Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии: читать начало книги онлайн

Но представьте себе, в каком сложном положении оказывается автор этих строк. Ему надо разобраться, почему вообще бывают самцы и самки, но, как ни определяй этих самцов и самок, в природе непременно найдется совершенно издевательский контрпример. Наверное, придется нам опять все упрощать и вместо живых, пушистых, склизких, юрких, кусачих, так и лезущих из-под земли где не надо реальных существ рассматривать абстрактные мешки с генами.

Итак, двум мешкам с генами зачем-то понадобилось эти гены перемешать и разделить по-новому. Предположим, им это действительно необходимо, хотя предыдущие десять глав так и не дали ясного ответа, зачем именно. Для этого двум мешкам придется найти друг друга и слиться. Затем этот общий мешок поделится, причем в нем должен быть необходимый детишкам запас питательных веществ, который сложится из суммы двух мешков.

Внимание, сейчас будет математика для восьмого класса. Примем за единицу то общее количество питательных веществ, которое потребуется детишкам. Если один родитель сделает вклад а, второму останется внести 1 – а, где а – все что угодно от 0 до 1. Но, кроме экономических проблем молодой семьи, у этих будущих папы и мамы есть еще одна нерешенная задача: вообще найти друг друга в пространстве. Ясно, что, если сидеть на месте, не встретишь никого. Не слишком глупо предположить, что вероятность найти свою половинку пропорциональна скорости, с которой будешь двигаться. Та же картина и у второго партнера, а поскольку мы еще не научились их различать, все должно быть симметрично: наверное, вероятность встречи пропорциональна произведению скоростей. Наконец, скорость явно будет больше у того, кто мелкий и юркий. Возможно, мы не слишком ошибемся, если примем, что скорость движения обратно пропорциональна размеру: стало быть, у одного партнера это 1/а, у другого 1/(1 – а).

Вот мы с грехом пополам получили формулу: вероятность встречи пропорциональна 1/а(1 – а). Вопрос: при каком а эта вероятность максимальна? Умный школьник берет производную, школьник потупее строит график по точкам, перебирая разные а от 0 до 1. Результат будет такой: ровно посередине интервала, когда а = ½, вероятность встретить партнера минимальна. А вот на краях интервала, вблизи значений 0 и 1, график взмывает вверх. Итак, мы получили ответ: самый лучший результат будет у той пары, где один из партнеров как можно меньше и подвижнее, зато второй вносит как можно больший вклад в совместный родительский капитал. Вариант равноправия заведомо проигрышный. В идеальном мире один партнер сидит у окошка в ожидании суженого, а дождавшись, рожает и воспитывает общих детей. Второй партнер шныряет туда-сюда в поисках приключений и в житейском плане абсолютно бесполезен. Так школьная математика закладывает теоретическую основу для гендерного неравноправия.

Если бы все в науке было так просто и наглядно, ею занимались бы даже смекалистые шимпанзе. Проблема нашей формулы не только в том, что при ее выводе мы сделали пару-тройку необоснованных натяжек. То есть мы их, конечно, сделали, но более строгая математика дает сходный результат. Такую математику лет двадцать назад предложил биолог по имени Дэвид Дюзенбери, и его вывод не отличается от нашего, дилетантского. Он буквально изложен в названии его статьи: «Отбор на высокую вероятность встречи объясняет эволюцию анизогамии при разумных предположениях о зависимости скорости и продолжительности плавания от размера». Анизогамия, кстати, – это как раз такая ситуация, когда два мешка с генами, вздумавшие эти гены перетасовать, специализируются в своих стратегиях, то есть делятся на два пола.

Проблема не в том, что мы рассматривали тут несуществующих мешкообразных молодоженов, а в реальном мире описанная ситуация – когда два организма объединяют свои капиталы, а потом делят их между потомками – встречается не так уж часто. При всем разнообразии реальных ситуаций у подавляющего большинства земных организмов репродуктивное поведение самцов и самок действительно различается, и при желании эти различия можно описывать в предложенных терминах: кто-то больше вкладывает, а кто-то больше суетится.

Настоящая проблема этих рассуждений в другом. Процитируем собственную фразу двумя абзацами выше: «В идеальном мире один партнер сидит у окошка в ожидании суженого, а дождавшись, рожает и воспитывает общих детей. Второй партнер шныряет туда-сюда в поисках приключений». Подвох кроется в первых словах фразы: «В идеальном мире». В седьмой главе мы толковали о том, почему естественный отбор, вообще говоря, совершенно не рассчитан на то, чтобы достигать идеала. Он, как было тогда сказано, действует «дифференциально» – не знает, в чем отдаленная цель, а просто благоволит тем генам, которые способны обеспечить в следующем поколении чуть более высокую вероятность выживания… для самих себя. Поэтому, если вам кажется, что какое-то устройство жизни было бы очень логичным и удобным для всех, вам придется выяснить, каким путем жизнь могла бы достичь такого устройства.

Ну что же, посмотрим, как природа постепенно нащупывала разные способы разделить свои творения на два пола.

Марков А. Самцы и самки меняются ролями при смене погоды. См.: https://elementy.ru/novosti_nauki/431958/Samtsy_i_samki_menyayutsya_rolyami_pri_smene_pogody

Birky C. W. Jr. Uniparental Inheritance of Organelle Genes. Current Biology: CB. 2008. 18(16): R692–5.

Cassini M. H. Sexual Size Dimorphism and Sexual Selection in Primates. Mammal Review. 2020. 50(3): 231–233.

Diamond M. Sex and Gender: Same or Different? Feminism & Psychology. 2000. 10(1): 46–54.

Dusenbery D. B. Selection for High Gamete Encounter Rates Explains the Evolution of Anisogamy Using Plausible Assumptions about Size Relationships of Swimming Speed and Duration. Journal of Theoretical Biology. 2006. 241(1): 33–38.

Judson O. Dr. Tatiana's Sex Advice to All Creation: The Definitive Guide to the Evolutionary Biology of Sex. New York: Holt/Metropolitan, 2003. (Джадсон О. Каждой твари – по паре: секс ради выживания / Пер. Е. Милицкой. – М.: Альпина нон-фикшн, 2018.)

Глава двенадцатая, в которой читатель узнает о сексуальных проблемах сыроежек

Типы спаривания

Я бью себя по рукам каждый раз, когда они печатают на клавиатуре какой-нибудь мудреный биологический термин. Вот и в прошлой главе заслуженно получил леща: там проскочили и «конъюгация», и «пили», и «митохондрии», и, наконец, «анизогамия». Напомню, что так называется ситуация, когда партнеры в сексе явно отличаются друг от друга и внешне, и стратегией поведения. Ну что ж, семь бед – один ответ: раз есть анизогамия, должна быть и изогамия. Это когда два партнера внешне неотличимы и во время скрещивания ведут себя одинаково. При этом они все равно могут принадлежать к двум «полам», просто внешнему наблюдателю различия не видны.

Навалим в кучу еще больше сложных слов: кроме анизогамии и изогамии, существуют гетероталлизм и гомоталлизм. Первое слово означает, что два разных пола все-таки необходимы, даже если различия совершенно незаметны никому, кроме самих партнеров. А второе слово – это когда полов вообще нет и спариваться можно с кем угодно. Я попытаюсь в дальнейшем избегать всевозможных «-гамий» и «-таллизмов», но пусть они останутся в тексте хотя бы в некоторых местах – специально для любителей сложных слов.

В природе все эти варианты встречаются, и можно предположить, что самый примитивный из них – это когда скрещиваться уже хочется, но никаких полов еще нет, а потому нет и различий между ними. Такой вариант, кстати, показался удобным моей любимой плесени аспергиллу. Однако в первой части мы целые десять глав говорили о том, что смысл секса – освежить свой геном посредством перемешивания генов. Наверное, перемешивать гены имеет смысл с кем-то, у кого они отличаются от ваших?

Дальше пойдут рассуждения с позиций здравого смысла, а потом будет интересно увидеть, как они завели нас в тупик.

Итак: гены хорошо бы перемешивать с партнером, у которого они немного другие. Спариваться с самим собой совершенно бессмысленно, а природа не любит бессмысленных действий. Как избежать такого конфуза, если вы, например, гриб и ваша гифа встретила другую грибную гифу, вроде бы симпатичную, но вы не уверены, не растет ли она из той же самой колонии плесени, что и вы?

Самый простой путь к успеху – спариваться с кем-то, кто хоть в чем-то от вас отличается, потому что сами вы от себя не отличаетесь ни в чем. Решение задачи? Завести себе «тип спаривания». Пусть в популяции будут два варианта какого-то гена, причем для успеха любовного акта партнеры должны иметь разные варианты. Если вы встречаете кого-то с другим вариантом гена – это точно не вы, спариваться можно. Если вариант тот же самый – возможно, парень он симпатичный и вам во всем подходит, но на всякий случай лучше не надо.

Примером прямолинейной реализации этой идеи могут служить пекарские дрожжи. У них есть ген (генетики ради пущей точности употребляют здесь слово локус – это такое место в хромосоме, где может быть один или другой вариант какого-то гена) по имени МАТ, который способен существовать в двух вариантах – a и α («а» и «альфа»). Этот локус кодирует белки, руководящие переключением между двумя программами. Когда включается первая программа, клетка начинает синтезировать феромон a, а почуяв нежный аромат феромона α, изо всех сил стремится в этом направлении. При второй программе все происходит наоборот. К собственному типу спаривания, то есть феромону, дрожжи не испытывают никакого влечения, вот проблема и решена.

Есть, конечно, и потери. Вы избавились от риска спариться с самим собой или со своим идентичным близнецом (а таких вокруг много – заметим, что дрожжи обычно размножаются почкованием). Однако среди неродственных дрожжей ровно половина перестали быть для вас подходящими партнерами. Искать суженого стало вдвое сложнее. Но оно ведь того стоит: видимо, без перемешивания генов вам грозило вырождение, а близкородственные браки – путь к катастрофе?

Продолжим рассуждения на основе здравого смысла. Мы завели себе тип спаривания, но возникла проблема: спариваться можно теперь не со всеми своими соплеменниками, а только с половиной. Представим себе, что в такой двуполой популяции как-то возник третий тип спаривания. Он будет привлекать оба старых типа, так что проблема выбора партнера для него окажется значительно проще, чем для остальных. Налицо экономия ресурсов – не надо метаться в поисках подходящего партнера, – а стало быть, и эволюционный успех. Третий пол начнет распространяться, а за ним и четвертый, и пятый… Так можно объяснить, почему у многих грибов (а пекарские дрожжи – это как раз гриб-аскомицет, хоть и слегка странноватый, одноклеточный) типы спаривания устроены куда сложнее и многообразнее. Наши лесные боровики, а вместе с ними и огромное число других грибов из разных классов, избрали вариант «тетраполярного гетероталлизма», когда пол определяется не одним, а двумя генами (локусами), и если вы хотите с кем-то спариться, надо убедиться, что оба локуса партнера отличаются от ваших. При этом в каждом из локусов может быть много разных вариантов «гена типа спаривания». В результате в природных популяциях нередко до 98﹪ грибов одного вида оказываются друг для друга подходящими партнерами, притом что спаривание с братом-близнецом практически исключено.

Все это выглядит логично, пока не начнешь вникать в детали. Во-первых, какой прок от тетраполярного, как у боровиков, пола? У грибов, намеренных заняться сексом, должны быть различия в каждом из локусов, а значит, утрата каждого из них только увеличит выбор возможных партнеров, притом что правило «не возлюби самого себя» по-прежнему будет выполняться.

Во-вторых, а что такого страшного произойдет, если иногда получится скреститься с самим собой? У аспергилла, у которого нет вообще никаких типов спаривания, и у дрожжей, у которых типы спаривания есть, половое размножение все равно чередуется с бесполым. По некоторым оценкам, в природе у дрожжей на одно сексуальное поколение приходится 50 000 бесполых. Если вы сделали постыдную ошибку и полюбили самого себя, то таких поколений станет 50 001: велика ли разница? Один раз не считается.

Чтобы запутать ситуацию еще сильнее, дрожжи научились переключать у себя тип спаривания. Ген, определяющий этот тип, устроен хитро: там есть рабочая кассета, где находится один из двух вариантов, а неподалеку в геноме лежат без дела две сменные запчасти – a и α. Клетка может время от времени заменять рабочую деталь на одну из запасных. В этот момент она меняет свой «пол», но при этом по остальным генам по-прежнему ничем не отличается от клеток-близнецов, шныряющих вокруг. Выглядит это довольно-таки по-дурацки: это же надо было завести себе особый механизм, не позволяющий спариваться со своими генетическими копиями, а потом изобрести другой механизм, который сводит на нет действие первого.

Впрочем, дурацким это кажется только тем, кто вычитал у классиков, будто бы секс нужен для создания разнообразия и для отсева вредных мутаций. Дрожжи ничего такого не читали, их проблемы попроще. Представьте себе, что гаплоидная дрожжевая спора, продукт скрещивания папы и мамы, только что попала в новую среду и там проросла, то есть превратилась в почкующуюся клетку. Что это за среда, непонятно, и вполне возможно, что ее ресурсы ограниченны, – а значит, скоро клетке опять придется спорулировать. Но чтобы образовать споры, нужно с кем-то скреститься и пройти мейоз (про мейоз мы вскользь упомянули в третьей главе, а серьезный разговор о нем зайдет позже). А вокруг никого нет. Что ж, это прекрасное оправдание для того, чтобы ради разнообразия скреститься со своим близнецом, а с перетасовкой генов подождать до следующего раунда.

Но как при таком наплевательском отношении к гетеросексуальным ценностям вообще могли возникнуть типы спаривания? На этот вопрос попытались ответить Зина Хадживасилиу и ее руководитель Эндрю Помянковски из Университетского колледжа Лондона. По их мнению, эволюционную ценность представляет не избегание близкородственного секса, ради которого якобы все затевалось, а сам механизм, когда есть два типа феромонов a и α и два типа рецепторов к ним. Исследователи построили математическую модель и с изумлением увидели, что разделение на два типа спаривания полезно вовсе не потому, что оно якобы мешает спариваться со своими генетическими копиями. Оно выгодно даже само по себе: асимметричный вариант взаимной сигнализации между клетками делает процесс узнавания максимально эффективным. Двум клеткам, источающим одинаковые феромоны и имеющим одинаковые рецепторы, просто будет сложнее встретиться.

Модели моделями, но обратимся к реальной жизни. Мы начали с дрожжей как с хрестоматийного примера «изогамии»: есть два типа спаривания, но их носители ничем друг от друга не отличаются ни по размеру, ни по поведению. В прошлой главе мы пытались вывести из школьной математики появление самцов и самок – вернее, двух типов гамет, один из которых специализируется на накоплении приданого для потомства, а другой – на активном поиске любви. Может показаться, что дрожжи до такой специализации пока не доросли. Но не тут-то было. Виктор Суржик из Микробиологического института Макса Планка в Марбурге пригляделся к спаривающимся дрожжам и увидел, что два типа спаривания ведут себя не так уж одинаково. Тип a чувствует наличие потенциального партнера издалека, где бы тот ни находился, и начинает готовиться к спариванию, чтобы быть во всеоружии, когда счастливый случай (или перемешивание жидкой культуры) рано или поздно соединит его с его второй половинкой. Тип α, напротив, направленно тянется к ближайшему существу противоположного пола, то есть типа спаривания. Возможно, мне это лишь кажется, но в подобных нюансах поведения есть что-то, неуловимо напоминающее отличия мужчин от женщин.