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

Возможно, вам хочется снисходительно улыбнуться и сказать: «Ничего, пусть эти мутации отсеет отбор», но надо понимать, как отбор это делает. У него для этого есть единственный инструмент: носитель мутации должен умереть (то есть умереть, не оставив потомства, – это называется «генетическая смерть»). Одна мутация – одна смерть. Этот лапидарный принцип был даже строго доказан под названием «теорема Холдейна – Мёллера». Согласно этой теореме, последствия для популяции не зависят от того, насколько именно вредной была эта самая мутация: чтобы избавиться от нее, умереть бездетным в любом случае кому-то придется. А значит, если в каждом из нас от рождения возникает шесть слабовредных мутаций, ничего с ними сделать отбор не может: у нас просто нет столько жизней, чтобы с ним расплатиться.

Таким образом, если к бесполому размножению перейдем мы с вами, человечество выродится довольно стремительно. Но проблема в том, что даже секс вроде бы не спасет нас от такой печальной участи. По первым прикидкам, с такой лавиной мутаций он справиться не сможет. Мы должны сгинуть под бременем мутаций буквально за считаные поколения. Как, кстати, и плодовая мушка, хоть ее и не так жалко, – у нее статистика мутаций довольно похожа на человеческую. Однако же и мы, и мушки существуем уже довольно давно, а значит, где-то в этом рассуждении закралась ошибка.

Ошибку искали многие, и среди прочих этой темой в начале 1980-х годов увлекся Алексей Кондрашов, тогда еще молодой биолог-теоретик из подмосковного Пущина. В Пущине тогда работал вычислительный центр, в нем был компьютер, и с его помощью Кондрашов начал рассчитывать свои модели.

Повторюсь, что в 1980-х о мутациях у реальных организмов знали не так уж много, так что у Кондрашова была полная свобода наделять свои выдуманные из головы популяции организмов теми или иными свойствами. К примеру, он предположил, что у каждого организма есть хотя бы одна слабовредная мутация (и, как мы видели выше, он с этим угадал). Оказалось, что при таких условиях все же возможно заставить секс работать, то есть успешно противостоять накоплению генетического груза. Для этого нужно сделать всего одно дополнительное предположение – эпистаз.

Генетики обожают трудные слова, такие как «эпистаз», а если еще и ввернуть, что «при эпистазе во втором поколении гибридов наблюдается расщепление 13: 3», любой нормальный читатель почувствует тошноту. Но на самом деле генетики просто хотят покрасоваться, а эпистаз – это всего лишь взаимодействие между разными мутациями.

Рассмотрим, например, поговорку: «Снявши голову, по волосам не плачут». Генетик может понять ее так, что есть две мутации – отсутствие волос и отсутствие головы – и между ними существует положительный эпистаз. А именно – вредное действие первой мутации полностью устраняется второй, потому что в отсутствие головы облысение вообще перестает быть проблемой. По своей приспособленности две особи – с обеими мутациями или только с одной, безголовой, – ничем не отличаются друг от друга, потому что у обеих нет головы – и, естественно, волос на ней. Такой тип эпистаза бывает, если два гена контролируют последовательные стадии какого-нибудь процесса. В данном случае мы предполагаем, что сперва у кого-то вырастает голова и уже потом на ней – волосы.

Другой вариант эпистаза – отрицательный, или синергический. Он бывает, когда два гена отвечают не за последовательные, а за параллельные пути к результату, то есть хотя бы отчасти дублируют друг друга. Если опять обратиться к поговоркам, этот вариант отражен в английской By hook or by crook или в русской «Не мытьем, так катаньем»[2]. В этом случае мутации в каждом из генов могут иметь небольшой вредный эффект, но когда поражены оба, то катастрофические последствия куда серьезнее, чем просто сумма эффектов каждой мутации в отдельности.

И вот Кондрашов предположил, что большинство мутаций у моделируемых им организмов именно таковы. И тогда, согласно моделям, секс действительно помогает очистить популяцию от мутаций: объединяя между собой «синергические» мутации, он сразу же повышает их вредный эффект до такого уровня, что отбор способен заметить неладное и избавиться от груза[3].

О том, что огромное множество биологических механизмов действительно основано на избыточности и некотором дублировании, биологи сейчас знают довольно точно. О том же, что предложенный когда-то Кондрашовым механизм работает в реальных популяциях людей и мух, он и его сотрудники доложили в 2017-м в журнале Science.

За тридцать лет, прошедших с момента публикации первых кондрашовских моделей, утекло много воды: Алексей Симонович Кондрашов из пущинского аспиранта стал маститым профессором, компьютеры, которыми пользуются его сотрудники, стали совсем другими, а так называемые «мокрые биологи» – те, кто работает не за компьютерами, а за лабораторными столами с пробирками и пипетками, – набрали массу информации о мутациях и геномах. В статье авторы показывают, что статистические распределения организмов по числу мутаций как бы «обрублены» сверху, как будто природе очень не нравится, когда мутаций слишком много. Тут уместно вспомнить, что та первая гипотеза о синергическом эпистазе вошла в историю генетики как «топор Кондрашова», и этот топор, как теперь выясняется, действительно помогает отрубить наиболее отягощенную мутациями часть популяции, будь то мухи или люди.

В своей статье Кондрашов и его соавторы заодно отвечают на вопрос, который, возможно, у кого-то из читателей уже повис на кончике языка: с лабораторными мухами все понятно, но как этот топор рубит человеческое народонаселение? Где же горы трупов согласно принципу «одна мутация – одна смерть»? Как вообще может работать естественный отбор у венца творения – человека, с его медициной и гуманитарными ценностями?

Авторы указывают на интересную статистику: у современных людей до 70﹪ беременностей вообще проходят незамеченными, обрываясь на самых ранних стадиях. Этот поразительный факт, обнаруженный в США в конце ХХ века, позволяет более или менее разумно предположить, в какой именно момент падает кондрашовский топор. Конечно, тонкую и впечатлительную натуру способно шокировать любое действие отбора, в том числе и спонтанный выкидыш на раннем сроке. Однако надо признать, что здесь природа избрала наиболее гуманный вариант. Возможно, потому, что менее гуманные пути мы ей перекрыли с помощью своего научного прогресса.

Итак, кондрашовский топор – наш радикальный ответ на загадку «двойной цены»? Ах, если бы. Мы начали с того, что эта модель работает, если вредных мутаций в каждом поколении возникает достаточно много: тогда секс и правда имеет преимущество, не давая им окончательно испортить геном. У людей и у мух – то есть у млекопитающих и двукрылых – вредных мутаций и правда хватает. Однако на многих других ветках древа жизни ничего подобного не происходит. А при низком темпе мутирования кондрашовская модель перестает работать. И очень жаль: мы-то хотели такого объяснения секса, которое работало бы всегда и для всех организмов (ну как минимум у тех, у кого вообще бывает секс). А в результате получили еще один частный случай.

За десятилетия блестящей научной карьеры Алексея Кондрашова в мире произошли большие изменения. Сам он всерьез заинтересовался поисками забытых сортов яблонь в российской глубинке и разными способами намекал, что к вопросу о роли секса в генетике популяций лично ему добавить нечего. Что касается остальных генетиков, то и среди них наметилась некоторая потеря интереса к этой проблеме. Но значит ли это, что сама проблема в общих чертах решена? Вот как описывает положение вещей сам Кондрашов в недавнем интервью Надежде Маркиной для портала PCR News:

«Это удивительная ситуация – никто ничего не знает на эту тему. Она была достаточно популярной, а сейчас всем как-то поднадоела, эволюцией полового размножения никто не занимается. При этом вопрос так и не разрешен. Думаю, что я могу показать и объяснить, почему все предложенные механизмы преимущества полового размножения не работают. Очевидным образом я где-то не прав, потому что какой-то механизм есть, но какой – я понятия не имею».

Этой цитатой из живого классика я надеюсь как-то оправдаться за то, что к концу пятой главы – и к началу XXI века – ответов на поставленные нами вопросы как не было, так и нет.

Кондрашов А. Вредные мутации в человеческих популяциях. См.: https://postnauka.ru/video/22764

Маркина Н. О сильном вреде слабовредных мутаций и будущем человечества. См.: https://pcr.news/stati/o-silnom-vrede-slabovrednykh-mutatsiy-i-budushchem-chelovechestva

Марков А. Мутирующее человечество: что мы узнали о своих мутациях за 15 лет геномной эры. См.: https://elementy.ru/novosti_nauki/432582/Mutiruyushchee_chelovechestvo_chto_my_uznali_o_svoikh_mutatsiyakh_za_15_let_genomnoy_ery

Bast J., Parker D. J., Dumas Z., et al. Consequences of Asexuality in Natural Populations: Insights from Stick Insects. Molecular Biology and Evolution. 35(7): 1668–1677.

Kondrashov A. S. Deleterious Mutations and the Evolution of Sexual Reproduction. Nature. 1988. 336(6198): 435–440.

Sohail M., Vakhrusheva O. A., Sul J. H., et al. Negative Selection in Humans and Fruit Flies Involves Synergistic Epistasis. Science. 2017. 356(6337): 539–542.

Глава шестая, в которой появляются бесстыжие ящерицы

Переход к бесполости

Итак, ситуация выглядит, мягко говоря, странно. Полового размножения не может быть, потому что эволюция ни за что бы не раскошелилась на «двойную цену», – но оно есть. Без полового размножения любой организм обречен погибнуть под грузом мутаций – но многие без него обходятся. Половое размножение явно препятствует накоплению вредных мутаций – но, если верить теоретическим моделям, оно способно на это только при весьма определенных предположениях, которые вряд ли справедливы для всех земных существ. Но природа-то существует и будто вообще не замечает наших парадоксов. Наверное, самое время оторвать взгляд от абстракций и посмотреть на эту самую природу или хотя бы на какой-нибудь живой объект. Например, вот на этот.

С высоты это выглядит как плотный зеленый ковер. Но стоит вглядеться в детали, и вы увидите густые заросли, высокие стволы, ломящиеся под тяжестью плодов кроны. Если же углубиться в эти заросли, можно даже найти там огромные иссиня-черные грибы…

Точнее, это не совсем грибы. На самом деле гриб – это вообще все, что мы только что описали: и зеленые кроны, и высокие стволы. Все это – колония плесневого грибка аспергилла (Aspergillus, он же Emericella, nidulans), растущая на чашке Петри, если разглядывать ее в бинокулярную лупу. Невооруженным глазом вы увидите зеленый ковер из спор, но даже с помощью простейшего инструмента становится видно, насколько сложно устроен этот организм. Внизу – переплетение гиф грибницы, врастающих в поверхность субстрата. Из него вертикально вверх торчат стволы – это специализированные органы размножения, конидиеносцы. Каждый ствол заканчивается пузырьком-вздутием. Из пузырька во все стороны торчат особые вытянутые клетки – метулы. Над метулами еще один слой клеток – фиалиды, формой напоминающие кегли или бутылки. А над горлышком каждой фиалиды – длинная-длинная гирлянда спор, которые называются конидии. Легкие дуновения – например, если вы, склонившись над своей бинокулярной лупой, о чем-то меланхолично вздохнете – разносят эти споры на большие расстояния, в результате чего зеленые пушистые колонии аспергилла вырастают тут и там, в том числе в таких местах, где пятно зеленой плесени никого особо не обрадует.

Это подробное описание, не лишенное даже некоторой поэтичности, помещено здесь не только потому, что когда-то этой плесени посчастливилось стать любимым исследовательским объектом автора, отдавшего ей лучшие годы жизни. Главное для нашей истории то, что аспергилл, как видим, имеет прекрасно развитую, высокоспециализированную структуру, предназначенную для размножения. И размножение это бесполое. Из споры-конидии вырастает грибная гифа, она растет, наполняется делящимися ядрами, потом часть ядер мигрирует в конидиеносцы, они снова делятся, в какой-то момент переключают полярность деления так, что это начинает больше напоминать почкование дрожжей, и, наконец, ядра оказываются внутри спор. При этом ни в какой момент у гриба не возникает необходимость поискать себе партнера для счастливого брака.

Но, кажется, в самом начале мы разглядели что-то странное в глубине зарослей грибницы. То, что мы неосторожно назвали «грибами», – глянцевые упругие лиловые шары. Подцепим один такой шар иглой, перенесем в каплю чистой воды и аккуратно раздавим. В воду выйдет фиолетовое облачко. Это тоже споры, но совсем другие. Чтобы не путать эти фиолетовые споры с теми, зелеными, их называют аскопоры (а те, как мы помним, конидии). И вот они-то – продукт полового размножения. К тем спорам, которые гирляндами вырастают на конидиеносцах, эти споры не имеют никакого отношения, и ни одна из специализированных структур гриба не используется и для того и для другого процесса одновременно.

Не так-то просто заставить нашу плесень произвести эти аскоспоры – для этого ей придется просидеть на чашке пару недель, в то время как бесполые конидии начинают образовываться уже через сутки. Темный шарик диаметром 0,3 миллиметра – те самые «огромные иссиня-черные грибы», которые мы увидели в лупу, – плодовое тело, которое называется клейстотеций, и это тоже специализированный орган размножения, но на этот раз полового. Именно там проходит загадочный процесс перемешивания родительских генов, то есть кроссинговера или рекомбинации. И происходит он, судя по всему, практически так же, как у нас, что и неудивительно: если верить биологам, изучающим родословное дерево всего живого, мы с аспергиллом приходимся другу другу более близкими родственниками, чем нам обоим приходится, к примеру, капуста.

[2] Обе поговорки таят в себе загадку. Crook – это, в сущности, тот же hook, то есть крюк, и не очень понятно, где здесь альтернатива. Что касается «катанья», это, как пишут знающие люди, нечто вроде глажки белья. Никто мне пока не объяснил, чем поможет глажка, если стирка отчего-то не задалась. – Здесь и далее, если не указано иное, прим. авт.

[3] Наверное, для самых въедливых читателей здесь придется сказать, почему необходимости перемешивать мутации самой по себе недостаточно, чтобы объяснить секс. Дело в том, что если, к примеру, у каждого организма в среднем есть одна вредная мутация, то это вовсе не значит, что все организмы испорчены мутациями: у кого-то наверняка окажется больше одной мутации, а кому-то не достанется вовсе. Статистики в таких случаях говорят, что число мутаций «распределено по Пуассону». Если мутации начать перемешивать посредством секса, то в предельном случае мы все равно не получим ничего лучшего, чем то же самое распределение Пуассона: особей, свободных от мутаций, окажется ровно столько же, сколько и при классическом мутагенезе. Чтобы секс оказался полезен, изначальное распределение мутаций должно быть каким-то способом сжато или обрезано – тогда секс сделает разброс более широким и тем самым окажется полезен. Именно так и работает гипотеза Кондрашова.