Текст: ГодЛитературы.РФ
Под обложкой этой книги — все, что вы хотели знать о размножении, но стеснялись спросить. Ее автор — научный журналист и спец по молекулярной генетике грибов, вот текст у него получился ровно такой же: дотошный, с одной стороны, и насмешливо-несерьезный — с другой.
Так что если вы во всем цените научный подход — даже в том, что касается секса — милости просим. Откуда взялось разделение на два пола, какие секреты хранят половые хромосомы, что такое мейоз и какие сексуальные проблемы, в конце концов, испытывают сыроежки — ответ и на эти, и на сотню других вопросов обязательно будет дан.
Алексей Алексенко. «Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии»
М.: Альпина нон-фикшн, 2024. — 456 с.
Глава двенадцатая, в которой читатель узнает о сексуальных проблемах сыроежек
Типы спаривания
Я бью себя по рукам каждый раз, когда они печатают на клавиатуре какой-нибудь мудреный биологический термин. Вот и в прошлой главе заслуженно получил леща: там проскочили и «конъюгация», и «пили», и «митохондрии», и, наконец, «анизогамия». Напомню, что так называется ситуация, когда партнеры в сексе явно отличаются друг от друга и внешне, и стратегией поведения. Ну что ж, семь бед — один ответ: раз есть анизогамия, должна быть и изогамия. Это когда два партнера внешне неотличимы и во время скрещивания ведут себя одинаково. При этом они все равно могут принадлежать к двум «полам», просто внешнему наблюдателю различия не видны.
Навалим в кучу еще больше сложных слов: кроме анизогамии и изогамии, существуют гетероталлизм и гомоталлизм. Первое слово означает, что два разных пола все-таки необходимы, даже если различия совершенно незаметны никому, кроме самих партнеров. А второе слово — это когда полов вообще нет и спариваться можно с кем угодно. Я попытаюсь в дальнейшем избегать всевозможных «-гамий» и «-таллизмов», но пусть они останутся в тексте хотя бы в некоторых местах — специально для любителей сложных слов.
В природе все эти варианты встречаются, и можно предположить, что самый примитивный из них — это когда скрещиваться уже хочется, но никаких полов еще нет, а потому нет и различий между ними. Такой вариант, кстати, показался удобным моей любимой плесени аспергиллу. Однако в первой части мы целые десять глав говорили о том, что смысл секса— освежить свой геном посредством перемешивания генов. Наверное, перемешивать гены имеет смысл с кем-то, у кого они отличаются от ваших?
Дальше пойдут рассуждения с позиций здравого смысла, а потом будет интересно увидеть, как они завели нас в тупик.
Итак: гены хорошо бы перемешивать с партнером, у которого они немного другие. Спариваться с самим собой совершенно бессмысленно, а природа не любит бессмысленных действий. Как избежать такого конфуза, если вы, например, гриб и ваша гифа встретила другую грибную гифу, вроде бы симпатичную, но вы не уверены, не растет ли она из той же самой колонии плесени, что и вы?
Самый простой путь к успеху — спариваться с кем-то, кто хоть в чем-то от вас отличается, потому что сами вы от себя не отличаетесь ни в чем. Решение задачи? Завести себе «тип спаривания». Пусть в популяции будут два варианта какого-то гена, причем для успеха любовного акта партнеры должны иметь разные варианты. Если вы встречаете кого-то с другим вариантом гена — это точно не вы, спариваться можно. Если вариант тот же самый — возможно, парень он симпатичный и вам во всем подходит, но на всякий случай лучше не надо.
Примером прямолинейной реализации этой идеи могут служить пекарские дрожжи. У них есть ген (генетики ради пущей точности употребляют здесь слово локус — это такое место в хромосоме, где может быть один или другой вариант какого-то гена) по имени МАТ, который способен существовать в двух вариантах — a и α («а» и «альфа»). Этот локус кодирует белки, руководящие переключением между двумя программами. Когда включается первая программа, клетка начинает синтезировать феромон a, а почуяв нежный аромат феромона α, изо всех сил стремится в этом направлении. При второй программе все происходит наоборот. К собственному типу спаривания, то есть феромону, дрожжи не испытывают никакого влечения, вот проблема и решена.
Есть, конечно, и потери. Вы избавились от риска спариться с самим собой или со своим идентичным близнецом (а таких вокруг много — заметим, что дрожжи обычно размножаются почкованием). Однако среди неродственных дрожжей ровно половина перестали быть для вас подходящими партнерами. Искать суженого стало вдвое сложнее. Но оно ведь того стоит: видимо, без перемешивания генов вам грозило вырождение, а близкородственные браки — путь к катастрофе?
Продолжим рассуждения на основе здравого смысла. Мы завели себе тип спаривания, но возникла проблема: спариваться можно теперь не со всеми своими соплеменниками, а только с половиной. Представим себе, что в такой двуполой популяции как-то возник третий тип спаривания. Он будет привлекать оба старых типа, так что проблема выбора партнера для него окажется значительно проще, чем для остальных. Налицо экономия ресурсов — не надо метаться в поисках подходящего партнера, — а стало быть, и эволюционный успех. Третий пол начнет распространяться, а за ним и четвертый, и пятый… Так можно объяснить, почему у многих грибов (а пекарские дрожжи — это как раз гриб-аскомицет, хоть и слегка странноватый, одноклеточный) типы спаривания устроены куда сложнее и многообразнее. Наши лесные боровики, а вместе с ними и огромное число других грибов из разных классов, избрали вариант «тетраполярного гетероталлизма», когда пол определяется не одним, а двумя генами (локусами), и если вы хотите с кем-то спариться, надо убедиться, что оба локуса партнера отличаются от ваших. При этом в каждом из локусов может быть много разных вариантов «гена типа спаривания». В результате в природных популяциях нередко до 98% грибов одного вида оказываются друг для друга подходящими партнерами, притом что спаривание с братом- близнецом практически исключено.
Все это выглядит логично, пока не начнешь вникать в детали. Во-первых, какой прок от тетраполярного, как у боровиков, пола? У грибов, намеренных заняться сексом, должны быть различия в каждом из локусов, а значит, утрата каждого из них только увеличит выбор возможных партнеров, притом что правило «не возлюби самого себя» по-прежнему будет выполняться.
Во-вторых, а что такого страшного произойдет, если иногда получится скреститься с самим собой? У аспергилла, у которого нет вообще никаких типов спаривания, и у дрожжей, у которых типы спаривания есть, половое размножение все равно чередуется с бесполым. По некоторым оценкам, в природе у дрожжей на одно сексуальное поколение приходится 50 000 бесполых. Если вы сделали постыдную ошибку и полюбили самого себя, то таких поколений станет 50 001: велика ли разница? Один раз не считается.
Чтобы запутать ситуацию еще сильнее, дрожжи научились переключать у себя тип спаривания. Ген, определяющий этот тип, устроен хитро: там есть рабочая кассета, где находится один из двух вариантов, а неподалеку в геноме лежат без дела две сменные запчасти — a и α. Клетка может время от времени заменять рабочую деталь на одну из запасных. В этот момент она меняет свой «пол», но при этом по остальным генам по-прежнему ничем не отличается от клеток-близнецов, шныряющих вокруг. Выглядит это довольно-таки по-дурацки: это же надо было завести себе особый механизм, не позволяющий спариваться со своими генетическими копиями, а потом изобрести другой механизм, который сводит на нет действие первого.
Впрочем, дурацким это кажется только тем, кто вычитал у классиков, будто бы секс нужен для создания разнообразия и для отсева вредных мутаций. Дрожжи ничего такого не читали, их проблемы попроще. Представьте себе, что гаплоидная дрожжевая спора, продукт скрещивания папы и мамы, только что попала в новую среду и там проросла, то есть превратилась в почкующуюся клетку. Что это за среда, непонятно, и вполне возможно, что ее ресурсы ограниченны, — а значит, скоро клетке опять придется спорулировать. Но чтобы образовать споры, нужно с кем-то скреститься и пройти мейоз (про мейоз мы вскользь упомянули в третьей главе, а серьезный разговор о нем зайдет позже). А вокруг никого нет. Что ж, это прекрасное оправдание для того, чтобы ради разнообразия скреститься со своим близнецом, а с перетасовкой генов подождать до следующего раунда.
Но как при таком наплевательском отношении к гетеросексуальным ценностям вообще могли возникнуть типы спаривания? На этот вопрос попытались ответить Зина Хадживасилиу и ее руководитель Эндрю Помянковски из Университетского колледжа Лондона. По их мнению, эволюционную ценность представляет не избегание близкородственного секса, ради которого якобы все затевалось, а сам механизм, когда есть два типа феромонов a и α и два типа рецепторов к ним. Исследователи построили математическую модель и с изумлением увидели, что разделение на два типа спаривания полезно вовсе не потому, что оно якобы мешает спариваться со своими генетическими копиями. Оно выгодно даже само по себе: асимметричный вариант взаимной сигнализации между клетками делает процесс узнавания максимально эффективным. Двум клеткам, источающим одинаковые феромоны и имеющим одинаковые рецепторы, просто будет сложнее встретиться.
Модели моделями, но обратимся к реальной жизни. Мы начали с дрожжей как с хрестоматийного примера «изогамии»: есть два типа спаривания, но их носители ничем друг от друга не отличаются ни по размеру, ни по поведению. В прошлой главе мы пытались вывести из школьной математики появление самцов и самок — вернее, двух типов гамет, один из которых специализируется на накоплении приданого для потомства, а другой — на активном поиске любви. Может показаться, что дрожжи до такой специализации пока не доросли. Но не тут-то было. Виктор Суржик из Микробиологического института Макса Планка в Марбурге пригляделся к спаривающимся дрожжам и увидел, что два типа спаривания ведут себя не так уж одинаково. Тип a чувствует наличие потенциального партнера издалека, где бы тот ни находился, и начинает готовиться к спариванию, чтобы быть во всеоружии, когда счастливый случай (или перемешивание жидкой культуры) рано или поздно соединит его с его второй половинкой. Тип α, напротив, направленно тянется к ближайшему существу противоположного пола, то есть типа спаривания. Возможно, мне это лишь кажется, но в подобных нюансах поведения есть что-то, неуловимо напоминающее отличия мужчин от женщин.
Откуда у одноклеточной малявки такие психологические тонкости? По мнению Суржика, для подобных различий в поведении вполне достаточно химической разницы феромонов a и α. Фактор a более гидрофобный, то есть «жирноватый» на ощупь, не слишком растворимый в воде, приклеивающийся к поверхностям и не распространяющийся очень уж далеко. А фактор α, наоборот, чувствует себя в жидкой среде прекрасно, и его можно почуять издали. Вот и основа для поведенческих различий. И не надо было городить огород с зависимостью скорости движения от размера, чем мы занимались в прошлой главе и что до нас с научной точностью проделал Дэвид Дьюзенбери. Разные типы спаривания могут возникнуть просто ради того, чтобы облегчить партнерам поиск друг друга, а возникнув, уже несут в себе предпосылки будущего различия полов.
Как же возникла у наших одноклеточных предков вся эта сложная механика? На сегодняшний день история выглядит примерно так: все эти «гены типов спаривания», о которых мы тут расплывчато рассуждали, на самом деле чаще всего кодируют белки определенного класса. Они называются транскрипционными регуляторами, и их работа — запускать или выключать всякие другие гены, в данном случае гены синтеза феромонов и их рецепторов. У сложных организмов есть немало таких регуляторов, и каждый из них выполняет свою работу. У гипотетического бесполого предка один из регуляторов, видимо, запускал гены поиска партнера для спаривания, то есть, к примеру, синтеза рецепторов и феромонов. В один прекрасный день произошла мутация — то ли в самом регуляторе, то ли в тех участках ДНК перед другими генами, которые он узнавал и через которые отдавал команду «пуск» или «стоп». В результате у мутанта стал запускаться только синтез феромона, но не рецептора к нему.
Теперь, когда в популяции появились профессиональные испускатели феромонов, в старом варианте гена, присутствующего у всех остальных, вполне могла появиться другая мутация — этот новый вариант стал производить только рецепторы. Поскольку феромон подходит к своему рецептору, как ключ к замку, можно сказать, что теперь один аллельный вариант гена отвечает за ключ, а другой — за замок. Возникает асимметрия, которая, как было сказано выше, полезна для более эффективного поиска партнера. Оба варианта закрепились, а изначальный вариант «и нашим и вашим» исчез.
Генов, так или иначе контролирующих слияние клеток, может быть довольно много, и возможна ситуация, когда этой командой генов руководит не один, а несколько транскрипционных регуляторов. Можно вообразить, что один регулятор командует парой «феромон — рецептор», другой — симметричной парой «рецептор — феромон», а третий, к примеру, теми белками, которые непосредственно обеспечивают слияние клеток при встрече—они тоже могут подходить друг к другу, как ключ к замку. И в каждом случае эволюция естественным образом приведет к тому, что один аллельный вариант гена захватит контроль над ключом, а другой — над замком. Просто потому, что асимметрия повышает эффективность процесса.
Если один транскрипционный регулятор захватывает всю власть — то есть два его аллеля определяют, кому что делать при размножении, — это выглядит как классический биполярный пол, или тип спаривания, как у дрожжей. Но возможно, что между несколькими регуляторами установится временный паритет. Такой промежуточный вариант будет выглядеть как «многополярный» пол: тип спаривания кодируется двумя или тремя разными локусами, у каждого из которых есть несколько вариантов, и, если хочешь с кем-то заняться сексом, изволь убедиться, что во всех локусах у вас есть различия. Тебе ведь нужны ключи ко всем замкам партнера.
Что же произойдет дальше? Возможно, один из генов-регуляторов все-таки окажется главнее и постепенно возьмет под свой контроль всю остальную механику полового размножения. А может произойти так, что эти гены случайно окажутся на хромосоме рядышком, так чтобы между ними никогда не происходила рекомбинация. В обоих случаях результат будет один: больше никакой многополярности. Полов отныне будет всего два, и без глупостей. Все ключи у вахтера.
