Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни
Шрифт:
Бесполое размножение бделлоидных коловраток признают не все ученые. Ведь из того, что никто никогда не видел самцов, не следует, что их вовсе не существует. Оливия Джадсон в своей изощренной зоологической комедии “Доктор Татьяна” напоминает, что натуралисты попадаются на это не впервые. У бесполых на первый взгляд видов часто находят скрытых самцов. Так, самцы рыбы-удильщика – карлики, которые прикрепляются к телам самок, будто паразиты. Будь они еще немного меньше, мы могли бы вовсе их не заметить. Именно это и произошло с некоторыми видами червецов, самцы которых, по словам моего коллеги Лоренса Херста, – “крошечные создания, липнущие к ногам самок”. Херст также приводит замечание своего учителя Билла Гамильтона:
Часто ли мы видим людей, занимающихся сексом? Если бы мы были наблюдателями с Марса, мы уверились бы в том, что люди – бесполые существа.
Так что не мешает доказать, что бделлоидные коловратки размножаются лишь бесполым способом. У генетиков все лучше получается читать паттерны генного распределения у современных животных и на основе этого реконструировать их эволюционную историю. В “Рассказе Митохондриальной Евы” мы упоминали об Алане Темплтоне и его методе реконструкции ранних миграций человека на основе “сигналов” в генах современных людей. Логика здесь не дедуктивная. Мы не делаем на основе современных генов вывод о том, что эволюционная история должна была быть такой-то. Вместо этого мы предполагаем: если эволюционная история была такой-то, нам стоит ожидать такой-то картины современного распределения генов. Темплотон применял этот метод, реконструируя человеческие миграции. Нечто подобное проделали с бделлоидными коловратками Дэвид Марк Уэлч и Мэттью Мезелсон из Гарвардского университета. Они использовали генетические “сигналы” для реконструкции истории бесполого размножения. Здесь логика тоже не была дедуктивной. Ученые рассудили так: если бделлоиды размножались бесполым способом миллионы лет, мы можем увидеть определенный паттерн распределения генов.
Для начала нужно учитывать, что бделлоидные коловратки диплоидны, хотя и размножаются бесполым способом. То есть у них, как и у животных с половым размножением, по две копии каждой хромосомы. Все остальные животные для размножения образуют яйцеклетки и сперматозоиды с одной копией каждой хромосомы. Бделлоиды же образуют яйцеклетки, содержащие обе копии каждой хромосомы. Такая яйцеклетка почти не отличается от любой другой клетки тела, и дочь становится двойником своей матери, если не считать редких мутаций. Именно эти редкие мутации, которые миллионы лет накапливались в расходящихся линиях, под действием естественного отбора дали начало 360 современным видам.
Некая древняя самка (назовем ее гинархом) в результате мутации научилась обходиться без самцов и мейоза. Для образования яйцеклеток она стала использовать митоз. Поэтому для ее потомков тот факт, что хромосомы изначально были парными, неважен. Вместо, например, пяти пар хромосом (или сколько там было вначале) у коловраток теперь десять хромосом, и каждую из них связывают с бывшей парой затухающие воспоминания. Раньше хромосомы из одной пары встречались и обменивались генами всякий раз, когда коловратка производила яйцеклетку или сперматозоид. Но после того, как самка-гинарх прогнала самцов и основала бделлоидную матриархальную династию, каждая хромосома генетически стала отдаляться от своей пары, потому что теперь их гены мутировали независимо. Это происходило даже несмотря на то, что все это время хромосомы находились в одних клетках одних и тех же тел. В добрые старые времена, когда еще существовали самцы и половое размножение, подобного не бывало, и каждая хромосома имела пару, с которой обменивалась генами перед образованием яйцеклетки или сперматозоида. Поэтому хромосомы не теряли связи друг с другом и не расходились генетически.
У человека 23 пары хромосом: две хромосомы № 1, две хромосомы № 5, две хромосомы № 17, и так далее. За исключением половых X– и У-хромосом, между двумя хромосомами одной пары нет принципиальных различий. Поскольку они обмениваются генами в каждом поколении, обе хромосомы № 17 – это просто хромосомы № 17, и нет смысла называть их, например, 17-й левой и 17-й правой. Но после того, как коловратка-гинарх “заморозила” свой геном, все изменилось. И правая, и левая хромосомы № 5 передавались всем ее дочерям в неизменном виде, и эта пара не встречалась более 40 млн лет. У правнучек гинарха в сотом поколении по-прежнему сохранялись правая и левая пятая хромосома. И хотя к тому моменту обе эти хромосомы уже накопили некоторое количество мутаций, левые и правые хромосомы по-прежнему оставались узнаваемыми благодаря их сходству с соответствующими копиями хромосомы № 5 коловратки-гинарха.
Все 360 видов бделлоидных коловраток произошли от гинарха и отделяются от нее одинаковыми промежутками времени. Все особи всех видов до сих пор имеют левую и правую копию каждой хромосомы, которые в ходе эвоюции накопили много мутационных изменений, но ни разу не обменялись друг с другом генами. В итоге хромосомы одной пары у каждой особи сильнее отличаются друг от друга, чем у животных с половым размножением. И когда-нибудь мы не сможем сказать, что когда-то эти хромосомы составляли пару.
Сравним два современных вида бделлоидных коловраток, например Philodina roseola и Macrotrachela quadricornifera. Оба вида принадлежат к подгруппе Philodinidae и, без сомнения, имеют общего предка, который жил гораздо позднее гинарха. В отсутствие полового размножения “левые” и “правые” хромосомы всех особей обоих видов располагали одинаковым временем для расхождения. У каждой особи левая хромосома сильно отличается от правой. Но если мы сравним, например, левую пятую хромосому P. roseola с левой пятой хромосомой M. quadricornifera, то обнаружим, что они схожи: у них было не так много времени для накапливания независимых мутаций. Точно так же между правыми хромосомами обоих видов мало отличий. Можно сделать вывод: некогда парные хромосомы одной особи отличаются сильнее, чем “левые” или “правые” хромосомы разных видов. Если бы коловратки размножались половым способом, картина была бы противоположной: главным образом потому, что при половом размножении хромосомы не остаются “левыми” или “правыми”, а также потому, что между хромосомами одной пары в пределах вида происходит значительное число рекомбинаций.
Марк Уэлч и Мезелсон использовали эти две противоположные модели, чтобы проверить теорию о том, что бделлоиды давно размножаются бесполым способом и не имеют дела с самцами. Ученые исследовали современных бделлоидных коловраток, чтобы понять, на самом ли деле их парные хромосомы (или некогда парные хромосомы) отличаются друг от друга сильнее, чем различались бы при условии половой рекомбинации. В качестве контрольной группы использовались другие коловратки, которые размножаются половым способом. Оказалось, хромосомы одной пары у бделлоидных коловраток действительно гораздо сильнее отличаются друг от друга, чем следовало бы. Причем масштаб этих различий говорит о том, что бделлоидные коловратки отказались от полового размножения не 40 млн лет назад (возраст самого старого янтаря, в котором они обнаружены), а около 80 млн лет назад. Марк Уэлч и Мезелсон самым добросовестным образом изучили все интерпретации полученных результатов. И все интерпретации оказались сомнительными, кроме одной, согласно которой бделлоидные коловратки очень давно, повсеместно и весьма успешно размножаются бесполым способом. Эти животные – действительно эволюционный скандал. Уже около 80 млн лет они процветают за счет стратегии, следовать которой не удается ни одной другой группе животных – разве что на короткое время, предшествующее вымиранию.
Почему бесполое размножение, как правило, ведет к вымиранию? Это не такой уж простой вопрос: он сводится к вопросу о преимуществах пола как такового. А этому вопросу посвятили не одну книгу гораздо лучшие ученые, чем я. Хочу лишь обратить ваше внимание на то, что бделлоидные коловратки – это парадокс внутри парадокса. В каком-то смысле они похожи на солдата в марширующем взводе, чья мать восклицает: “Посмотрите на моего мальчика – он единственный шагает в ногу!” Мейнард Смит назвал существование бделлоидов эволюционным скандалом, однако именно он одним из первых указал, что пол как таковой тоже по сути эволюционный скандал. По крайней мере, наивная трактовка теории Дарвина предполагает, что естественный отбор должен активно отсекать половое размножение, предпочитая его бесполому размножению. В этом смысле бделлоиды – как раз единственный солдат, идущий в ногу. И вот почему.
Проблема, как ее сформулировал Мейнард Смит, заключается в “двукратной стоимости” полового размножения. Дарвинизм в его современном варианте предполагает, что все особи стремятся передать потомкам как можно больше своих генов. Не глупо ли выбрасывать половину генов из каждой яйцеклетки (сперматозоида), чтобы смешать оставшуюся половину с генами партнера? Не будет ли мутантная самка, которая ведет себя как бделлоидная коловратка и передает потомкам все свои гены, вдвойне успешной?
Как отмечает Мейнард Смит, эта логика неприменима, если партнер-самец активно участвует в воспитании потомства: тогда пара может вырастить вдвое больше потомков, чем мать-одиночка, размножающаяся бесполым способом. В этом случае “двукратная стоимость” пола компенсируется удвоением потомства. У таких видов, как императорский пингвин, где вклад самца и самки примерно одинаков, “двукратная стоимость” пола компенсируется – по крайней мере отчасти. У тех видов, у которых вклад самки и самца неравен, от выполнения родительских обязанностей почти всегда уклоняются отцы, которые тратят энергию на драки с другими самцами. Это вдвое увеличивает стоимость пола. Поэтому Мейнард Смит изменил название гипотезы на “двукратная стоимость” самцов. С этой точки зрения эволюционным скандалом являются как раз не бделлоидные коловратки, а все остальные животные. Точнее – все остальные самцы. Однако самцы есть почти у всех животных. Как написал Мейнард Смит, “остается ощущение, что мы упустили некий важный аспект этой ситуации”.