Главные вопросы секса: как и зачем

Предыдущую главу читайте здесь: Недооцененные прелести секса

Глава тридцать пятая, в которой все уже рассказано, но по-прежнему ничего не понятно

Мы задали вопрос «Что самое главное в мейозе?» и не получили на него ответа. Ничего удивительного, поскольку сам вопрос был с гнильцой. Что значит «главное»? А что главное в человеческой крови? Там есть эритроциты, тромбоциты и пять типов лейкоцитов, из которых один подразделяется на три вида, и без каждого из них жить никак невозможно, не говоря уже о плазме крови. Куда любопытнее понять, как эта самая кровь произошла в ходе эволюции из обычной морской воды, которую непрестанно прокачивал через себя наш древний предок, какие усовершенствования она претерпела и почему каждое из них оказалось настолько полезным, что естественный отбор радостно ухватился за эту возможность. 

Попробуем так же рассуждать о мейозе. Как сложилась эта затейливая машинка и что в ней было такого полезного, чтобы из всех потомков общего предка сложных организмов планеты до наших дней дожили лишь те, кто ею обзавелся? Те, кто ее потом по небрежности сломал или потерял, не в счет, потому что у них тоже когда-то все было. По-видимому, на всем ветвистом дереве сложной жизни — среди тех, у кого в клетках есть ядра, то есть у эукариот, — нет ни одной веточки, где ни у кого никогда не бывало мейоза. И это, конечно, большая трудность для биологов. 

Беда в том, что эволюционисты привыкли высматривать в природе всякие промежуточные формы. Есть существа без глаз, есть с совсем простыми глазами, у кого-то глаза посложнее, а у некоторых просто суперглаза, как у нас с вами или у осьминогов. Раз все эти типы глаз существуют сейчас, значит, они могли существовать и в прошлом, и остается только выстроить их в линейку по степени сложности и понять, как каждое новое усовершенствование помогало обладателям этих глаз выживать. Дарвин показал этот фокус специально для тех, кто считал сложный глаз млекопитающих примером «неустранимой сложности», то есть органом, который якобы не мог возникнуть путем постепенных усовершенствований («Какая польза от половины глаза?!» — вопрошали эти демагоги). Нет, терпеливо отвечал им Дарвин: от светочувствительного пятна до сложного глаза с хрусталиком и диафрагмой можно добраться маленькими шажками, каждый из которых сделает организм более приспособленным к жизни, а потому будет поддержан естественным отбором. Эта идея — о том, что любой сложный признак можно получить из простого путем маленьких полезных усовершенствований, — называется «градуализмом», и Дарвин твердо стоял на этом. 

С мейозом такой фокус не проходит, потому что никаких промежуточных ступенек вы в природе не найдете. Если вы тем не менее продолжаете верить в градуализм, то промежуточные ступеньки придется воображать из головы, и эта задачка оказалась одной из сложнейших в биологии. Размышления над ней вынудили классика эволюционной теории Уильяма Гамильтона написать в 1999 году следующие слова:

«Если есть во всей эволюционной цепочке одно событие, при мысли о котором мой разум позволяет благоговейному изумлению подавить во мне способность анализировать, и где я готов признать, что повсеместное господство дарвиновского градуализма может быть не так просто увидеть, это событие — возникновение мейоза» (из книги Narrow Roads to Gene Land: Evolution of Sex)*.

Надо полагать, Гамильтон все же находил способы овладеть собой и как-то взбодрить свою способность к анализу, потому что написал об эволюции секса не только эту книгу, но и множество статей, изобилующих плодотворными идеями на этот счет. Увы, сам Билл Гамильтон умер от малярии меньше чем через год после выхода своей книги. За последующие два десятилетия было выдвинуто множество гипотез о том, из каких именно простых шагов мог состоять путь нашего предка к мейозу. Перечислять все эти идеи нет никакого смысла, потому что во многом они перекликаются между собой, кое в чем биологи пришли к согласию (ясно, к примеру, что мейоз произошел от митоза), а чтобы всерьез анализировать отличия, ни автор, ни читатели не обладают достаточным багажом знаний. Поэтому для иллюстрации мы сейчас возьмем только одну из гипотез. 

Мой выбор — статья Робина Холлидея, написанная им в соавторстве с Адамом Уилкинсом. Холлидей написал ее в 2009 году, за пять лет до своей кончины и спустя почти полвека после того, как он же предложил модель рекомбинации ДНК, включающую знаменитую крестообразную «структуру Холлидея», которая его и прославила. Вполне понятно желание ученого подвести некую черту под полувековой историей изучения рекомбинации и секса, в которую он внес столь важный вклад, — хотя сама история пока еще далека от завершения, но жизнь-то не бесконечна. К тому же авторы начали статью тем самым эпиграфом из книги Гамильтона, который я привел выше, и именно оттуда я его позаимствовал, так что остается кратко пересказать и остальное.

Итак, мейоз произошел от митоза, в этом нет никаких сомнений. В нем есть все то, что есть в митозе, но есть и кое-что еще. Уилкинс и Гамильтон насчитали четыре таких важных добавления.

Во-первых, спаривание гомологичных хромосом.

Во-вторых, рекомбинация между гомологами (а не между сестринскими хроматидами, как это чаще всего бывает в обычной жизни клетки).

В-третьих, отказ сестринских хроматид расставаться в первом делении (мы еще помним, что их склеивает белок когезин, а другой белок, монополин, придает асимметрию кинетохору, так что нити веретена деления прикрепляются к хромосоме только с одной стороны).

В-четвертых, отсутствие удвоения хромосом перед вторым делением мейоза. 

Проблема для тех, кто ищет «градуалистическое» объяснение этого сложного механизма, в том, что для успеха предприятия нужны все четыре элемента: без любого из них задача не будет выполнена. 

Мы уже упоминали красивую идею Томаса Кавалье-Смита: наши «в-третьих» и «в-четвертых» можно легко объединить общей логикой. При обычном клеточном делении когезиновый клей полностью растворяется перед тем, как хромосомы разойдутся по разным ядрам. Отсутствие этого клея — верный признак, что деление прошло нормально и клетке пора снова удваивать свои хромосомы. А после удвоения сестринские хроматиды вновь окажутся склеенными. Итак: пока хроматиды склеены, удваивать хромосомы не надо. А при мейозе после первого деления они как раз и остаются склеенными, так что «в-четвертых» наступает совершенно естественным образом: клетка решает, что репликация ДНК уже произошла и можно сразу переходить к следующему делению. Кавалье-Смит считал, что именно это и есть тот самый главный шаг, который сделала эволюция для превращения митоза в мейоз.

Но ничего этого не могло бы произойти, если бы перед этим гомологичные хромосомы не нашли друг друга. Остается предположить, что это и есть самое главное новшество: надо заставить гомологичные хромосомы совместиться и вставить это событие прямо в середину митотического цикла, между удвоением ДНК и расхождением хромосом по дочерним клеткам. Между тем это новшество не так уж и ново. У разных организмов отмечено некое взаимное влечение между хромосомами-гомологами. У дрозофилы, к примеру, они явно тяготеют друг к другу во всех соматических клетках, и даже у диплоидных дрожжей гомологичные хромосомы местами как-то подозрительно прилегают друг к другу. 

Это и неудивительно: в 26-й главе мы уже упоминали про парасексуальный процесс, когда никакого мейоза нет, но хромосомы все равно находят возможность для рекомбинации. Ясно, что для этого им надо как-то сблизиться, хотя бы местами. Есть, впрочем, два коренных отличия: во-первых, митотическая рекомбинация происходит на много-много порядков реже, чем рекомбинация в мейозе. Во-вторых и в-главных, хоть эту рекомбинацию и называют «митотической», но вот как раз во время митоза ее и не бывает: хромосомы заканчивают все свои шуры-муры до того, как дело дойдет до клеточного деления, так что гомологи вступают в митоз совершенно независимо друг от друга. 

Однако ясно, что именно здесь можно внести небольшое — «градуалистическое»! — изменение: как-то поощрить хромосомы к тому, чтобы они не расставались перед делением, а, наоборот, соединились как можно точнее, и не кое-где, а сразу по всей длине. К клеточному делению они должны приступить именно в таком соединенном виде. Это и есть синапсис — ключевое новшество мейоза. 

В чем же польза от этого новшества, побудившая наших предков внедрить его повсеместно? Понятно, что рекомбинация позволяет перетасовывать гены, избавляясь от вредных аллелей, а также чинить ДНК по образцу гомологичной последовательности, однако ничто не мешало проделывать все это и без мейоза. Митотическая рекомбинация хоть и редко, но бывает, и, наверное, увеличить ее частоту даже в десятки тысяч раз все же проще, чем конструировать совершенно новый процесс. Но тут-то и вступает в действие провокационная идея Уилкинса и Холлидея. Согласно их гипотезе, синапсис гомологичных хромосом нужен не для того, чтобы стимулировать рекомбинацию, а, напротив, чтобы удержать ее в узде. 

Действительно, синапсис — это точное соединение хромосом по всей длине, и ключевое слово здесь «точное». Рекомбинация, как мы говорили, дело нужное, но опасное: в ней случаются ошибки. Например, ею могут заняться два похожих гена (или две идентичных копии гена), расположенные в разных местах хромосомы. В результате мы получим две неодинаковых хромосомы: в одной фрагмент ДНК, лежащий между такими генами, будет удвоен, а в другой утерян. Ненавижу картинки, пусть читатель сам нарисует все на бумажке и убедится, что это так. Возможно, именно эта сложность и не позволяет просто так увеличить частоту рекомбинации на порядки величины: лавина хромосомных повреждений оказалась бы убийственной. Потому-то и надо сначала приложить друг к другу хромосомы как можно точнее, чтобы напротив друг друга оказались не просто похожие последовательности ДНК, а гены-братья, расположенные в точно том же самом месте.

О том, что основной задачей мейоза может быть жесткий менеджмент рекомбинации, свидетельствует одна его любопытная особенность. Как я упоминал, в начале мейоза в хромосомах возникают сотни двойных разрывов — они нужны хотя бы затем, чтобы обеспечить точное спаривание гомологов, не говоря уже о пресловутой починке повреждений. Однако лишь очень небольшая их доля превращается в настоящие точки рекомбинации: на каждую пару хромосом обычно приходится всего две-три, а иногда и одна-единственная хиазма. Похоже, мейотические белки специально занимаются тем, чтобы подавляющее большинство затеянных рекомбинаций завершились ничем. Более того, генетики хорошо знают о такой штуке, как «интерференция»: если где-то произошел кроссинговер, то есть хромосомы поменялись участками, то в окрестностях этой точки вероятность второго такого события будет очень низкой. А это именно и значит, что механизмы мейоза не дают рекомбинации особенно разгуляться, при этом бесстыдно используя ее для всяких полезных нужд.

Почему вдруг нашему предку понадобилось закручивать гайки и посягать на свободу рекомбинации? И тут опять на сцену являются эгоистичные элементы, атаке которых, как кажется, подвергся наш общий предок в первые миллионы лет своей истории. Расселившись по геному, они, сами того не желая, создали в нем множество точных копий последовательностей ДНК, между которыми в принципе могла бы происходить рекомбинация. Такая рекомбинация фактически привела бы к тому, что весь геном оказался бы порублен в щепки. 

Заметим, что геномы бактерий — и архей, к эволюционной линии которых у нас чуть больше оснований причислять себя, — устроены очень экономно, и копии генов там встречаются крайне редко. Даже у простых эукариот вроде грибов большинство генов присутствуют в единственной копии. А вот мобильные элементы такому правилу не подчиняются: их может расплодиться великое множество. В нашем человеческом геноме, венце эволюции, есть один такой мобильный элемент — ретротранспозон LINE1. Их у нас ни много ни мало полмиллиона штук. А длина у него вполне приличная — 6000 нуклеотидных букв, то есть примерно треть этой главы. Если бы я откуда-то скопировал такой кусок текста, любая программа поиска плагиата легко бы это обнаружила. Ну а для рекомбинации такой длины и подавно более чем достаточно. То, что наши хромосомы не занимаются рекомбинацией по всем своим LINE1 — и не превращаются в результате в бессмысленный хаос разномастных фрагментов, — заслуга мейоза как суперэффективного менеджера.

А вот еще кое-что в копилку аргументов: если помните, перед мейозом в клетках формируются белковые оси хромосом. Молекулы ДНК — сестринские хроматиды — как будто прикрепляются к каркасу регулярно расположенными канцелярскими кнопками, а с двух сторон свободно свисают этакие красивые петли — разумеется, строго одинаковые у каждой из хроматид. Потом две такие оси гомологичных хромосом, в свою очередь, соединяются вокруг центрального элемента, так что опять же одинаковые петли оказываются друг напротив друга и способны вступить в рекомбинацию. Так вот, интересное наблюдение состоит в том, что мобильные элементы — те самые, что разбросаны по геному во множестве копий, — чаще оказываются не на петлях, а «под кнопками» — в точках крепления. Тем самым их возможности затеять рекомбинацию сильно ограничены. Не то чтобы доказательство, но очередной намек на то, что контролировать транспозоны в мейозе приходится всеми возможными способами.

Тут, наверное, надо сделать оговорку: все рассказанное здесь — лишь гипотезы, причем такие, которые кажутся автору особо вдохновляющими. А автор находится в плену у мимолетной моды. Детали жизни нашего общего предка — предка всех эукариот, или Last Eukaryotic Common Ancestor, или LECA, или фамильярно по-русски просто Лека — именно сейчас стараниями биологов начинают проступать из безвестности. Очень велик соблазн объяснять этими деталями — в том числе предполагаемой атакой мобильных элементов — всё на свете, в очередной раз надеясь, что такая запутанная загадка жизни может иметь простую разгадку. Эта надежда много раз обманывала ученых, но именно она, наверное, придает им силы разбираться во всех мучительно сложных подробностях устройства живых существ. Вполне вероятно, что эта мода сменится новой и разгадку начнут искать в каком-то другом месте. Но раз уж мы застали науку биологию именно на этом этапе, будем пытаться построить цельное видение мира из того, что есть. Конечно, в итоге мы окажемся в смешном положении перед потомками, уподобившись каким-нибудь анимакулистам или овистам**. Извините нас, потомки: что могли, то и поняли, а вы понимайте по-своему.

Тут самое время с сожалением закончить рассказ о мейозе, но все-таки придется сделать еще одно добавление. Если кто-то еще помнит, наш рассказ начинался с парадокса «двойной цены» секса: те, кто им занимаются, добровольно снижают эффективность размножения вдвое, а между тем по какой-то причине естественный отбор их за это не наказывает, а вроде бы даже поощряет. Этот вопрос распадается на две части. 

Во-первых: чем таким оказался хорош секс, что среди бесполой популяции наших предков те, кто вдруг решил им заняться, не только не канули в небытие, но, напротив, триумфально распространились? Выражаясь по-научному, какое давление отбора оказалось способно уравновесить «двойную цену»? В случае мейоза мы только что обсудили одну из гипотез, которая могла бы описать этот эпохальный момент нашей родословной.

И во-вторых: поскольку те времена (и те факторы отбора) давно прошли, то почему вот прямо сейчас среди разных видов организмов не распространяются «мутации к бесполости»? То есть они, конечно, иногда распространяются, иначе не было бы бесполых существ почти на всех ветках эволюционного дерева. Однако они не вытеснили полностью с этого дерева тех, у кого бывает секс. И, соответственно, мейоз. Почему?

Тут впору бы начать всю нашу историю с начала, но есть возможность избежать такого зацикливания. Вот одна интересная идея, которую продвигает Марко Аркетти, работающий в университете Пенсильвании. А что если посмотреть на все это под другим углом? На время прекратим искать факторы отбора, благоприятствующие мейозу (такому, каков он есть) и дающие ему преимущество перед бесполым размножением. Вместо этого посмотрим на сам риск перехода к бесполости как на фактор отбора и предположим, что именно этот фактор выковал мейоз в том виде, каким мы его знаем. 

Действительно, в отдаленной перспективе бесполые организмы обречены на множество бед: накопление вредных мутаций, гибель под натиском паразитов и т. п. Однако переход к бесполости обещает немедленную выгоду, и для этого достаточно просто слить два ядра, получившиеся в результате мейоза, или, возможно, пропустить одно из делений. Вероятно, в краткосрочной перспективе этот трюк может дать такое преимущество, что бесполый мутант за несколько поколений вытеснит своих сексуальных собратьев, и лишь затем под действием неумолимых законов популяционной генетики и сам канет в Лету — к тому моменту никаких сексуальных собратьев уже не останется, и некому будет злорадно припоминать ему его фатальное решение. Вместе с этими «сексуальными собратьями» исчезнет и та архитектура мейоза, которую они практиковали.

Но что если сам мейоз устроен таким образом, чтобы накопление вредных последствий бесполости происходило достаточно быстро — так, чтобы у бесполых мутантов просто не было времени, чтобы кого-то там вытеснить? В одной из глав мы мимоходом упоминали, что классический двухступенчатый мейоз как раз имеет одно такое приспособление: при слиянии двух ядер, которые в результате получились, большие куски хромосом могут оказаться в «гомозиготном состоянии» — то есть там, где у родителей они были разными и вредные мутации на одной хромосоме прикрывались здоровыми генами на другой, у потомков будут две одинаковых копии со всеми вредными мутациями, как будто они уже много поколений занимаются родственным инбридингом. Это называется «потерей комплементации», и, по мнению Аркетти, именно классический мейоз со всеми его труднообъяснимыми сложностями лучше всего приспособлен к тому, чтобы те, кто вздумает схитрить, были наказаны по возможности сразу же, а не много поколений спустя. Тогда вполне понятно, почему именно такому прихотливому мейозу благоприятствовал отбор: многие миллионы лет он не позволял разнообразным уклонистам восторжествовать даже на короткий срок. Уклонисты, конечно, находили лазейки: например, если подавить у себя рекомбинацию, можно избежать этой самой «потери комплементации» или хотя бы замедлить ее. Потому бесполые виды всегда возникали и продолжают возникать. Однако тех затруднений, которые создает для них наш изощренный мейоз, оказалось достаточно, чтобы это происходило не слишком часто, потому и сам мейоз, а вместе с ним и секс, дожили до наших дней и продолжают приносить нам долговременную эволюционную пользу. И, разумеется, мимолетное удовольствие. 

Рассказывать о мейозе можно бесконечно, но и прервать этот рассказ можно в любой момент. Я прерву прямо сейчас. Если дело дойдет до продолжения нашего цикла, там речь пойдет о совсем иных материях, а сейчас краткий вывод. Для чего нужен секс, как он возник и почему не исчез, по-прежнему непонятно. Но непонятно уже совсем не так, как это было непонятно Рональду Фишеру, Джону Мейнарду Смиту или даже Биллу Гамильтону. Пока все с каждым днем становится только интереснее. Давайте наслаждаться моментом, а то ведь когда-нибудь все станет ясно, и тогда самыми увлекательными занятиями в мире окажутся футбольный тотализатор и просмотр кулинарных шоу. На сегодняшний день, слава мирозданию, занятие наукой выглядит куда заманчивее. 

Примечания

* Гамильтон, похоже, здесь выразился особенно заковыристо, чтобы не оставить читателям лазеек для вольных интерпретаций: мол, «не работает ваш дарвиновский градуализм, сам Гамильтон это признал!». Из уважения к его намерениям приведу цитату в оригинале: If there is one event in the whole evolutionary sequence at which my own mind lets my awe still overcome my instinct to analyse, and where I might concede that there may be a difficulty in seeing a Darwinian gradualism hold sway throughout almost all, it is this event — the initiation of meiosis.

** Анимакулисты полагали, что в сперматозоиде находится маленькая копия будущего организма, которой затем остается только вырасти, воспользовавшись накопленными яйцеклеткой ресурсами. Овисты, напротив, считали, что такая копия есть в яйце, а сперматозоид лишь придает ей жизненную силу. Но XVIII век прошел, и все оказалось гораздо сложнее и интереснее.