Сексуальный тупик

Секс выгоден человечеству с точки зрения зрения эволюции человека как вида, но только в долгосрочной перспективе, утверждает группа биохимиков Хьюстонского университета. В близком же будущем преимущества, которые несет половое размножение, могут оказаться смертельно опасными для всех организмов, привыкших размножаться половым путем. Причем задолго до того, как они успеют воспользоваться его долгосрочными выгодами.

Что такое размножение
Размножение – процесс воспроизведения новых особей, в основе которого лежит способность нуклеиновых кислот (носителей генетической информации) к самоудвоению...

Секс – одна из самых больших тайн биологии. Уже многие годы биологи и эволюционисты пытаются понять, какие преимущества несет воспроизводство живых организмов половым путем, зачем вообще секс понадобился процессу эволюции и что мешает современным обитателям Земли вновь стать бесполыми. В свежем номере журнала Nature опубликована статья «Sexual Reproduction Selects for Robustness and Negative Epistasis in Artificial Gene Networks» профессора Рикардо Азеведо, который полагает, что ему удалось нащупать некие новые ключи для решения секс-задачи.

С точки зрения биологов, сексуальное воспроизводство – крайне сложное и биологически дорогостоящее дело.

У млекопитающих (как и у остальных, размножающихся половым путем) спариванию предшествуют сложные поведенческие ритуалы ухаживания. Кроме того, секс требует совместимости половых структур, физического контакта, фертильных яйцеклеток и спермы, а также успешного финального объединения яйцеклетки и спермы в жизнеспособную зиготу. Сбой возможен на любом из этапов процесса, который к тому же требует огромного вложения энергии – ее организм мог бы потратить и на многие другие занятия. Вместе взятые, все эти обстоятельства и заставляли биологов долгие годы ломать голову над тем, что, собственно, такого хорошего в сексе.

Коллектив ученых под руководством Азеведо, доцента отдела биологии и биохимии Хьюстонского университета, в сотрудничестве с Кристиной Берч из университета Северной Каролины разработал очень простую вычислительную модель, воспроизводящую взаимодействие генов друг с другом. И посмотрел, как развивается созданная несложная генетическая система в разных условиях.

Результат оказался неожиданным – половое размножение приводит к явлению, известному под названием «отрицательный эпистаз».

Эпистаз –

(от греч. epistasis – препятствие) в генетике, взаимодействие между доминантными генами из разных пар аллелей, при котором один ген, называемый эпистатическим, подавляет проявление другого.

Аллельные гены –

различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках гомологических хромосом. Аллели определяют варианты развития одного и того же признака. В нормальной диплоидной клетке могут присутствовать не более двух аллелей одного участка одновременно.

Положительный эпистаз крайне «выгоден» с точки зрения эволюции. За счет него воспроизводящиеся половым путем виды получают увеличенную стойкость к нежелательным мутациям по сравнению с видами, которые предпочитают бесполое размножение. Фактически, по словам Азеведо, половое размножение укрепляет и стабилизирует само себя. Отрицательный эпистаз, наоборот, приводит к последовательному (от поколения к поколению) накоплению пагубных для выживания популяции мутаций.

Полученные данные позволяют разработать как хороший, так и плохой эволюционный сценарий для полового размножения в долгосрочной перспективе.

«Сексуальные» популяции лучше приспосабливаются к окружающей среде и становятся более устойчивыми к вредным мутациям, но подобный выигрыш идет на пользу их естественным врагам.

С половым воспроизводством связано множество проблем. В первую очередь профессор Азеведо обращает внимание на все ускоряющееся распространение болезней, передающихся половым путем и делающих секс опасным. Во-вторых, ученые выделяют такое понятие, как «двойная цена секса»: дело в том, что женщины обременены большей ответственностью в процессе полового размножения и передают по наследству на порядок больше генетической информации, чем мужчины с их почти пустой по сути Y-хромосомой.

При неблагоприятном стечении обстоятельств может развиться мутантный тип человеческой особи женского пола, способный размножаться асексуально.

Генетически модифицированные «амазонки» будут доминировать в течение нескольких столетий и положат начало популяции с удвоенной – по сравнению с сегодняшними показателями – репродуктивной нормой на душу населения. Что вполне логично, потому что в отличие от современных людей они все смогут рожать.

Правда, пока такое развитие событий крайне маловероятно из-за такой генетической причуды, свойственной млекопитающим, как геномный импринтинг. Но у рептилий, рыб и насекомых подобный поворот событий вполне реален и может повториться неоднократно.

Геномный импринтинг

Оплодотворенная яйцеклетка содержит двойной набор хромосом – один из них получен от отца, а другой – от матери. Поэтому каждый ген, за исключением генов, которые локализованы в половых хромосомах, представлен в двух вариантах – в материнском и отцовском. Как правило, эти гены одинаково работоспособны и посему функционально независимы. Однако у млекопитающих существует несколько десятков генов, которые ведут себя совершенно иначе.

Некоторые из них активируются и запускают процесс синтеза белка, лишь если они имеют материнское происхождение, а некоторые, наоборот – отцовское. По этой причине партеногенетические (с набором хромосом одного «пола») эмбрионы млекопитающих изначально нежизнеспособны – поскольку небольшая, но необходимая для нормального развития часть их генного набора никогда не сможет включиться в работу. Именно это явление и называется геномным импринтингом.

И все-таки, несмотря на многочисленные опасности, половое воспроизводство широко распространено, и срок жизни бесполых популяций по эволюционным меркам не слишком продолжителен. «Асексуальность – эволюционный тупик», – убежден профессор Азеведо. Он склонен поддержать так называемую гипотезу детерминированных мутаций, по которой следует, что секс помогает естественному отбору, удаляя и блокируя нежелательные мутации в пределах отдельно взятых популяций.

Чтобы «двойная цена секса» не перевесила преимущества полового размножения, требуются, по словам Рикардо Азеведо, соблюдение двух условий.

Скорость возникновения вредных мутаций должна быть сравнительно высокой – каждый человек в среднем является носителем как минимум одной «плохой» мутации, не унаследованной от родителей. А взаимодействовать вредные мутации должны по типу отрицательного эпистаза, при котором «плохие» мутации имеют тенденцию, можно сказать, накапливаться в арифметической прогрессии. Так, если при нормальном эпистазе единичная нежелательная мутация снижает эффективность или жизнеспособность организма в среднем на 5%, и в следующих поколениях (читай, при следующих мутациях) 5-процентное ослабление сохраняется, то при отрицательном эпистазе вторая мутация уменьшает жизнеспособность на 10%, третья – на 15% и так далее.

Биологи пытаются найти следы отрицательного эпистаза в природе – его существование подтвердило бы гипотезу детерминированных мутаций.

Профессор Азеведо решил начать «с другого конца» и выявить, какие условия требуются для возникновения отрицательного эпистаза. Во многих смоделированных им мирах половое размножение само по себе приводило к появлению отрицательного эпистаза – обязательного условия собственного существования, создавая таким образом замкнутый круг.

Как размножаются дафнии
Ученые из двух университетов в Индиане изучили излюбленный образец для исследователей полового и бесполого способов размножения...

Сама мысль о том, что секс развился в ходе эволюции в качестве своего рода генетического ассенизатора, выполняя функцию выведения «генетических отходов» из организма, угнетает. Но модель Азеведо еще более неприятна.

Наибольшие эволюционные выгоды секса, как выясняется, пожинают сообщества организмов с коротким сроком жизни, быстрой сменой поколений и большим количественным размером популяции – то есть, например, патогенные насекомые. И то, что секс дарит человеку увеличенную способность сопротивляться паразитам, служит небольшим утешением – скорость адаптации людей явно недостаточна для выживания.