Бунт женских хромосом: трансгендерные лемминги и консервативные мухи

Предыдущую главу читайте здесь: Трагедия лишней хромосомы: ущербность мужчины и сложность женщины

Глава девятнадцатая, в которой не хватает мальчиков

У людей моего поколения, родившихся в СССР, в голове часто бывает довольно много мусора. Например, популярные песни «эпохи застоя». В одной из таких песен, которую в 1960-х исполняла прекрасная певица Мария Пахоменко, речь шла о том, как на танцах бедным девушкам трудно найти кавалера, «потому что на десять девчонок по статистике девять ребят». Я даже хотел использовать эту строчку в названии главы, но потом понял, что никто, кроме дремучих бумеров, уже не помнит такой ерунды.

Однако описанная статистика верна и сейчас: в прошлом году в России на тысячу женщин приходилось 867 мужчин. Конечно, женщин может быть больше просто потому, что они дольше живут, притом что мальчиков рождается даже чуть больше, чем девочек. Но из этого можно понять, что природе не так уж легко обеспечить равное соотношение полов, даже если этого требует неумолимый принцип Фишера.

Напомним про этот принцип: Рональд Фишер первым сообразил, что в каждом поколении ровно половина генов получена от отцов, а другая половина от матерей. Это значит, что если самцов в популяции меньше самок, то те, кто родит самцов, в следующем поколении получат генетический выигрыш. Этот баланс интересов и приводит к точному соотношению полов 1:1. И именно такое соотношение обеспечено хромосомным механизмом определения пола XY (или ZW, если вы птица). На протяжении нескольких глав мы копались в этом механизме и имели много возможностей восхититься его совершенством. Однако все это хорошо работает только в первом приближении, а в реальной жизни всегда возникают проблемы. 

Вот, например, одна сложность. Мы говорим, что соотношение 1:1 — продукт баланса интересов генов. Каких именно? Ответ: ансамблей генов, заключенных в хромосомах родителей. Именно добытое в борьбе равенство материнского и отцовского вкладов в следующее поколение требует, чтобы в репродуктивный период вступило равное число самцов и самок. При таком соотношении все эти ансамбли генов получат равные шансы независимо от того, попали ли они в самца или самку. Однако некоторые участники ансамблей имеют и собственный интерес: если ген находится на половой хромосоме, ему равное соотношение полов, вообще говоря, ни к чему, потому что для половых хромосом никакого равного вклада нет — все Y происходят от отцов, а ⅔ X от матерей. А ведь именно гены этих хромосом как раз и заняты больше других определением пола. Так отчего бы им не взбунтоваться против остальных генов, которые лишь пользуются плодами их работы?

В самом простом варианте этот бунт выглядит довольно бессмысленно. Если вы, будучи геном, сидите на Y-хромосоме и решили обеспечить свое будущее, наделав побольше спермиев с Y-хромосомой, то, конечно, в первом поколении потомков ваших копий станет много, но затем этим потомкам надо будет с кем-то скрещиваться, а такому количеству самцов будет нелегко найти себе партнеров. Разумеется, остальным генам организма такое придется не по душе, и уж они найдут способ с вами справиться (а если не найдут, популяция вскоре потеряет всех самок и вымрет). Таким образом, вы, как это порой бывает с оппозиционерами, либо отправитесь на свалку истории, либо будете жить в непрерывной борьбе с большинством, что глупо и обременительно.

Как ни странно, этот глупый вариант действительно наблюдается в природе и получил название «мейотический драйв». В 2007 году взбунтовавшийся ген — его назвали Dox, Distorter on X — был обнаружен на Х-хромосоме одного из видов дрозофилы. Он не дает мухе производить спермии с Y-хромосомой, смещая равновесие в сторону самок. Дай ему волю, он бы сместил его окончательно и привел бедняжку-муху к вымиранию, но, как и следовало ожидать, один из аутосомных генов (Nmy) противостал бунтовщику: он подавляет его активность, возвращая соотношение полов к норме.

Кстати, небезынтересно, откуда взялся этот ген-реакционер, подавивший протест свободолюбивой Х-хромосомы. Как ни странно, Nmy произошел от самого Dox. Когда-то копия Dox перескочила с Х-хромосомы на обычную аутосому, да еще и по дороге претерпела перестройку: кусочек гена удвоился и одна копия перевернулась задом наперед. Теперь с этого нового гена стала считываться РНК-палиндром, способная спариваться, то есть образовывать двойную цепочку, сама с собой. А надо сказать, что наши клетки терпеть не могут двойных цепочек РНК, потому что это верная примета зловредных вирусов. Поэтому у клеток есть правило, которое называется «РНК-интерференцией»: если какая-то РНК замечена в виде двойной цепочки, все подобные РНК следует уничтожать. И вот именно этот механизм подавил бунт гена Dox. 

Это, конечно, была чистая случайность: не перескочила бы копия Dox на аутосому, да еще и с подходящей дупликацией, и Dox бы победил. Он наверняка и победил у всех мух, кроме той, у которой все это случилось, потому-то они и вымерли, а от той единственной произошел нынешний вид Drosophila simulans. Более того, не так давно было обнаружено, что это далеко не единственное подобное событие. Битва между мейотическими драйверами и их супрессорами (то есть подавителями) идет у этого вида мух постоянно: на Х-хромосоме поднимаются всё новые диссиденты, а на аутосомах им противостоят целые когорты генов-охранителей. В результате дрозофила-симулянс и похожие на нее виды кое-как умудряются поддерживать соотношение полов в пределах нормы.

Но это получается не у всех, и тут мы от непонятных докучливых плодовых мушек переходим к нашим братьям-млекопитающим. А именно к леммингам. Еще в середине прошлого века было обнаружено, что у леммингов самок рождается гораздо больше, иногда вдвое-втрое, чем самцов. Очень скоро был найден виновник такого безобразия. Им оказалась мутантная Х-хромосома. Она действует куда хитрее, чем гены мейотического драйва: вообще отменяет действие Y-хромосомы, так что любой лемминг, несущий хотя бы одну копию хромосомы-мутанта, оказывается самкой. Эту хромосому иногда называют Х*, но ее вполне можно называть и W, как у птиц или бабочек: у них ведь самки — это тоже те, у кого есть W.

Зачем хромосоме W этот фокус? Хитрость начинает работать, когда мутантная W оказывается в паре с Y, а значит, вместо ожидаемого самца получается самка. И вот эта самка спаривается с нормальным самцом XY. Их дети таковы: WX, WY, XX и несчастные YY, которые вообще не рождаются и даже не начинают развиваться, так что их считай что и нет. Что мы видим? У ⅔ потомства есть мутантная хромосома W! Это огромный эволюционный выигрыш, ради этого стоило устроить бунт. Потом, по мере распространения W, этот выигрыш, конечно, уменьшается: в браках WW и XY (а также WX и XY) мятежная хромосома не получает никакой выгоды, — ее сколько было, столько и осталось. Однако поскольку от всех браков с участием W рождается сколько-то WY-самок, то прибыль не обращается в ноль.

А побочный результат восстания — искаженное соотношение полов. В браке WY с XY будет ⅔ самок. А если мама была WX — дети будут WX, XX, WY и XY, то есть девочек будет ¾. 

Как природа такое допустила? Вроде бы, по Фишеру, отбор должен упрямо возвращать соотношение полов к норме — и в случае мейотического драйва, как мы видели, он каждый раз находит способ сделать это. В одной из предыдущих глав мы сетовали на печальную судьбу самцов морского слона: лишь каждый 25-й имеет нормальную интимную жизнь, а остальные вообще непонятно зачем родились, лишь впустую тратят ресурсы стада и портят всем настроение своей экзистенциальной тоской. Тогда мы сказали, что природе на это наплевать, потому что результат отбора определяется не всеобщей пользой и гармонией, а балансом интересов генов: есть равновесие Нэша, и с него так просто не слезешь. А это равновесие наступает, когда самцов и самок поровну. И все рассуждения о том, как полезно было бы для общества подсократить самцов (или, напротив, наделать их побольше, если завтра война), никуда не ведут.

Как ни странно, в случае леммингов некоторые зоологи, которых жизнь и труды классиков ничему не научили, начали было рассуждать именно в таком ключе: раз отбор терпит перевес в сторону самок, значит, леммингам это чем-то полезно. Ну вот, например: популяции этих грызунов претерпевают резкие колебания численности, потому что в один год еды много, а в другой почти совсем нет. Наверное, в те годы, когда еды нет, перевес самок — это хорошо для вида, потому что самка поест досыта и родит маленьких леммингов, а самец поест и… сами понимаете. Но, как мы уже не раз видели в этом цикле, рассуждения с точки зрения «пользы вида» обычно заводят в тупик. А загадка разрешается совсем не так, и когда жизнь леммингов смоделировали на компьютере, это стало вполне ясно.

Весь фокус в том, что, хотя мятежная W-хромосома вроде бы эмоционально «против самцов», она достигает своей выгоды именно в паре с Y-хромосомой, то есть у потомства особей с кариотипом WY. Предположим, что какой-то аутосомный ген решил бы побороться со зловредной W-хромосомой, сдвигая соотношение в сторону самцов, то есть побуждая лемминга производить больше спермиев, несущих Y. Можете взять ручку и бумагу, а можете догадаться в уме или даже поверить на слово: это приведет к тому, что в популяции будет появляться больше самок с кариотипом WY, а это та самая комбинация, которая приносит хромосоме W ее эволюционную выгоду. Согласно теоретической модели, мятежная хромосома должна достичь в популяции определенной пропорции, при которой наступает новое равновесие: любые малые отклонения будут устраняться самой природой. Вот как несложно оказалось победить этот самый принцип Фишера его собственным оружием: против Нэша нет приема, кроме другого Нэша.

Но мы начали с трагедии девушек на дискотеке, описанной в песне Марии Пахоменко; надо к ней и вернуться. Итак, несмотря на принцип Фишера, соотношение полов нередко норовит уклониться от вожделенного 1:1. Иногда такое отклонение уже заложено в самом принципе. Напомним, что в чистом виде он работает лишь в том случае, если родительский вклад в детенышей обоих полов строго одинаков. Однако все любители собак в курсе, что кобели рождаются немного крупнее сук и, соответственно, высасывают из мамы-суки больше молока. Получается, что родительский вклад в кобелей должен быть больше. Природа могла бы это учесть в статистике зачатий, однако вот беда: если соотношение 1:1 очень удачно получается из менделевских законов, то ради соотношения 10:9 природе пришлось бы сильно повозиться. Но если так получилось само из-за каких-то второстепенных причин, отбор, наверное, это бы поддержал. Скажем, у людей частота выкидышей слегка выше для плода женского пола, а зато потом более высокая смертность начинает работать против мальчиков. В результате в репродукции участвует чуть меньше мужчин, чем женщин, в полном соответствии с песней. Но кто, скажите, подсчитывал родительский вклад в детенышей мужского и женского пола, если речь идет о людях?

Вот, скажем одна из возможных причин отклонения от желанного 1:1: у самцов млекопитающих всего одна Х-хромосома, и рецессивные летальные мутации, которые случаются на этой хромосоме, убьют самцов, а самкам могут и не повредить. Значит, у нас, с нашей системой XY, самцов должно быть чуть меньше. А у птиц, с их ZW, наоборот, чуть больше. Это рассуждение на пальцах, но так ли это в реальности? Не так давно венгерские биологи проанализировали данные для нескольких сотен видов позвоночных и убедились, что так оно и есть: соотношение полов обычно слегка отклоняется от 1:1 с преимуществом для гомогаметного пола. Об этом написал прекрасную статью коллега Александр Марков, сослаться на которого — честь для популяризатора, вот я и ссылаюсь. 

Любопытно, что авторы статьи находят и другие возможные причины для численного преобладания гомогаметных полов, кроме той, о которой мы упомянули (частичная гаплоидность самцов). Одна из них связана с уже упомянутым мейотическим драйвом. Зловредный драйвер, отклоняющий соотношение полов в пользу собственной хромосомы, может теоретически завестись на любой из половых хромосом, однако на Х или на Z для этого просто физически больше места, чем на крохотных Y и W. 

Наконец, любопытная причина может быть связана с особой ролью самцов в эволюции: для них свойственно приносить личное благополучие в жертву любви, или, точнее, индивидуальную соматическую приспособленность — репродуктивному успеху. Если рецессивный ген задает такую стратегию, ему логично прописаться на Х-хромосоме, поскольку для самок он попросту вреден. А у тех, кто пользуется системой ZW (гетерогаметные девочки), он мог бы теоретически занять место на W, однако это куда менее вероятно, потому что опять же W меньше. Как бы то ни было, этот феномен мог бы также слегка повлиять на усредненную статистику позвоночных, сдвинув соотношение полов в сторону гомогаметного пола. 

Если уж мы упомянули об особой роли самцов в эволюции и о том, как природа, возможно, использует самцов как своего рода полигон для отбора, принося их в жертву, чтобы отобрать (для самок) самые лучшие гены, — нельзя не вспомнить о смелых гипотезах покойного профессора Геодакяна. Однако для этого понадобится целая статья, а перед ней, возможно, еще одна. Так что теперь, когда мы наметили перспективы на будущее, сделаем паузу.

Продолжение: О бесполезности больших рогов: как биологи смирились с женскими причудами