Карл Циммер - Эволюция: Триумф идеи

По крайней мере такова была гипотеза. На теоретических моделях она выглядела очень перспективно, но ученым необходимо было проверить ее в реальном мире. В 1970-х гг. Роберт Вриенхок обнаружил, что природа уже поставила подобный эксперимент на рыбках-гамбузиях, обитающих в ручьях и озерах Мексики[12]. Известно, что гамбузии иногда спариваются с особями близкородственного вида, порождая гибриды — рыб не с двумя, а с тремя копиями генов. Рождаются при этом только самки, которые затем размножаются клонированием, а не половым путем. Им, правда, тоже требуется сперма рыбы-самца — без нее их яйцеклетки не начинают расти, но сами яйцеклетки образуются без участия сперматозоидов и не включают в себя генов самца.

Вриенхок и его коллеги изучили гамбузий в нескольких озерах и ручьях, и каждая разновидность рыб дала свое подтверждение гипотезе Черной Королевы. Многие рыбки заражены глистами — трематодами, которые образуют в их тканях черные цисты. В одном озере Вриенхок обнаружил, что у гибридных клонов гораздо больше таких цист, чем у нормальных рыб. Иными словами, селиться в клонах паразитам проще, чем в нормальных рыбах, имеющих пол, потому что паразиты быстрее адаптируются к их иммунной системе. В другом озере, где жило две разновидности клонов, более распространенный тип был сильнее подвержен инфекции — в точности как предсказывает гипотеза Черной Королевы.

В третьем водоеме ситуация на первый взгляд противоречила гипотезе: сексуальные рыбки оказались более уязвимыми, чем клоны. Но после тщательного изучения экосистемы озера Вриенхок понял, что это еще более сильный аргумент в пользу гипотезы Черной Королевы. Несколько лет назад во время засухи озеро практически пересохло, и после возвращения воды его заново колонизировали несколько оставшихся в живых рыб. В результате рыбы в озере, хотя и размножались половым путем, состояли между собой в близком родстве — а значит, были лишены генетического разнообразия, которое, собственно, и представляет собой преимущество полового размножения. Чтобы восстановить разнообразие ДНК, Вриенхок и его коллеги выпустили в озеро несколько гамбузий из других водоемов. Через два года сексуальные рыбки обрели устойчивость к паразитам, а те, соответственно, переключились на клонов.

Преимущества полового размножения настолько велики, что возникала эта система десятки раз, в самых разных семействах животных, растений, красных водорослей и других эукариот. Первые двуполые животные, вероятно, просто выпускали струйку своих половых клеток (называемых гаметами) в океан и оставляли их на волю течений, доверяя им самим позаботиться о встрече. Половое размножение, как мы уже сказали, развивалось независимо много раз; тем не менее большинство гамет выглядят примерно одинаково: яйцеклетка велика и неподвижна, сперматозоид — крохотный пловец. Когда сперматозоид сливается с яйцеклеткой, в нее попадает только содержимое его ядра; митохондриям и другим органеллам вход в яйцеклетку закрыт.

Такой порядок очень популярен в живом мире, потому что он прекрасно работает. Дэвид Дюзенбери, биолог из Технологического института Джорджии, выделил преимущества этого порядка при помощи математической модели гамет, стремящихся к встрече друг с другом. В его модели обе гаметы могут плавать или оставаться на месте; они могут быть одинаковы по размеру или различны. Выясняется, что гаметы в чем-то подобны двум людям, заблудившимся ночью в глухом лесу. Если оба начнут бродить по лесу, они вряд ли сумеют найти друг друга. Лучше всего, чтобы один из них оставался на месте и подавал сигналы второму.

В ситуации с людьми таким сигналом может быть, к примеру, крик; для гамет это особые химические соединения, известные как феромоны. Чем громче люди кричат, тем легче их услышать. Для гамет громкий крик означает выработку большего количества феромонов. Дюзенбери считает, что любое увеличение в размерах позволяет гамете выпускать гораздо больше феромонов, увеличивая дистанцию связи. В самом деле, именно яйцеклетка рассылает феромоны для привлечения сперматозоидов, а не наоборот.

Разумеется, поисковой партии, прочесывающей лес, легче будет найти заблудившегося человека, чем другому человеку, если он будет искать один. Точно так же самый простой способ увеличить вероятность встречи — использовать для поисков яйцеклетки не один сперматозоид, а множество. Согласно Дюзенбери, эволюция готова подхватить любую мутацию, которая сделала бы яйцеклетку вида крупнее или сперматозоиды многочисленнее. Тогда виду для успешного размножения требовалось бы меньше энергии, ведь его гаметы лучше и надежнее находили бы друг друга. Такой вид уцелел бы в местах, где менее эффективные формы просто не смогли бы размножаться.

Увеличившись в размерах, яйцеклетки смогли бы не только эффективнее распространять феромоны, но и запасти больше энергии впрок, на то время, когда после оплодотворения им придется делиться. Чем больше энергии сможет запасти яйцеклетка, тем меньше ее будет требоваться от сперматозоидов. Они смогут стать еще мельче и многочисленнее, увеличивая таким образом шансы самца на оплодотворение яйцеклетки и передачу своих генов потомству. Но все более мелкие сперматозоиды не в состоянии принести с собой много ресурсов, поэтому естественный отбор благоприятствует все более крупным яйцеклеткам, которые сами способны обеспечить процесс энергией. Со временем сперматозоиды превратились практически в подвижные мешочки с генами, зато яйцеклетки стали гигантскими клетками с богатым запасом питательных веществ.

Результатом установившегося порядка — большая яйцеклетка и много маленьких сперматозоидов — стал огромный дисбаланс между полами. Один-единственный мужчина может за свою жизнь произвести достаточно спермы, чтобы сделать беременными всех без исключения женщин на планете, и не по одному разу. Но женщина овулирует лишь раз в месяц; мало того, подобно остальным млекопитающим она несколько месяцев должна вынашивать дитя, а после рождения выкармливать грудным молоком. Каждые роды она рискует умереть от осложнений, а выкармливание младенца заставляет ее сжигать десятки тысяч дополнительных калорий. Репродуктивные возможности женской половины человечества представляют собой как бы узкое бутылочное горлышко, ограничивающее репродуктивный потенциал мужчин.

Итак, единственный самец вида способен оплодотворить всех без исключения самок — но есть ведь и другие самцы, которые не прочь были бы сделать то же самое. У многих видов этот конфликт ведет к битвам между самцами. Как именно выглядит эта битва, зависит от характеристик вида и экосистемы, в которой он обитает. Морские слоны на севере сталкиваются своими тысячекилограммовыми телами, разбрызгивая кровь и пену, чтобы стать единственным властелином и сексуальным партнером целого гарема из десятков самок. Овцебыки на просторах арктической тундры пытаются вогнать друг в друга свои толстые рога, и каждый десятый погибает от травмы черепа. Даже самцы жуков и мух отрастили у себя «рога» для сражений за право продолжить род.

Состязания между самцами были хорошо известны натуралистам уже в XIX в. Знал о них, разумеется, и Дарвин. Эти состязания без проблем укладывались в его теорию эволюции: если самцы сражаются из-за самок, то победители, естественно, спариваются чаще других. Если чуть более толстый череп дает самцу преимущество, то в следующем поколении у многих самцов будут толстые черепа. Пара твердых шишек может сделать череп еще более эффективным оружием в сражении за самку — а со временем они могут эволюционировать в ветвистые рога.

Но Дарвина интересовало и другое: чем заняты самки во время этих сражений? Пассивно ждут, чтобы ими овладел победитель схватки? Может быть, некоторым викторианским джентльменам мысль о женской пассивности и грела душу, но Дарвин понимал, что здесь тоже есть проблема: такая схема ничего не говорит о видах, где самцы не устраивают очных поединков.

Представьте себе павлина с его великолепным хвостом. «Вид павлиньего пера, где бы я его ни увидел, вызывает у меня тошноту!» — сказал как-то Дарвин. В громадном веере с радужными «глазами» нет никакой жизненной необходимости — самки Pavo cristatus без него прекрасно обходятся. Это не оружие — самец не может поколотить соперника хвостом и тем самым заставить того подчиниться. Более того, это лишний груз, который может помешать самцу и сделать его легкой добычей хищника. Но несмотря на все недостатки, павлины-самцы каждую весну отращивают себе новый комплект сверкающих перьев взамен тех, что они сбросили в конце предыдущего года.

«У Дарвина были крупные проблемы с павлинами, ведь на первый взгляд павлиний хвост идет вразрез с теорией эволюции и естественного отбора, — говорит Марион Петри, биолог из Университета Ньюкасла. — Он много думал об этих птицах, но прошло несколько лет, прежде чем он предложил свое объяснение их происхождения. Особую форму отбора, вызвавшую, возможно, появление павлиньего хвоста, он назвал половым отбором».