Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексей Алексенко
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.
Чем природе, то есть естественному отбору, мог бы понравиться такой вариант? Мы ведь сказали, что у множества полов есть прекрасное свойство: выбор партнера не составляет никакого труда, спаривайся (почти) с кем угодно. Это, конечно, так, но жизнь не стоит на месте. Как только появилась специализация полов – а она, как мы видим, появляется даже в простейшем варианте, у дрожжей с двумя типами спаривания, – в новых полах уже нет никакого смысла. Вам все равно придется выбрать одну из двух стратегий, поскольку именно поляризация стратегий дает максимальный эффект. То есть можно называть себя кем хочешь, но способов действия всего два. Такой момент действительно наступает в жизни некоторых живых существ: так, грибку криптококку, занявшемуся паразитированием, пришлось менять механизм определения пола с тетраполярного на биполярный практически на глазах у ученых. Он имел шанс на собственном опыте убедиться, что, когда ты живешь в сложных условиях и тебя все ненавидят за то, что ты паразит, два пола – это гораздо практичнее.
Могу себе представить, как читателя утомили все эти грибки: что ж, будем ближе к людям. У людей «тип спаривания», то есть, извините, уже самый настоящий пол, определяется половой хромосомой: гены, от которых это зависит, действительно собрались поближе друг к другу, держатся вместе и не перетасовываются с другими, как и предсказывают упомянутые выше Зина Хадживасилиу и Эндрю Помянковски. Кроме того – мы обсудим это чуть позже, – гены, определяющие различия полов, оказались у млекопитающих под контролем единственного транскрипционного регулятора. Но значит ли это, что наш пол произошел от типов спаривания у дрожжей и грибов, или это совершенно разные истории, а сходство между ними внешнее?
Есть свидетельства, что сходство не случайно и «пол» действительно почти то же самое, что и «тип спаривания». Есть среди зеленых водорослей забавное существо по имени вольвокс – простой шарик из клеток, относящийся к порядку хламидомонадовые. Вольвокс умеет размножаться с помощью секса, при этом производит спермии и яйцеклетки, в точности как уважаемые читатели. Его ближайший родственник – одноклеточная водоросль хламидомонада, которая и дала название порядку. Заметим, что водоросли – одна из самых разнообразных групп организмов на Земле, общий предок которых, возможно, является по совместительству и общим предком вообще всей сложной жизни на планете. Для двух водорослей принадлежать к одному порядку (даже не классу) – это значит быть самыми близкими родственниками. И вот хламидомонада, в отличие от вольвокса, никаких спермиев и яйцеклеток не делает – она вопиюще изогамна. При этом у нее есть типы спаривания. Оказывается, однако, что механизм определения этого самого типа спаривания не так уж сильно отличается от механизма определения пола у вольвокса. Отвечающие за это транскрипционные регуляторы явно произошли от общего предка, притом не так уж давно.
Каких доказательств вам еще надо? Тип спаривания у всяких примитивных существ вроде грибков или дрожжей – прямой предшественник пола, как его понимаем мы с вами, а также другие животные, растения и вся огромная земная биосфера. Самое время перейти к этим самым настоящим двум полам.
БИБЛИОГРАФИЯ
Кнорре Д. Модельные организмы: грибы. См.: https://biomolecula.ru/articles/modelnye-organizmy-griby
Anders A., Colin R., Banderas A., Sourjik V. Asymmetric Mating Behavior of Isogamous Budding Yeast. Science Advances. 2021. 7(24): eabf8404
Clark J., Haskins E. F. Reproductive Systems in the Myxomycetes: A Review. Mycosphere. 2010. 1(4): 337–353.
Geng S., De Hoff P., Umen J. G. Evolution of Sexes from an Ancestral Mating-Type Specification Pathway. PLoS Biology. 2014. 12(7): e1001904
Goodenough U., Heitman J. Origins of Eukaryotic Sexual Reproduction. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2014. 6(3): a016154
Hadjivasiliou Z., Pomiankowski A. Evolution of Asymmetric Gamete Signaling and Suppressed Recombination at the Mating Type Locus. ELife. 2019. Aug. 29. 8: e48239.
Hanson S. J., Wolfe K. H. An Evolutionary Perspective on Yeast Mating-Type Switching. Genetics. 2017. 206(1): 9–32.
Hsueh Y. P., Fraser J. A., Heitman J. Transitions in Sexuality: Recapitulation of an Ancestral Tri- and Tetrapolar Mating System in Cryptococcus Neoformans. Eukaryotic Cell. 2008. 7(10): 1847–1855.
Ruderfer D. M., Pratt S. C., Seidel H. S., Kruglyak L. Population Genomic Analysis of Outcrossing and Recombination in Yeast. Nature Genetics. 2006. 38(9): 1077–1081.
Rusche L. N. Mobile DNAs and Switching Mating Types in Yeast. ELife. 2020. Jun 9.
