Мужская безалаберность в сексе

Предыдущую главу читайте здесь: Новые герои секса: любитель обнимашек и самурайский дух

Глава тридцать вторая, в которой обосновывается престолонаследие по мужской линии

Теперь, когда мы воспели отдельные детали механизма мейоза, хорошо бы сказать, что и результаты его работы безупречны. Но не тут-то было. Может, у кого-то они и безупречны, а вот у людей все работает из рук вон плохо. При всех этих многочисленных «чекпойнтах», призванных проконтролировать безошибочность рекомбинации и точность расхождения хромосом, притом что яйцеклетки, кажется, отбираются на профпригодность вплоть до момента выхода из фолликула в яичнике, ошибок совершается огромное количество. 

Сколько именно? Среди детей, появившихся на свет, каждый 300-й рождается с трисомией (то есть вместо одной из пар хромосом имеет три таких хромосомы). Вроде немного, но надо понимать, что до рождения доживают только трисомики по половым хромосомам, по крохотной 21-й, ну и иногда, совсем уж редко, по 13-й и 18-й. При этом, как было сказано в одной из предыдущих глав, у человека 70% беременностей прерываются еще до того, как они диагностированы, и существенная доля таких выкидышей, похоже, происходит именно из-за лишних или недостающих хромосом, то есть из-за мейоза, пошедшего вкривь и вкось. По некоторым оценкам специалистов, занимающихся ЭКО, доля анеуплоидий (так называются все нарушения в числе хромосом) на момент зачатия доходит до 50%. Вот что об этом говорит уже знакомый читателю генетик Алексей Кондрашов: 

«Когда происходит спонтанный аборт, часто это хромосомная аномалия. Я совершенно не понимаю почему. Что, так сложно сделать нормальный мейоз? Что за чепуха! Какая-нибудь рыба данио — у нее 99% оплодотворенных икринок разовьются в малька. Хотя эти икринки лежат в чашке Петри и никто их не защищает. А тут человеческий эмбрион — и вероятность, что ты не сдохнешь, всего 30%».

Если даже Кондрашов этого не понимает, то мы и пытаться не будем, не станем упоминать никакие гипотезы на этот счет, просто пригорюнимся: уж так нам подсуропила эволюция, что именно наш мейоз — как бы красиво он ни выглядел под микроскопом или на молекулярно-биологических схемах — выдает горы брака. Займемся лучше другими вопросами: где и как у нас этот самый мейоз происходит. Любопытно, что ответы на них будут совершенно разными в зависимости от того, идет ли речь о мужчинах или о женщинах.

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 всё 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 двух миллионов 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 в нашей родословной по материнской линии нашим предкам никогда (по крайней мере за последнюю сотню 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 проблема 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 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 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, то есть 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: 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 главе 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 два миллиона мейозов, то будущий мальчик в этот момент просто не делает ничего. Только в возрасте 10–12 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: 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. 

В самом мейозе самцы тоже склонны многое упрощать. Экстремальный пример — самцы дрозофилы, которые вообще отказались от идеи строить в своих клетках синаптонемные комплексы (если кто-то забыл, СК — это такие сложные структуры, где сестринские хроматиды крепятся на белковой оси, а две оси — гомологичные хромосомы — укладываются вдоль «центрального элемента», состоящего из других белков). Беда дрозофилы в том, что важные гены, ответственные за образование СК, находятся у нее на Х-хромосоме, а у самцов такая хромосома всего одна, и дозы генов оказывается недостаточно. Самцы обходятся подручными средствами, соединяя свои хромосомы-гомологи другим, довольно незатейливым способом. Ну и вишенка на торте: у самцов дрозофилы совсем не бывает кроссинговера, так что и непонятно, зачем вообще они затевали этот самый мейоз.

Бог с ней, с дрозофилой: у двукрылых вообще много странностей. Но вот что касается кроссинговера, он и у человеческих самцов, то есть мужчин, происходит явно реже, чем у противоположного пола. Здесь просматривается какое-то общее правило. 

Это правило биологи попытались сформулировать еще в первой половине ХХ века. Оно получило название «правило Холдейна — Хаксли». Джулиан Хаксли был внуком Томаса Гексли — одного из основоположников дарвинизма, причем разница в написании фамилии отражает лишь эволюцию русского языка. Джулиан Хаксли — один из создателей «синтетической теории эволюции», без которой не было бы современного дарвинизма. Кстати, его младший брат Олдос Хаксли внес в историю вклад, никак не связанный с биологией: он написал великий роман-антиутопию «Дивный новый мир». Что касается Джона Холдейна, его Хаксли-младший карикатурно изобразил в своем более раннем романе «Шутовской хоровод». Джон Холдейн уже появлялся в начале нашего повествования: именно в его лабораторию пришел работать Джон Мейнард Смит, автор концепции «двойной цены секса», и связывала их в те годы твердая приверженность коммунистическому мировоззрению. Вклад Холдейна в теоретическую биологию также очень велик: он фактически заложил основы популяционной генетики как дисциплины, использующей аппарат математики.

Так вот, правило Холдейна — Хаксли состоит в том, что если у одного пола рекомбинация происходит реже, чем у другого, то этот пол — гетерогаметный (имеющий разные половые хромосомы — XY или ZW). То есть в случае дрозофилы или человека — мужской. Вроде все сходится.

Такие ученые, как Джулиан Хаксли и Джон Холдейн, вызывают восхищение. Подчеркну еще раз: чистое восхищение, без малейшего налета снисходительности, даже если их идеи впоследствии оказались неверными. Число объектов, с которыми работали в те годы генетики, не превышало двух десятков, и чтобы выводить какие-то «правила» из столь скудного материала (а у Холдейна, кроме этого совместного с Хаксли правила, были и другие), надо сильно верить в то, что живая природа устроена логично. Только в этой небольшой главе мы несколько раз вставляли в текст наш фирменный мини-диалог «Почему? — Пока непонятно», а вот Джон Холдейн и Джулиан Хаксли сто лет назад были уверены в том, что надо немножко постараться, и станет понятно. Впрочем, Холдейн отдавал себе ясный отчет в том, насколько эфемерна эта надежда на ясность. Об этом говорит его знаменитый афоризм: «Подозреваю, что Вселенная не только причудливее, чем мы себе представляем, но и чем мы можем представить».

Откуда могло бы взяться правило Холдейна — Хаксли? У гетерогаметного пола есть две разные половые хромосомы. Рекомбинировать им никак нельзя, а то еще признаки полов бессмысленно перепутаются, или просто вся система хромосомного определения пола придет в состояние хаоса. Правило могло бы здесь помочь… если бы только оно было верным. Увы, в последующие десятилетия из этого правила было замечено столько исключений, что оно фактически потеряло смысл. Рекомбинация половых хромосом у гетерогаметного пола действительно часто бывает заблокирована (кроме небольших участков хромосом), однако для этого существуют особые механизмы, совсем не мешающие остальным хромосомам рекомбинировать, сколько им вздумается.

При этом разница в частоте рекомбинации у самцов и самок действительно существует. Если читателя интересуют всякие необычные гипотезы на этот счет, отошлем их к статье замечательного генетика Павла Михайловича Бородина и его новосибирских коллег. Эта гипотеза связывает пониженную рекомбинацию у самцов с механизмом «фишеровского убегания». Надо напомнить, что у этого убегания, из-за которого у павлина развился огромный никому не нужный хвост, у оленя рога, а у человека, возможно, разум (об этом речь пойдет позже), есть одно условие: ген признака самца и ген, определяющий любовь самки к этому признаку, должны встретиться в одном организме. Для этого их проще «сцепить» на одной хромосоме — а потом ни в коем случае не давать им «расцепиться». Ради такого стоит подавить у себя рекомбинацию, если ты самец. Безответным остается вопрос, чем так уж полезен самцам механизм фишеровского убегания как таковой. Если его чудесным образом мгновенно выключить, то, конечно, у самцов, имеющих самые огромные и яркие хвосты, возникнут проблемы. Но у другой половины самцов, с самыми неудачными хвостами, напротив, появится преимущество, а ведь рекомбинацию-то надо подавлять сразу у всех самцов как класса. 

Альтернатива такая: это не у самцов рекомбинация подавлена, а у самок повышена. Причем именно потому, что у них это фишеровское убегание сидит костью в горле и они готовы постараться, чтобы вся эта бессмыслица с хвостами прекратилась. В общем, гипотеза дает пищу для размышлений, но в нашем случае эти размышления заведомо бесплодные. Не будем вникать в эту историю: она сложна и не так уж необходима в логике нашего рассказа.

Лучше зададимся другим вопросом: если мейозы у мужчин и женщин настолько разные, как это отражается на нашей генетике как биологического вида? Получается, что гены, которые мы получили по отцовской и дедушкиной линии, прошли перед этим череду халтурных «мужских» мейозов, проведенных быстро и кое-как. С другой стороны, по материнской линии все было проделано тщательно и с любовью, со всеми арестами и с отбраковкой полярных тел, и так на протяжении многих поколений. Можно ли увидеть эту разницу? 

Можно, и ее воочию увидели исландские генетики. Генетики были именно исландскими вот по какой причине: в Исландии живет всего 300 000 человек, но это очень любознательные и образованные люди, и больше половины из них сделали себе полный анализ генома. Эти данные позволяют напрямую сравнивать последовательности ДНК у родителей и детей и наблюдать, что же именно там произошло при мейозе. Об этом повествуют две научные статьи, первая и вторая, причем во второй статье 22 автора: приятно, что среди трехсот тысяч исландцев нашлось столько первоклассных генетиков, но мы же сказали, что это любознательные и образованные люди.

Итак, в чем же разница между хромосомами, полученными по мужской и по женской линии? В одной из глав мы упоминали о «генной конверсии»: вблизи точек рекомбинации в хромосомах случаются всякие чудеса, когда генетическая информация одного из родителей исчезает и полностью заменяется информацией другого. Так вот, оказалось, что у типичной исландской мамы таких чудес заметно больше, чем у папы, и области хромосом, где они происходят, обычно длиннее. Там порой последовательность ДНК несколько раз перескакивает с дедушкиной на бабушкину и обратно — это называется «сложный кроссовер». Что касается бабушки и дедушки с папиной стороны, здесь куда вероятнее увидеть кроссовер попроще: вот закончилась бабушкина последовательность, началась дедушкина, и всё. При том, что и самих кроссоверов с мужской стороны меньше, мы получаем в наследство от папы довольно грубую смесь из больших кусков дедушкиного и бабушкиного геномов. А со стороны мамы — изысканную вязь из творчески переработанной генетической информации. Тут уместно вспомнить воландовскую реплику: «Как причудливо тасуется колода!» Да, весьма причудливо, и одна из причуд в том, что у мужчин и женщин она тасуется по-разному.

То, что вы сейчас прочли, конечно, является художественным преувеличением: на самом деле разница, хотя и достоверно существует, не так уж ошеломляюще велика. Однако если учесть, что она накапливается в череде поколений по мужской и женской линии, тут есть о чем задуматься — или, скорее, пофантазировать. Неожиданно получает научное обоснование общепринятая в разных культурах практика прослеживать родословную именно от отца к сыну. Если вы потомок великого царя по мужской линии, есть шанс, что в вашем геноме есть достаточно большой кусок генома этого царя, не тронутый рекомбинацией. А если вы потомок (по женской линии) великой царицы, в вашем геноме может найтись множество интереснейших креативных инноваций, но вероятность найти длинный и связный текст — своего рода генетическое завещание этой самой царицы — будет заметно меньше.

Чтобы автора здесь не обвинили в сексизме, нужно сейчас же восстановить баланс. Как было сказано, у женщины число клеточных делений, ведущих к образованию ооцита, строго лимитировано, а у мужчины сперматогонии А продолжают делиться почти всю жизнь, и чем дольше он живет, тем больше клеточных делений за спиной каждого из его сперматозоидов. А значит, в них должно быть с годами все больше мутаций. Так ли это? Именно так, и вот точная цифра: каждый папин год жизни добавляет в геном его ребенка в среднем 1,39 новых мутаций. Это значит, что наше выдуманное из головы «генетическое завещание великого царя», даже если оно и дойдет до вас целиком, не прерываясь всякой женской чепухой, может оказаться подпорченным.

Но вот что интересно: у женщин возраст тоже берет свое. Каждый год жизни мамы добавляет 0,38 новых мутаций. Это, конечно, в три с половиной раза меньше, но во много раз страннее: откуда берутся мутации, если все эти годы с яйцеклетками вроде бы ничего не происходит — они сидят под арестом? Видимо, что-то все же происходит — мы ведь упоминали о том, что во время ареста может происходить какой-то мелкий ремонт ДНК, особенно вокруг тех точек, где произошла рекомбинация и образовались хиазмы. Здесь информацию к размышлению опять же дает статья исландских генетиков. Они показали, что мутации, появившиеся у новорожденного ребенка в первом поколении, рассеяны по геному совсем не случайно. А именно возникновение мутации в 50 (!) раз более вероятно неподалеку от того места, где между бабушкиными и дедушкиными хромосомами прошла рекомбинация. Причем «неподалеку» в буквально смысле: речь идет о расстоянии в 1000 букв-нуклеотидов, что по меркам генома рукой подать. Именно такова длина участков ДНК, вовлеченных в рекомбинационные процессы, которые рисуют на всех схемах (мы рисовали их несколько глав тому назад). Не зря же предупреждали: рекомбинация — дело опасное. И даже мамам, с их повышенным вниманием к качеству мейоза, этой опасности избежать не удается.

Так что, может быть, лучше уж по-мужски, с налета да с кондачка? К счастью, так вопрос наука перед собой не ставит.

Продолжение: Недооцененные прелести секса