Все новости

Старинное приспособленье: как слиться с любимым существом

Продолжаем публикацию цикла «Зачем живые любят друг друга» о загадках размножения и других парадоксах биологии. В этой части школьникам морочат голову гаметофитами и спорофитами, а клетки учатся сливаться друг с другом

20 сентября 2022 11:37
Иллюстрация: Лика Сочкина

Предыдущую главу читайте здесь: Секс в трудные времена: как любовь помогла выжить нашему одноклеточному предку

Часть третья: Умножение и деление

Глава двадцать пятая, из которой читатель с изумлением узнает, что он — почти архея

Настала пора перейти к самому загадочному делу, которое мы делаем ради полового размножения: к мейозу. Этот странный клеточный обряд, как уже было сказано, в том или ином виде существует у всех сложных организмов (эукариотов). При этом его вроде бы и в помине нет у организмов попроще — бактерий и архей. Здесь-то и кроется загадка: в прошлой главе речь шла о том, как однажды архея и бактерия решили жить вместе — бактерия внутри археи — и потом из этого «великого симбиоза» вышла вся сложная многоклеточная жизнь на планете. Но это значит, что обряд мейоза со всеми его странностями и обременительными сложностями успел с нуля возникнуть и оформиться именно на этом фиксированном отрезке дистанции — от эндосимбиоза до нашего общего предка, которого, кстати, называют LECA (Last Eukaryotic Common Ancestor). Эта часть повествования будет в основном посвящена вопросу «Как такое случилось?!» — с неизбежными раздражающими отступлениями и ненужными подробностями, как мы любим.

Наше половое размножение при всем его разнообразии сводится к трем (если угодно, четырем) основным событиям:

  1. Две родительские клетки сливаются. Потом сливаются их ядра и получается одно диплоидное ядро. Между слиянием клеток и слиянием ядер может пройти много времени, поэтому и непонятно, считать это одним событием или двумя. Наверное, все же двумя, потому что для несложных организмов вроде грибов слияние клеток может быть полезно даже само по себе — оно позволяет объединить силы, когда каждая клетка по отдельности не обладает инструментарием для выживания в данных условиях.
  2. После слияния ядер происходит рекомбинация: хромосомы двух родителей обмениваются между собой участками. Когда я говорю «после слияния», я не имею в виду «немедленно»: в это «после» у нас с вами умещается почти вся наша жизнь. Слияние клеток и ядер происходит при зачатии, а рекомбинация — это уже, знаете ли, половая зрелость, и ее результатами будет пользоваться только следующее поколение. Поэтому всю жизнь мы живем диплоидами — существами с двойным набором хромосом, один от папы, один от мамы, и они не перемешиваются. У организмов попроще бывает и по-другому: рекомбинация происходит сразу после слияния ядер, и все тотчас переходит в финальную стадию (см. следующий пункт).
  3. Чтобы повторить этот цикл в следующем поколении, надо снова уменьшить число хромосом вдвое, иначе оно будет удваиваться в каждом поколении. Здесь важно, чтобы прорекомбинировавшие хромосомы точно разошлись между клетками-потомками. Если в одного потомка попадут две копии, а в другого ни одной, то второй, а возможно, и первый потомок — не жильцы. Это называется «редукционное деление».

Строго говоря, за два последних события как раз и отвечает мейоз, а первое (или первые два) — независимая история, которая часто происходит в другой (другие) момент(ы) времени. У растений, например у мха, эти события разбивают жизнь на очень непохожие друг на друга этапы. После слияния клеток и ядер образуется спорофит — диплоидное существо, которое некоторое время живет в свое удовольствие, фактически паразитируя на родителе, а потом образует споры. Образование спор и есть мейоз. Из спор вырастают другие существа — гаметофиты. Они гаплоидны, их судьба — покрывать зеленым ковром кочки и стволы деревьев — якобы с одной стороны, чтобы туристу было легче отличить север от юга, — а на самом деле где угодно, чтобы бедняга сильнее заблудился. Но смысл жизни гаплоидного гаметофита не в этом, а в произведении гамет — тех самых клеток, которым предстоит слиться друг с другом, чтобы завершить цикл.

Скольких любознательных детей заворожили все эти гаметофиты и спорофиты! И скольких они навсегда оттолкнули от биологии. Однажды мне попался в руки учебник биологии для шестого класса, авторы В. П. Викторов и А. И. Никишов. Там бедных шестиклашек заставляли заучивать какие-то слова про спорофитов и гаметофитов — за два года до того, как они узнают слово «хромосома», не говоря уже о гаплоидах и диплоидах. Так, наверное, и образовался этот удивительный русскоязычный феномен — этакий таинственный туман из плохо определенных терминов и расплывчатых мантр, сдобренный провидческими цитатами из А. Н. Северцова и И. И. Шмальгаузена, который в прежние времена многие принимали за биологическую науку. Впрочем, это было лирическое отступление.

У мха самая приметная фаза жизни — гаметофит, а вот у высших растений вроде яблони — диплоидный спорофит, хотя гаметофит тоже существует — он ненадолго вырастает из пыльцевого зерна при оплодотворении. У нас с вами никакого гаметофита нет: спермий, став гаплоидным, уже не делится, а у яйцеклетки вообще не бывает чисто гаплоидного состояния — она решается на последний шаг к гаплоидности, только когда спермий уже у нее внутри. Тем не менее при разговоре с ботаником следует проявлять политкорректность: не надо ему говорить, будто при мейозе образуются гаметы. Нет, при мейозе в общем случае образуются споры, а вот уже из спор получается нечто, в конце концов дающее гаметы — клетки, которым предстоит слиться друг с другом для нового полового цикла. Это не празднословие, а важная штука: у незатейливых организмов вроде дрожжей или тех же плесневых грибов мейоз происходит именно перед тем, как образуются споры. Грибы делают это в сложные моменты жизни, не думая о создании семьи. Если хотите побудить гриб* к мейозу, поставьте его в безвыходную ситуацию, и он сделает это. Споры переждут трудные времена, прорастут, вырастут в грибницу или колонию плесени, и лишь потом гриб задумается, не пора ли искать партнера. Есть основания думать, что именно так все было у нашего предка LECA: мейоз — споры — гаплоидный организм — в какой-то момент слияние клеток и ядер и тут же новый мейоз.

Гаметофит и спорофит у растений — это просто две фазы жизненного цикла, гаплоидная и диплоидная. Мы-то с вами диплоиды и видим в этом состоянии массу преимуществ: например, мы можем позволить себе завести в одной из парных хромосом рецессивную мутацию, и она нас не убьет, потому что всю работу возьмет на себя здоровый ген из другой хромосомы. Казалось бы, нашим предкам было вполне естественно ухватиться за такой полезный гаджет. Но у диплоидности есть и темная сторона. Рецессивные мутации плохо видны отбору — вернее, совсем не видны, пока не соединятся в одном геноме. В результате они не вычищаются из генофонда. В некотором смысле такие гены превращаются в паразитов, существующих за счет остального генома. То, что паразиты вредны, очевидно и без доказательств, и наличие гаплоидной фазы жизни как раз может решить эту проблему. Видимо, плюсы и минусы гаплоидности образуют некое равновесие, разное для разных организмов. Похоже, у сложных тварей вроде нас с вами — с нашими маленькими размерами популяций — плюсы диплоидности перевешивают. Мхи и плауны застряли на перепутье в нерешительности, а грибы сделали выбор в пользу генетической чистоты, пожертвовав сиюминутной безопасностью. Лучше уж наделать побольше спор (мы помним, что продукт мейоза — это именно гаплоидные споры), и пусть отбор займется чисткой, чтобы проросли только избранные.

Но вернемся к трем (или четырем) главным событиям полового размножения. Из нашего списка пункты два и три входят в понятие мейоза, а первый пункт — слияние клеток — отдельная песня. При этом прокариотические организмы — бактерии и археи — вроде бы умеют только пункт два, то есть рекомбинацию. Занимаются они ею совсем не так, как мы, и по другим поводам, однако сходство очевидно. Об этом речь пойдет в следующей главе. Сейчас надо сказать пару слов о слиянии клеток.

Чтобы оценить (в эволюционном смысле) прелести полового размножения, нашему предку так или иначе пришлось для начала освоить слияние клеток, и вот вопрос: с чего бы ему этим заниматься, если вся последующая механика — синапс гомологичных хромосом, редукционное деление и прочее — еще не разработана? А ее никак нельзя разработать, не соединив для начала две клетки. Есть ли в соединении клеток какой-то сиюминутный смысл, чтобы наш предок мог заняться этим, не заглядывая далеко вперед?

Как было сказано выше, смысл, конечно, есть: слившись, клетки могут объединить свои биохимические навыки и обеспечить себя веществами, которые каждая из них в отдельности синтезировать не могла. Некоторые делают это даже вне всякой связи с половым размножением. Возьмите два плесневых грибка — чтобы один, например, нуждался для роста в аминокислоте аргинине, а другой — в триптофане. Для наглядности пусть у первого будут желтые споры-конидии, а у второго — белые (и то и другое — мутации: в норме споры зеленые). Перемешайте споры и посейте на среду, в которой нету ни аргинина, ни триптофана. Вместо того чтобы смиренно умереть в отсутствие питания, грибки начнут образовывать странные колонии, покрытые пестрым ковром из белых и желтых спор. Это дикарионы — грибы, в клетках (гифах) которых перемешаны два типа ядер. Ядра поддерживают друг друга: в одних есть ген синтеза аргинина, в других — триптофана, а вместе они обладают всем необходимым. Это, конечно, паллиативная мера: и желтые, и белые споры по-прежнему содержат по одному ядру и на среде без аминокислот не прорастут. Но хотя бы у них будет шанс дождаться лучших времен.

Итак, слияние клеток может быть полезно. Большинству бактериальных клеток мешает сливаться клеточная стенка: это довольно жесткая оболочка или даже скорлупка кнаружи от клеточной мембраны, изолирующая бактерию от внешнего мира. Но клеточная стенка есть не у всех. Возможно, лишившись клеточной стенки, две бактерии могли бы слиться буквально сами собой — по неосторожности. Тем не менее считается, что ни у каких бактерий и архей слияние клеток не является и никогда не было частью их повседневной жизни. Впрочем, недавние исследования показали, что это, возможно, и не так.

У самых разных эукариот есть ген HAP2, который кодирует белок, необходимый для вхождения спермия в яйцеклетку или слияния гамет. Сначала его нашли у растений, а потом похожие гены/белки стали находить у других организмов. Кстати, с названиями генов часто бывает так, что сначала у разных существ их называют по-разному, а потом, когда выясняется, зачем этот ген нужен, все его родственники постепенно приобретают одинаковое имя (заимствованное обычно у того организма, где этот ген лучше изучен или впервые обнаружен). Чтобы не путать читателя, мы не будем каждый раз объяснять, что, например, название ZIP взято у дрожжей, HIM — у червей, а с(3)G — у мух. Так что знакомьтесь: HAP2 из растения арабидопсиса, он же резуховидка, присутствует у разных эукариот и необходим для объединения мужской и женской гамет. Откуда он такой взялся?

HAP2 кодирует белок, принадлежащий к семейству фузексинов (fusexins). Эти белки умеют соединять две клеточных мембраны и перетасовывать их компоненты таким образом, что образуется соединяющая две мембраны трубка. Фузексины встречаются даже у вирусов, облегчая вирусной частице проникновение через клеточную мембрану. Впрочем, вирусы могли позаимствовать свои фузексины от других организмов.

В этой истории попытался разобраться Бенджамин Подбилевич из Израильского института технологий в Хайфе вместе с коллегами из Уругвая и еще пяти стран, о чем они и написали статью. Сравнив известные фузексины, они установили, как бы мог выглядеть предковый белок, то есть ген. Оказалось, что очень похожие гены есть в геномах архей (тех самых архей, которые, приютив внутри себя бактерию, дали начало эукариотам, то есть нашей ветке жизни). Что делал фузексин внутри архей — действительно ли помогал им сливать свои клетки? Ну, по крайней мере мог бы. Чтобы доказать это, исследователи заставили этот реконструированный ген работать в культуре клеток млекопитающих, и эти клетки стали сливаться.

Хотя сами археи вроде бы сливаться не умеют, вполне возможно, что фузексин помогает им устроить нечто подобное половому процессу: к примеру, выстроить мостик от клетки к клетке, через который можно обменяться необходимыми генами. Но вот интересный поворот сюжета: у архей гены фузексинов находятся в геноме не где попало, а чаще всего в составе встроенных паразитических последовательностей, или «эгоистичных элементов», способных прыгать в хромосоме с места на место и размножаться быстрее, чем хозяйская клетка.

Если не обременять себя строгими доказательствами, вырисовывается заманчивая гипотеза. Изначально фузексин был частью вооружения эгоистичного элемента, генетического паразита. И это очень полезное оружие: без него элемент мог прыгать с места на место только в пределах одной клетки, но, если элемент мог заставить свою клетку слиться с другой, перед ним открывалось блестящее поприще, целый новый геном, который предстояло освоить. Он фактически превращался в вирус. Или, возможно, все было наоборот: фузексин когда-то и был частью вируса, который затем избавился от лишних сложностей вроде белков оболочки вирусной частицы, но оставил себе последнее оружие, чтобы все-таки иногда заражать другие клетки.

Как бы то ни было, но археи, оказывается, имели все необходимое для слияния клеток задолго до того, как их потомки-эукариоты воспользовались этим инструментарием, чтобы заняться сексом. Это открытие, кстати, часть большой драмы, которая прямо сейчас разворачивается в биологии. Долгое время казалось, что множество признаков сложных организмов не встречаются ни у бактерий, ни у архей — они как будто возникли на пустом месте после «великого симбиоза». Но постепенно один за другим появляются факты, свидетельствующие, что на самом деле все это уже было — и было чаще всего именно у архей, очень плохо изученной, в отличие от бактерий, группы организмов. Конечно, большинство наших генов мы получили в наследство именно от бактерий — об этом подробно рассказано в книге Евгения Кунина «Логика случая». Но вот такие факты прямо-таки провоцируют меня по-дилетантски ляпнуть, что по существу все мы с вами, дорогие читатели, просто археи, сильно развившие свои природные дарования, но придумавшие не так уж много нового.

Конечно, любой серьезный биолог приведет тысячу аргументов, что это совсем не так, а то и просто зло высмеет меня без всякой аргументации. Что ж, такова наша популяризаторская доля. А потому что надо меньше умничать.

Как бы то ни было, сливать клетки мы научились. Но оказывается, мы умеем и многое другое, так что когда дело доходит до секса, остается лишь применить в новой области уже давно освоенные приемы. Об этом в следующей главе.

*«Побудить гриб» или «побудить гриба»? Одушевленный гриб или неодушевленный? Русский язык в своем стремлении вечно все усложнять дошел до того, что различает грамматические варианты «готовить креветКИ» и «дрессировать креветОК» — видимо, носителям языка таким образом проще сварить еще живых креветок, не задумываясь об их страданиях. Должен признать, что годы лабораторной работы с этими самыми грибами подталкивают меня к тому, чтобы склонять их как одушевленных. «Надо как-то заставить гриба образовать плодовые тела» — здесь личные отношения исследователя с грибом доходят до такого накала, что использование неодушевленных форм становится совершенно неуместным. Но в литературном тексте вроде вот этого придется придерживаться обычных языковых конвенций.

Продолжение: Это делают даже те, кто не занимается сексом

Вступайте в клуб «Сноб»!
Ведите блог, рассказывайте о себе, знакомьтесь с интересными людьми на сайте и мероприятиях клуба.
Читайте также

Ставки по ипотеке снижаются быстрее, чем понижает ключевую ставку ЦБ. «Сноб» рассказывает, почему это происходит, стоит ли покупать квартиру сейчас или лучше подождать.

Катерина Мурашова

Стоит ли беспокоиться, если ребенок не говорит до двух лет.

«Сноб» приготовил непростой тест — пройдите его и проверьте, как хорошо вы знаете историю жанра сказки.