоднее заранее обречь трех потомков на исчезновение и ограничиться одним. С другой стороны, в истории про центромеру мы видели, что и сам асимметричный мейоз дает поводы для генетических конфликтов. Одним словом, ответа пока нет: просто мейоз у женского пола происходит вот так, а почему – неизвестно.
Перейдем к мужчинам. Их подход к мейозу отличается какой-то анекдотичной мужской распущенностью и необязательностью. Если будущая девочка еще в состоянии четырехмесячного эмбриона начинает готовиться к материнству, затевая свои 2 млн мейозов, то будущий мальчик в этот момент просто не делает ничего. Только в возрасте десяти – двенадцати лет клетки-сперматогонии, расположенные в семенниках, превращаются в сперматоциты и начинается изготовление зрелых сперматозоидов. Весь процесс занимает у одной клетки отнюдь не десятилетие, а всего месяца два, а сам мейоз проходит гораздо быстрее, причем без всяких арестов. К тому же он совершенно симметричный, как у какой-нибудь плесени: из одного сперматоцита I получается два сперматоцита II, четыре сперматида и, соответственно, четыре прелестных хвостатых спермия.
Еще одно важное различие полов: число делений, которое пройдет будущая яйцеклетка от зиготы до гаметы, строго отмерено. Это и понятно: при каждом клеточном делении есть риск возникновения мутаций, а женщине важно сберечь свой геном для яйцеклетки, чтобы в целости и сохранности передать его следующему поколению. А вот мужчины и с этим не заморачиваются: сперматогонии, готовящиеся к вступлению в мейоз, получаются из клеток (они называются «сперматогонии А»), которые продолжают делиться всю жизнь. Чем старше мужчина, тем больше делений за плечами у каждого из его сперматозоидов и тем, очевидно, больше в них накапливается ошибок.