Секс в трудные времена: как любовь помогла выжить нашему одноклеточному предку

Предыдущую главу читайте здесь: Секс как форма внутренней дисциплины

Глава двадцать четвертая, в которой древний микроб потерял девственность

Однажды — возможно, два миллиарда лет назад или около того — на земле настали трудные времена. Начались они с того, что некоторые бактерии научились кислородному фотосинтезу, то есть стали использовать солнечный свет для синтеза органики, при этом разрушая молекулы воды и выделяя кислород. Нам с вами кислород нравится, но объективно это довольно неприятное вещество, очень химически активное, немногим лучше какого-нибудь хлора. Кислород начал портить всякие вещества, нарушать химические реакции, на которых строила свое благополучие тогдашняя бактериальная жизнь. Вся, как сейчас выражаются, «экология» пошла псу под хвост. Древним клеткам надо было как-то выкручиваться. 

Одна из таких клеток — архея, привыкшая жить и питаться, восстанавливая углекислый газ водородом (на языке химиков «восстанавливать» что-то — это значит навешивать туда электроны, а у водорода как раз есть лишний электрон). Но с водородом начались проблемы. По счастью, неподалеку от археи жили бактерии, которые как раз, среди своих прочих навыков, умели питаться органикой, выделяя водород в качестве побочного продукта. Архея подружилась с бактериями, прижалась к ним тесно, впитывая драгоценный водород, а потом и заключила бактерию в собственную клетку — то ли проглотила от избытка чувств, то ли, наоборот, бактерия сама влезла внутрь, чтобы полакомиться органикой. В итоге получилась химерная клетка: внутри археи поселились одна или несколько бактерий. Как было сказано в прошлой главе, археи вообще-то не большие мастера по инновациям в области биохимии, но тут у химерной клетки оказались в арсенале все инструменты для кормежки, то есть гены и ферменты, которыми владели бактерии. А поскольку кислорода становилось все больше и больше, хозяйской клетке показалось удобнее вообще отказаться от своего пристрастия к водороду и перейти на новый распорядок: большая клетка тем или иным способом добывает органику, а внутренние бактерии-симбионты жгут ее с помощью кислорода, делясь энергией. 

Так появились сложные эукариотические организмы (потомки той химеры) и их митохондрии (потомки тех бактерий). Описанные же события ныне известны как «Великий симбиоз» и под этим именем упоминались в прошлой части рассказа. Поясним: то, что этот симбиоз вообще случился, — уже твердо установленный факт, вошедший в научный мейнстрим полвека назад благодаря Линн Маргулис. А вот конкретный изложенный выше сценарий пока из области предположений.

Надо было, конечно, с самого начала написать, что это «лишь одна из гипотез», но уж больно она убедительная — так и тянет говорить о ней как о реальной истории. Эту гипотезу связывают с именем Билла Мартина — ученого, предложившего массу захватывающих идей касательно происхождения жизни и ее разных интересных проявлений. У его идей есть одна общая черта: когда про них читаешь, возникает ощущение, что иначе и быть не могло. О «водородной гипотезе» происхождения эукариот быстрее всего можно узнать, прочитав книгу Ника Лейна «Энергия, секс и самоубийство» или хотя бы только одноименную главу.

Так что к черту оговорки: будем и дальше делать вид, будто ученые точно знают, что там произошло. А произошло немало интересного: только в сказках бывает так, что «стали они жить-поживать да добра наживать», а в реальности с предложения «Давай съедемся?» начинаются вовсе не идиллии, а букеты проблем. Так и у нашей химерной клетки. Натурально, у бактерии-сожителя были проблемы со здоровьем: в ее геноме водились паразитические последовательности, прыгавшие из гена в ген. Бактерии научились как-то их контролировать, или наоборот, паразиты научились прыгать осторожно, чтобы случайно не убить бактерию и не погибнуть вместе с ней. Но тут для паразитов открылось новое поле деятельности — геном археи-хозяина, которая никогда раньше с ними не встречалась. Паразиты встраивались в гены и портили их, в результате производились никуда не годные белки. Очень многих это убило. Выжили те, кто научился кое-как справляться с напастью. Мы от них и произошли.

От тех времен в наших клетках осталось хорошо заметное наследие. В отличие от бактериальных (да, кстати, и архейных) генов, в наших генах полным-полно вставочных последовательностей. Они называются интронами. Прежде чем синтезировать на генетической матрице белок, наши клетки тщательно вырезают из нее эти самые интроны. Оттуда же берет начало и другая наша особенность, давшая название всей нашей ветке жизни — «эукариоты». Это ядро, в котором заключен наш геном. Идея ядра состоит в том, чтобы как-то изолировать гены от цитоплазмы, где делаются белки, и дать клетке возможность вырезать из мРНК все ненужное, прежде чем начать использовать ее по назначению.

Итак, клетку перегородили на ядро и цитоплазму, выделив таким образом кабинет для босса. Как и в человеческом офисе, младшие начальники после этого тоже могут захотеть отгородиться от низового персонала, и вот уже вместо демократичного open plan у вас выстраивается лабиринт каморок-компартментов. В результате наша клетка становится совсем уж не похожа на бактериальную. Бактерия вообще-то внутри жидкая: если ее проткнуть, из нее все вытечет. А наша клетка студенистая внутри из-за этих перегородок, и из нее ничего не вытекает, потому что она вся заполнена разными прочными молекулярными структурами. 

Или вот еще разница между мной и бактерией или археей: мои хромосомы большие, линейные и их много, а у большинства микробов хромосома маленькая, кольцевая и одна. Казалось бы, налицо некий созидательный прогресс. Но подумайте: как сделать из одного кольца много линейных кусочков? До просто порубить это кольцо в нескольких местах. А как теперь сделать эти линейные кусочки большими и важными? Напихать в них всякой дряни, то есть тех же паразитических последовательностей. И вот уже вместо конструктивного прогресса начинает вырисовываться совсем другая история. Наши предки устали бороться с вторжением паразитов, вырезая их из своего генома, к тому же при вырезании время от времени не удавалось вновь соединить концы. Предки махнули рукой: пусть встраиваются, пусть геном непомерно распухает от ненужного хлама, пусть вместо аккуратного кольца будут отдельные кусочки. Постараемся компенсировать ущерб другими способами. 

Ну что, вроде компенсировали. Так теперь и живем.

О том, что все могло быть именно так, догадался тот же Билл Мартин вместе с Евгением Куниным, о чем они написали статью, а потом Кунин коротко и понятно изложил эту идею в своей книжке «Логика случая». Этот сценарий подкупает убедительностью: вторжение молекулярных паразитов (вставочных последовательностей ДНК, или уж назовем их честно «интронами II типа») объясняет множество черт сложных клеток, которые раньше казались странными и непонятно откуда взявшимися. 

Но мы-то толкуем о сексе, так при чем тут секс? Зайдем теперь с другого конца. В первых главах нашей истории мы несколько раз сталкивались с одной трудностью. Половое размножение действительно может способствовать выживанию, а раз так, естественный отбор должен быть на его стороне. Но вот только ущерб от полового размножения — «двойная цена секса» — наступает немедленно, а выгоды могут проявиться через несколько поколений. А отбор не заглядывает вперед, так что вроде бы те, кто придумает размножаться половым путем, обречены на исчезновение еще до того, как успеют воспользоваться всеми преимуществами своей затеи. Многие из обсуждавшихся гипотез могут отлично работать только в том случае, если выгодами секса тоже можно будет воспользоваться немедленно: те, кто его не освоят, должны вымереть в следующем же поколении, расчистив место для сексуальных новаторов.

Рассказ о популяционно-генетических гипотезах происхождения пола мы закончили именами Салли Отто и Ника Бартона — биологов-математиков, предложивших самые современные математические модели популяций, размножающихся половым путем. По их расчетам, половое размножение может выиграть у бесполого при разных начальных условиях, но самый надежный рецепт таков: очень быстрый темп накопления мутаций и сильное давление отбора. В этом случае первое же поколение потомства будет испорчено мутациями безнадежно. Его единственный шанс — начать лихорадочно перетасовывать свои геномы в надежде, что совершенно случайно получится собрать вместе все нужные кусочки, не испорченные мутациями. 

Это очень похоже на ситуацию, в которой, видимо, оказались наши химерные предки, подвергшиеся атаке паразитов-интронов. Если у вас испорчен один ген, вы можете поискать в окрестностях похожую последовательность ДНК и заменить дефектный кусок. Но если испорчена половина генома, путь один: найти еще один такой же геном и попробовать сделать из двух плохих один хороший. А это именно тот способ рекомбинации — «полногеномный», — на котором строится половое размножение всех сложных организмов, в отличие от бактерий, способных обмениваться в основном небольшими кусочками геномов. И вот наши предки решились попробовать: слили свои клетки, перетасовали геномы, наделали детей. И все получилось: кто-то из детишек выжил. Мы об этом знаем по тому, что и сами живы.

Итак, есть резон предполагать, что наше половое размножение — наследие тех времен, когда наш химерный предок из последних сил пытался не сломаться под непосильным мутационным бременем. К счастью, этот период, как и все мрачные полосы в истории, имел начало и конец. И поскольку происходил он еще до того, как на земле появился последний общий предок всех современных эукариот, от которого пошли линии животных, растений, грибов, амеб, инфузорий и т. п., все они, то есть мы, унаследовали странные атавизмы того времени. Наш секс, со всеми его, казалось бы, случайными особенностями, тоже оттуда.

Это, конечно, тоже лишь одна из гипотез. И уж если мы взялись сыпать гипотезами, отсылающими к житью-бытью общего предка всех эукариот, надо упомянуть еще об одном обстоятельстве. В самой первой части рассказа, иллюстрируя идею естественного отбора миллионным стадом несуществующих слонов, мы упоминали о том, что кроме отбора жизнями слонов распоряжается слепой случай. Может случиться так, что у нескольких слонят возникнут чрезвычайно полезные адаптации, но пришедшая из Калахари страшная засуха или извержение вулкана безвременно оборвут их жизни. Тогда, вопреки Дарвину, наиболее приспособленные слонята погибнут, а в живых останутся те, которые так себе. 

Позже американский генетик и статистик Сьюэл Райт, а за ним и японец Мотоо Кимура навели на эти фантазии математический глянец. Оказывается, все зависит от размера популяции: чем она больше, тем меньше роль случайности. Если точнее, то в популяции из N особей (слонов, например) отбор может эффективно действовать на признаки, для которых коэффициент отбора больше, чем 1/N. Это значит, что в популяции бесконечного размера даже самые крохотные улучшения должны быть подхвачены отбором, а если особей всего 1000 — то все, что приносит пользу меньше, чем 0,1%, никак в дарвиновском процессе не учитывается. Если же в какой-то момент на земле — или на удаленном острове во время зомби-апокалипсиса — осталось всего полдюжины выживших, то среди их потомков, наверное, закрепятся суперполезные признаки, увеличивающие шансы выживания на 20%, а вот все менее заметные улучшения — или, что бывает чаще, ухудшения — окажутся факультативными. Перейдут ли они следующему поколению или канут в Лету — вопрос случая.

С одной стороны, это обидно: ведь именно отбор ведет организмы к вершинам приспособленности, а тут он вроде как отключается, причем как раз в тот момент, когда популяция и так чувствует себя неважно (речь ведь о зомби-апокалипсисе!). С другой стороны, открываются интересные перспективы: становятся возможными такие процессы, которые при нормальном течении событий были запрещены. Допустим, какое-то сложное приспособление — пусть это будет изощренный механизм размножения с мейозом, рекомбинацией и тому подобными прелестями — вроде бы полезно, но прямого эволюционного пути к нему что-то не видно. То есть конечный пункт явно лучше начального, но все пути к нему ведут через неприятности. Для классического дарвинизма это значит, что никакого пути не существует: отбор просто не сможет привести организм из пункта А в пункт В, если каждый маленький шаг не дает ощутимых улучшений. Так невозможно перекатить мячик своим ходом из Тель-Авива к Мертвому морю, пусть Тель-Авив и выше на целых полкилометра, а мячик вроде бы должен сам катиться под горку. 

Но тут на помощь приходит способ эволюции, открытый Сьюэлом Райтом. Возможно, в какой-то момент истории популяция станет такой маленькой (пройдет через «бутылочное горло»), что даже серьезные ухудшения приспособленности станут незаметны для отбора. Тогда — как выражаются генетики, посредством «генетического дрейфа» — эта популяция вполне может миновать проблемные участки пути, на которых приспособленность слегка ухудшится. И наш мячик каким-то чудом докатится через горные хребты из одной благодатной низины до другой. А если от метафор вернуться к биологии, мы увидим существо со сложными, изощренными приспособлениями, которые вообще непонятно как могли бы появиться, если бы естественный отбор пристально следил за этим существом на каждом этапе его эволюции.

Заметим, что как минимум один сложный период в жизни наших предков мы описали выше — не исключено, что именно тогда размер популяции этих химерных клеток был достаточно маленьким. Евгений Кунин в своей книге приводит расчет, согласно которому «бутылочное горло» могло быть вообще размером в тысячу особей — правда, оговаривается, что в таком случае наши предки, скорее всего, не выжили бы.

Профессор Майкл Линч из университета Аризоны, ныне достигший восьмого десятка лет и увенчанный разнообразными научными лаврами, в начале 2000-х сформулировал смелую идею: нейтральная, или неадаптивная, эволюция — вообще единственный способ, с помощью которого из простого, идеально приспособленного к своей среде организма (такого как бактерия) может получиться что-то настолько избыточно сложное и замысловатое, как человек или даже обычная амеба. Линч толковал о структуре геномов и генных сетей, но мы как дилетанты имеем право на натяжки. Что если это объясняет и наше половое размножение? Оно удивляет нас двумя своими чертами: во-первых, оно обременено какими-то слишком уж изысканными сложностями, без которых на первый взгляд можно было бы обойтись; во-вторых, многие из этих сложностей абсолютно одинаковы для всех более или менее сложных тварей, от человека до трипаносомы. Если эти сложности — результат эволюционных исканий той самой популяции наших древнейших предков, которая была такой маленькой, что естественный отбор многое ей позволял — это все расставило бы по местам. Вопрос «Зачем это?!» просто был бы снят. 

Все это нам придется иметь в виду, когда перейдем к разговору о мейозе. Вот уж действительно странная штука, а при этом люди, ромашки, плесень и парамеции делают это очень похожим способом. Собственно, мы уже миновали перевал: в этой главе несколько раз упоминался загадочный «мейоз», и при этом ни разу не зашла речь о том, что живые твари делятся на два пола. А значит, вторую часть цикла на этом логично завершить и спокойно ожидать следующей. 

Продолжение: Старинное приспособленье: как слиться с любимым существом