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

Есть и причудливые варианты. Паразит кукурузы гриб пузырчатая головня самую интересную и долгую часть своей жизни проводит в фазе после слияния клеток, но до слияния ядер – по каким-то причинам это показалось ему удобным. Так и живет он с мамиными и папиными ядрами в гифах грибницы неопределенно долго, а потом ядра сливаются, и цикл быстро завершается образованием гаплоидных (то есть имеющих одинарный набор хромосом) спор.

Ну и, наконец, самые важные и заметные живые существа – высшие животные и растения – делают паузу в своем половом цикле после слияния ядер. Таким образом, всю свою жизнь они проводят с двумя наборами хромосом: один от папы, один от мамы. За это их называют диплоидными. Затем происходит перетасовка генов (кроссинговер), образуются половые клетки, вскоре они сливаются, и цикл начинается вновь.

Именно так все и происходило у Льва Николаевича Толстого. Каждый сперматозоид Льва Николаевича нес в себе ровно половину его диплоидного генома. За всю его жизнь тринадцать сперматозоидов слились с тринадцатью яйцеклетками его супруги, так что следующему поколению перешло тринадцать половинок генома писателя.

Затем у его детей произошло то, что мы описали чуть выше: в некий важный момент их жизни хромосомы Льва Николаевича и Софьи Андреевны прильнули друг к другу по всей длине и обменялись своими участками. Папины и мамины гены перетасовались друг с другом, образовав совсем не те комбинации, которые были у их родителей. Кроссинговер повторялся в каждом новом поколении Толстых с добавлением теперь уже генов их жен и мужей. Таким образом, даже если нам вздумается скрещивать потомков Толстого между собой – а один такой брак между правнуками в действительности произошел, – восстановить ту единственную комбинацию генов, которая позволяет написать «Войну и мир», а следом за ней и сказку «Лев и собачка», просто невозможно.

Итак, половое размножение, которому классик отдал дань в своей жизни и творчестве, приводит к тому, что комбинации его генов в потомстве не сохраняются. С одной стороны, это обидно, так как разрушаются удачные комбинации. С другой, видимо, полезно: еще не факт, что Лев Николаевич был бы приспособлен к преподаванию итальянского языка, разведению оленей в Швеции или ведению бизнеса в Калифорнии, а в его потомках такие качества присутствуют. Таким образом, половое размножение создает новые комбинации генов, готовые к завоеванию новых экологических ниш. Среди потомков писателя есть даже господин Петр Толстой, депутат и публицист. Кто мог предсказать, что гены не кого-нибудь, а Льва Толстого можно перетасовать со столь ошеломляющим результатом.

Вообразим теперь, что Лев Николаевич Толстой, находясь под впечатлением от им же написанной «Крейцеровой сонаты», изыскал способ избавиться от постыдной тяги к сексу и научился размножаться почкованием. Точных копий себя самого у него все равно не получилось бы: сейчас уже точно известно, что каждый новорожденный человеческий младенец несет в себе в среднем около семидесяти новых мутаций. Однако интуитивно ясно, что эти маленькие Львовичи все же были бы гораздо сильнее похожи на своего великого родителя, чем потомки их с Софьей Андреевной брака. Из двадцати с лишним тысяч человеческих генов мутагенез за одно поколение способен изменить лишь несколько десятков; в то же время секс и кроссинговер позволяют создать и опробовать в действии новые ансамбли из абсолютно всех генов генома.

Итак, все это нужно для того, чтобы составлять новые комбинации из генов на тот случай, если потомкам придется жить при какой-нибудь новой формации, будь то в палеонтологическом или общественно-политическом смысле? Надо признать, что именно такое объяснение первым пришло на ум ученым. Представление о том, что секс нужен, чтобы опробовать всё новые и новые комбинации генов, заворожило генетиков буквально с того момента, как они вообще что-то узнали о генах. Более того, никто не мешал строить гипотезы о роли полового размножения еще до того, как гены вышли на авансцену биологической науки. Чарльз Дарвин, к примеру, о генах еще ничего не знал. Зато он знал о том, что если родители состоят в близком родстве, то потомки нередко оказываются слабыми и больными. С другой стороны, от брака неродственных родителей – например, двух совершенно разных пород собак или двух людей из разных регионов, стран или даже частей света – детишки нередко получаются сильные, ловкие и здоровые. Такой всплеск жизненной силы у отдаленных гибридов давно известен селекционерам (то есть тем, кто занимается искусственным отбором домашних животных и растений, а не теоретизирует о естественном отборе в природе) и называется гетерозисом. Разумеется, если потомство обладает повышенной жизнеспособностью, оно с большей вероятностью передаст родительские признаки дальше по цепочке, так что немедленная выгода от скрещивания не подлежит сомнению. Это рассуждение, видимо, убедило Дарвина в том, что в сексе нет никакого парадокса.

Наше уважение к огромному вкладу Дарвина в биологию совершенно не требует думать, что он, обогнав современную ему науку на полстолетия, еще в XIX веке все понимал правильно. Напротив, величие Дарвина в том, что он, фактически еще ничего не понимая, каким-то образом увидел самое главное. В случае гибридного гетерозиса непонимание было налицо: это явление связано не с сексом и рекомбинацией, а с диплоидностью высших организмов. Напомню, что в их клетках есть два набора хромосом, по одному от каждого из родителей. Когда родители не родственники и совсем не похожи друг на друга, их версии одного и того же гена, скорее всего, будут различны (это называется гетерозиготностью). А значит, более сильная и здоровая версия способна взять на себя заботу о благосостоянии организма, подменяя версию-инвалида. Собственно, пользоваться этим бонусом можно независимо от секса и диплоидности: к примеру, грибы, в том числе упомянутая выше пузырчатая головня, имеют все преимущества такой диверсификации, просто сочетая в своих гифах два типа родительских клеточных ядер. Конечно, ни о чем подобном Дарвин узнать еще никак не мог.

И все же из этого кажущегося тупика ведет некая тропинка к пониманию. Гетерозис происходит потому, что гены родителей могут быть хуже или лучше, то есть они различны. А различаются они благодаря мутациям. Именно из-за разных мутаций гены отставного поручика Толстого и девицы Софьи Берс изначально были неодинаковы, так что родители хотя бы могли отличать друг от друга своих сыновей и дочерей. Разные мутации добавлялись в этот коктейль и перемешивались в последующих поколениях Толстых, обеспечивая их потомству житейский и репродуктивный успех. В мутациях имело смысл поискать разгадку тайны секса, чем ученые и занимались весь следующий век.

Басинский П. Лев Толстой и его семья. См.: https://arzamas.academy/courses/47/1

Бородин П. М. Генетическая рекомбинация в свете эволюции // Природа. 2007. № 1. С. 14–22.

Гузева А. Чем занимаются потомки Льва Толстого. См.: https://rbth.ru/read/1758tolstoy-potomki-nashi-dni

Ellis T. H., Turner L., Hellens R. P., et al. Linkage Maps in Pea. Genetics. 130(3): 649–663.

Labroo M. R., Studer A. J., Rutkoski J. E. Heterosis and Hybrid Crop Breeding: A Multidisciplinary Review. Frontiers in Genetics. 2021. 12: 643–761.

Pulst S. M. Genetic Linkage Analysis. Archives of Neurology. 1999. 56(6): 667–672.

Глава четвертая, в которой организм отморозил себе уши назло зародышевой плазме

Изменчивость и мутации

Биология – уникальная наука: история ее стремительного развития началась прямо с открытия самого главного ее закона. Да, речь опять о теории Дарвина. Это примерно как если бы Пифагор для начала открыл теорему Гёделя, а Галилей – квантовую механику, и, только вооружившись этим знанием, их последователи додумались бы до квадратных уравнений и паровых машин. Биология угодила в яблочко, еще ничего толком не зная. Это наложило отпечаток на всю ее историю, включая и размышления о смысле секса. Первые гипотезы о половом размножении оперировали самыми фундаментальными понятиями – мутациями, генами, коэффициентами отбора. На самом деле это было довольно дерзко. Когда мы в нашей истории доберемся до гипотез о происхождении мейоза – о том, в какую передрягу, возможно, угодил общий предок всей сложной жизни на планете, когда для выживания ему понадобилось столь странное и неочевидное приспособление, – мы убедимся, какой объем информации требуется современным ученым, чтобы не попасть здесь впросак. Те, кто разрабатывал первые генетические теории полового размножения, не знали из этого ровным счетом ничего – они и про ДНК еще не подозревали. Можно лишь восхититься тем, как много они смогли понять.

Пару глав назад я позволил себе слегка иронизировать по поводу «мешков с генами», к которым теоретики нередко сводят неизмеримую сложность жизни. Но хотя это и самонадеянно, зато уж если даже при такой степени обобщения удастся установить какой-нибудь важный закон, то, видимо, этот закон будет описывать абсолютно все варианты живой материи, включая те, что будут обнаружены в окрестностях красных карликов в спиральных рукавах галактики Андромеды. Первые гипотезы о происхождении секса были именно таковы: они претендовали на абсолютную универсальность просто потому, что практически не использовали информацию о частностях нашей земной жизни вроде числа генов в геноме или частоты мутирования. Авторы этих гипотез, величайшие генетики человечества, ничего этого просто не знали.

Первым среди них, наверное, надо назвать немецкого зоолога Августа Вейсмана (1834–1914), который еще не знал даже слова «ген». Роль Вейсмана в истории генетики косвенным образом признали не только его соратники, но и представители враждебного лагеря: советские лжеученые-лысенковцы именовали всех генетиков «вейсманистами-морганистами», тем самым отдав дань заслугам немецкого зоолога. Кстати, вторая часть ругательства связана с именем американского биолога-генетика Томаса Моргана (1866–1945), ставившего опыты с плодовой мушкой и на их основе догадавшегося, как связаны между собой гены и хромосомы. Он появится в нашей истории чуть позже.

На портретах Августа Вейсмана обращают на себя внимание две детали: большая борода, какую в XIX веке было принято носить среди немецких профессоров, и маленькие очки. Обе детали важны для понимания персонажа: будучи немецким профессором, Вейсман писал свои статьи и книги довольно сложным академичным языком, к тому же по-немецки, а потому в наше время, когда международным языком биологии стал английский, его не так уж часто цитируют и не слишком хорошо понимают. Что касается очков, они на нем потому, что Вейсман страдал от прогрессирующей потери зрения. В те периоды, когда зрение улучшалось, Вейсман усаживался за микроскоп и начинал изучать, к примеру, процессы линьки у насекомых или развитие яйца у гидроидных полипов. Наверное, для развития науки это тоже было важно. Но потом глаза опять слабели, и тогда профессор был вынужден заниматься теорией. Именно этим периодам почти-слепоты человечество обязано его работами, в которых Вейсман впервые собрал в единую систему идеи Дарвина и представления о наследственности.

Терминология Вейсмана показалась бы современному студенту темной и дремучей: там есть «зародышевая плазма», «детерминанты», «биофоры» и совсем уж непонятные «иды» и «иданты» (последние – это, по существу, просто хромосомы). Однако с помощью таких понятий ему удалось нарисовать картину, объясняющую, как работает дарвиновский отбор. В частности, он придал реальный смысл гипотезе Дарвина, согласно которой материалом для отбора служат «маленькие наследуемые изменения». Слово «мутация» в те поры среди биологов уже бытовало, однако его автор, голландский ботаник Хуго де Фриз (1848–1935), придавал ему несколько другой смысл. Тем не менее рассуждения Вейсмана об «изменениях в зародышевой плазме» легли в основу представления о мутациях в самом что ни на есть современном смысле слова. Термин «мутации» уже использовался в нашем повествовании, потому что в XXI веке странно было бы притворяться, будто читателям оно незнакомо. Однако с этого места и далее мы будем пользоваться им на законных основаниях.

Картина мира, которую рисует Вейсман с помощью своего архаичного словаря, на первый взгляд банальна, а на второй бросает серьезный вызов воображению. Дело в том, что многие привыкли думать о своих предках как о череде существ, в свое время ходивших по Земле, радовавшихся солнцу и овеваемых приятным ветерком. На самом деле те клетки, из череды поколений которых в конце концов возникли наши тела, никакого солнышка и ветерка никогда не ощущали. Каждый из нас происходит из яйцеклетки и сперматозоида, созревавших во влажной тьме репродуктивной системы. Но и они, в свою очередь, произошли от яйцеклеток и сперматозоидов, причем от одной оплодотворенной яйцеклетки до другой проходит не так уж много клеточных делений, и все они происходят там же – в мокрой темноте утробы. Наверное, ваш ближайший прямой клеточный предок, которому посчастливилось, как и вам, согреться солнечными лучами, – это икра какого-то земноводного, повисшая нитями на неведомом растении в палеозойском пруду. Другими словами, история жизни клеток зародышевой линии, из которых мы произошли, вообще ничем не напоминает нашу собственную жизнь, к которой мы, по милости естественного отбора, оказались так хорошо приспособлены. Как это получилось, и взялся объяснить теряющий зрение профессор Август Вейсман.

Дело, по его мнению, обстоит так: в зародышевой плазме случайным образом происходят изменения (то есть мутации). Зародышевая плазма дает начало соматическим клеткам организма, и от того, насколько удачными были мутации, зависит, насколько успешен будет организм в жизни и дальнейшем размножении. Организм (или «сома»), согласно Вейсману, может влиять на зародышевую плазму единственным образом: умереть, не оставив потомства, и тем самым обречь ее на исчезновение, если случившиеся в ней мутации оказались нехороши. В историю науки эта концепция вошла как «барьер Вейсмана». Барьер здесь поставлен между клетками зародышевой линии, несущими геном, то есть зародышевую плазму, и соматическими клетками тела, которые, по мнению Вейсмана, сохраняли лишь малую часть этой самой плазмы, причем в каждой клетке свою (это оказалось не так, но на правильность выводов не повлияло). Первые ничего не знают об окружающем мире, а вторые знают всё, но не способны связно доносить и отстаивать свое мнение, кроме как назло бабушке отморозив уши. Только на этом этапе естественный отбор может отбраковать те варианты зародышевой плазмы, которые ему не понравятся. Дарвин об этом еще не догадывался: он-то считал, что соматические клетки как-то умудряются передавать зародышевой плазме информацию о своем жизненном опыте. Однако я почему-то уверен, что идея Вейсмана вызвала бы у него восторг.

Сложные и, как сейчас выражаются, «токсичные» отношения сомы и зародышевой плазмы уже давно стали азбукой биологии. Однако до сих пор некоторым ученым удается увидеть эту картину жизни под неожиданным углом и удивиться как в первый раз. Вот, например, китайский ботаник Бай Шунун, изучающий цветы, то есть органы размножения растений, предлагает взглянуть на многоклеточные организмы как на некую добавку к длинной череде гамет и зигот (составляющей, по его терминологии, «цикл полового размножения»). Добавка важная, поскольку она помогает каждому поколению зигот превращаться в гаметы, а гаметам – сливаться и вновь становиться зиготой. Однако, по мнению китайского ботаника, многоклеточному организму не следует зазнаваться – его роль тут явно вторична, он лишь служебная надстройка над «циклом полового размножения».

Чтобы полнее проникнуться этой идеей, доктор Бай предлагает посмотреть на один примитивный организм – слизевик диктиостелиум. По существу, это одноклеточная амеба. Однако на определенном этапе своей жизни амебы начинают собираться вместе, чтобы сформировать плодовое тело. Оно существует лишь для того, чтобы образовать споры, так что никто не назовет плодовое тело смыслом всей жизни диктиостелиума. Наши многоклеточные тела значительно сложнее и долговечнее, но они так же временны и смертны, как и забавные мокрые «грибки» слизевика. А вот зародышевая плазма вечна. Картина мира, нарисованная доктором Баем, поражает своей парадоксальностью, но потом читатель вспоминает, что он уже где-то об этом слышал. Ах да: это ровно то, о чем больше ста лет назад рассуждал Август Вейсман.

Но зачем же, согласно Вейсману, нужен этот самый секс, если весь многоклеточный организм не более чем приспособление для того, чтобы зародышевая плазма могла время от времени им заняться? А вот зачем: в процессе полового размножения клетки зародышевой линии перетасовывают «иды» и «детерминанты» (как мы бы сейчас сказали, «гены») отца и матери, чтобы предложить естественному отбору как можно более широкий выбор разных комбинаций. Кто знает, какая из них лучше сработает? Вот формулировка Вейсмана: «Цель этого процесса – создать индивидуальные различия, формирующие материал, из которого естественный отбор произведет новые виды».

Изречения классиков всегда слегка завораживают, но надо признать, что в наше время такая сентенция немедленно огребла бы от критиков, придирающихся к словам и не склонных вникать в их смысл. Ну скажите, кому и зачем понадобилось «поставлять материал для естественного отбора»?! Как будто смысл жизни в том, чтобы угождать этому самому отбору, который неспроста занял место Бога в общем порядке вещей. Более того: живым существам (скажу по личному опыту), вообще-то, совсем не хочется никуда эволюционировать, а, напротив, желательно благоденствовать прямо как есть. Какая выгода семейной паре в том, чтобы ее дети, вместо того чтобы просто быть счастливыми и рожать внуков, «поставляли материал для естественного отбора»?! Комбинации генов, существовавшие у Льва Николаевича и Софьи Андреевны Толстых, уже были достаточно хороши, чтобы обеспечить своим носителям выживание и благополучное вхождение в репродуктивный период: восемь выживших и выросших детей – по тем временам хоть и не рекордный, но вполне достойный результат. Зачем же было все портить и перемешивать такие удачные наборы генов?

В этой истории мы еще много раз повторим, что эволюция не способна заглядывать в будущее и никакое сложное приспособление, призванное решить какие-то проблемы в отдаленной перспективе, но не приносящее немедленной пользы, укорениться не может. Предположим, у соседа дети умеют щипать траву гораздо лучше, чем ваши, а ваши дети зато несут гены, позволяющие отлично программировать на языке Паскаль. Увы, вашим детям не повезло: соседские съедят всю траву, ваши умрут с голоду, и погибшим вместе с ними генам программирования ничего не останется, кроме как возникнуть заново через сотню миллионов лет у потомков этих прожорливых травоедов. Способность «перетасовывать свои гены для получения новых комбинаций» в этом смысле ничем не лучше склонности к программированию на еще не придуманных языках: преимущество приобретают только те, кто дает больше потомства здесь и сейчас. А здесь и сейчас преимущества перетасованной колоды не очевидны.

Во времена Вейсмана о таких вещах еще не задумывались – да что там говорить, если они и о генах-то толком не знали. Однако последователи Вейсмана нашли в его идее здравое зерно. А именно: в зародышевой плазме возникают маленькие наследуемые изменения, а секс составляет из них разные комбинации. Другими словами, секс, возможно, как-то связан с мутациями. Именно они определяют различия между разными генами в популяции, а только благодаря различиям эти гены и имеет смысл перемешивать. А значит, надо просто разобраться, как половое размножение может изменить судьбу мутации, которая однажды возникла у воображаемого организма. Именно так и рассуждали в 1930-х гг. англичанин Рональд Фишер (1890–1962) и американец Герман Мёллер (1890–1967), основоположники популяционной генетики, чьи имена мы тут вспомним еще не раз.