Чтение онлайн

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 потому, 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 происходило это 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, 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 оборвет их жизни. Тогда, вопреки Дарвину, наиболее приспособленные слонята могут погибнуть, а в живых, наоборот, останутся те, которые так себе.

Позже американский генетик и статистик Сьюал Райт (1889–1988), 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 селекционном 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% и более, 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 дороги 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. Рассуждая в седьмой главе о дифференциальном характере естественного отбора, мы упомянули об «адаптивных ландшафтах»: хоть вода и течет с высот к низинам, она никак не сможет попасть из Тель-Авива к Мертвому морю, даже притом что Тель-Авив выше на целых полкилометра, – их разделяют более высокие горы.

Но тут на помощь приходит способ эволюции, открытый Сьюаллом Райтом, его иногда так и называют – «райтовский режим». 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 наша вода каким-то чудом перетечет через горные хребты из одной благодатной низины к 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 (род. 1951) из Университета Аризоны в начале 2000-х годов 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? Нас удивляют две его черты: 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 существ, 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: «Как это вышло?!» – просто был бы снят.

Все это нам сейчас придется иметь в виду, потому что мы переходим к разговору о мейозе. Вот уж действительно странная штука, а при этом люди, ромашки, плесень и парамеции делают это очень похожим способом. В следующих главах нам придется порассуждать о том, как такое могло получиться, и воспоминания о трудном периоде в жизни нашего предка – сразу после того, как он нашел себе друга-бактерию, – помогут в этом не запутаться.

Кунин Е. В. Логика случая: о природе и происхождении биологической эволюции. – М.: Центрополиграф, 2014.

Crow J. Motoo Kimura (1924–1994). Genetics. 1995. 140(1): 1–5.

Kimura M. The Neutral Theory of Molecular Evolution. Cambridge: Cambridge University Press, 1983. (Кимура М. Молекулярная эволюция: теория нейтральности. – М.: Мир, 1985.)

Kimura M. The Neutral Theory of Molecular Evolution: A Review of Recent Evidence. Idengaku Zasshi (The Japanese Journal of Genetics). 1991. 66(4): 367–386.

Koonin E. V. The Origin of Introns and Their Role in Eukaryogenesis: a Compromise Solution to the Introns-Early Versus Introns-Late Debate? Biology Direct. 2006. 1: 22.

Lane N. Power, Sex, Suicide: Mitochondria and the Meaning of Life. Oxford: Oxford University Press, 2005. (Лейн Н. Энергия, секс, самоубийство: митохондрии и смысл жизни / Пер. Н. Ленцман. – СПб.: Питер, 2016. С. 67–82.)

Lynch M. The Evolution of Genetic Networks by Non-Adaptive Processes. Nature Reviews. Genetics. 2007. 8(10): 803–813.

Martin W., Koonin E. V. Introns and the Origin of Nucleus-Cytosol Compartmentalization. Nature. 2006. 440(7080): 41–45.