Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии

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.