Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии

Глава четвертая, в которой организм отморозил себе уши назло зародышевой плазме

Изменчивость и мутации

Биология – уникальная наука: история ее стремительного развития началась прямо с открытия самого главного ее закона. Да, речь опять о теории Дарвина. Это примерно как если бы Пифагор для начала открыл теорему Гёделя, а Галилей – квантовую механику, и, только вооружившись этим знанием, их последователи додумались бы до квадратных уравнений и паровых машин. Биология угодила в яблочко, еще ничего толком не зная. Это наложило отпечаток на всю ее историю, включая и размышления о смысле секса. Первые гипотезы о половом размножении оперировали самыми фундаментальными понятиями – мутациями, генами, коэффициентами отбора. На самом деле это было довольно дерзко. Когда мы в нашей истории доберемся до гипотез о происхождении мейоза – о том, в какую передрягу, возможно, угодил общий предок всей сложной жизни на планете, когда для выживания ему понадобилось столь странное и неочевидное приспособление, – мы убедимся, какой объем информации требуется современным ученым, чтобы не попасть здесь впросак. Те, кто разрабатывал первые генетические теории полового размножения, не знали из этого ровным счетом ничего – они и про ДНК еще не подозревали. Можно лишь восхититься тем, как много они смогли понять.

Пару глав назад я позволил себе слегка иронизировать по поводу «мешков с генами», к которым теоретики нередко сводят неизмеримую сложность жизни. Но хотя это и самонадеянно, зато уж если даже при такой степени обобщения удастся установить какой-нибудь важный закон, то, видимо, этот закон будет описывать абсолютно все варианты живой материи, включая те, что будут обнаружены в окрестностях красных карликов в спиральных рукавах галактики Андромеды. Первые гипотезы о происхождении секса были именно таковы: они претендовали на абсолютную универсальность просто потому, что практически не использовали информацию о частностях нашей земной жизни вроде числа генов в геноме или частоты мутирования. Авторы этих гипотез, величайшие генетики человечества, ничего этого просто не знали.

Первым среди них, наверное, надо назвать немецкого зоолога Августа Вейсмана (1834–1914), который еще не знал даже слова «ген». Роль Вейсмана в истории генетики косвенным образом признали не только его соратники, но и представители враждебного лагеря: советские лжеученые-лысенковцы именовали всех генетиков «вейсманистами-морганистами», тем самым отдав дань заслугам немецкого зоолога. Кстати, вторая часть ругательства связана с именем американского биолога-генетика Томаса Моргана (1866–1945), ставившего опыты с плодовой мушкой и на их основе догадавшегося, как связаны между собой гены и хромосомы. Он появится в нашей истории чуть позже.

На портретах Августа Вейсмана обращают на себя внимание две детали: большая борода, какую в XIX веке было принято носить среди немецких профессоров, и маленькие очки. Обе детали важны для понимания персонажа: будучи немецким профессором, Вейсман писал свои статьи и книги довольно сложным академичным языком, к тому же по-немецки, а потому в наше время, когда международным языком биологии стал английский, его не так уж часто цитируют и не слишком хорошо понимают. Что касается очков, они на нем потому, что Вейсман страдал от прогрессирующей потери зрения. В те периоды, когда зрение улучшалось, Вейсман усаживался за микроскоп и начинал изучать, к примеру, процессы линьки у насекомых или развитие яйца у гидроидных полипов. Наверное, для развития науки это тоже было важно. Но потом глаза опять слабели, и тогда профессор был вынужден заниматься теорией. Именно этим периодам почти-слепоты человечество обязано его работами, в которых Вейсман впервые собрал в единую систему идеи Дарвина и представления о наследственности.

Терминология Вейсмана показалась бы современному студенту темной и дремучей: там есть «зародышевая плазма», «детерминанты», «биофоры» и совсем уж непонятные «иды» и «иданты» (последние – это, по существу, просто хромосомы). Однако с помощью таких понятий ему удалось нарисовать картину, объясняющую, как работает дарвиновский отбор. В частности, он придал реальный смысл гипотезе Дарвина, согласно которой материалом для отбора служат «маленькие наследуемые изменения». Слово «мутация» в те поры среди биологов уже бытовало, однако его автор, голландский ботаник Хуго де Фриз (1848–1935), придавал ему несколько другой смысл. Тем не менее рассуждения Вейсмана об «изменениях в зародышевой плазме» легли в основу представления о мутациях в самом что ни на есть современном смысле слова. Термин «мутации» уже использовался в нашем повествовании, потому что в XXI веке странно было бы притворяться, будто читателям оно незнакомо. Однако с этого места и далее мы будем пользоваться им на законных основаниях.

Картина мира, которую рисует Вейсман с помощью своего архаичного словаря, на первый взгляд банальна, а на второй бросает серьезный вызов воображению. Дело в том, что многие привыкли думать о своих предках как о череде существ, в свое время ходивших по Земле, радовавшихся солнцу и овеваемых приятным ветерком. На самом деле те клетки, из череды поколений которых в конце концов возникли наши тела, никакого солнышка и ветерка никогда не ощущали. Каждый из нас происходит из яйцеклетки и сперматозоида, созревавших во влажной тьме репродуктивной системы. Но и они, в свою очередь, произошли от яйцеклеток и сперматозоидов, причем от одной оплодотворенной яйцеклетки до другой проходит не так уж много клеточных делений, и все они происходят там же – в мокрой темноте утробы. Наверное, ваш ближайший прямой клеточный предок, которому посчастливилось, как и вам, согреться солнечными лучами, – это икра какого-то земноводного, повисшая нитями на неведомом растении в палеозойском пруду. Другими словами, история жизни клеток зародышевой линии, из которых мы произошли, вообще ничем не напоминает нашу собственную жизнь, к которой мы, по милости естественного отбора, оказались так хорошо приспособлены. Как это получилось, и взялся объяснить теряющий зрение профессор Август Вейсман.

Дело, по его мнению, обстоит так: в зародышевой плазме случайным образом происходят изменения (то есть мутации). Зародышевая плазма дает начало соматическим клеткам организма, и от того, насколько удачными были мутации, зависит, насколько успешен будет организм в жизни и дальнейшем размножении. Организм (или «сома»), согласно Вейсману, может влиять на зародышевую плазму единственным образом: умереть, не оставив потомства, и тем самым обречь ее на исчезновение, если случившиеся в ней мутации оказались нехороши. В историю науки эта концепция вошла как «барьер Вейсмана». Барьер здесь поставлен между клетками зародышевой линии, несущими геном, то есть зародышевую плазму, и соматическими клетками тела, которые, по мнению Вейсмана, сохраняли лишь малую часть этой самой плазмы, причем в каждой клетке свою (это оказалось не так, но на правильность выводов не повлияло). Первые ничего не знают об окружающем мире, а вторые знают всё, но не способны связно доносить и отстаивать свое мнение, кроме как назло бабушке отморозив уши. Только на этом этапе естественный отбор может отбраковать те варианты зародышевой плазмы, которые ему не понравятся. Дарвин об этом еще не догадывался: он-то считал, что соматические клетки как-то умудряются передавать зародышевой плазме информацию о своем жизненном опыте. Однако я почему-то уверен, что идея Вейсмана вызвала бы у него восторг.

Сложные и, как сейчас выражаются, «токсичные» отношения сомы и зародышевой плазмы уже давно стали азбукой биологии. Однако до сих пор некоторым ученым удается увидеть эту картину жизни под неожиданным углом и удивиться как в первый раз. Вот, например, китайский ботаник Бай Шунун, изучающий цветы, то есть органы размножения растений, предлагает взглянуть на многоклеточные организмы как на некую добавку к длинной череде гамет и зигот (составляющей, по его терминологии, «цикл полового размножения»). Добавка важная, поскольку она помогает каждому поколению зигот превращаться в гаметы, а гаметам – сливаться и вновь становиться зиготой. Однако, по мнению китайского ботаника, многоклеточному организму не следует зазнаваться – его роль тут явно вторична, он лишь служебная надстройка над «циклом полового размножения».

Чтобы полнее проникнуться этой идеей, доктор Бай предлагает посмотреть на один примитивный организм – слизевик диктиостелиум. По существу, это одноклеточная амеба. Однако на определенном этапе своей жизни амебы начинают собираться вместе, чтобы сформировать плодовое тело. Оно существует лишь для того, чтобы образовать споры, так что никто не назовет плодовое тело смыслом всей жизни диктиостелиума. Наши многоклеточные тела значительно сложнее и долговечнее, но они так же временны и смертны, как и забавные мокрые «грибки» слизевика. А вот зародышевая плазма вечна. Картина мира, нарисованная доктором Баем, поражает своей парадоксальностью, но потом читатель вспоминает, что он уже где-то об этом слышал. Ах да: это ровно то, о чем больше ста лет назад рассуждал Август Вейсман.

Но зачем же, согласно Вейсману, нужен этот самый секс, если весь многоклеточный организм не более чем приспособление для того, чтобы зародышевая плазма могла время от времени им заняться? А вот зачем: в процессе полового размножения клетки зародышевой линии перетасовывают «иды» и «детерминанты» (как мы бы сейчас сказали, «гены») отца и матери, чтобы предложить естественному отбору как можно более широкий выбор разных комбинаций. Кто знает, какая из них лучше сработает? Вот формулировка Вейсмана: «Цель этого процесса – создать индивидуальные различия, формирующие материал, из которого естественный отбор произведет новые виды».

Изречения классиков всегда слегка завораживают, но надо признать, что в наше время такая сентенция немедленно огребла бы от критиков, придирающихся к словам и не склонных вникать в их смысл. Ну скажите, кому и зачем понадобилось «поставлять материал для естественного отбора»?! Как будто смысл жизни в том, чтобы угождать этому самому отбору, который неспроста занял место Бога в общем порядке вещей. Более того: живым существам (скажу по личному опыту), вообще-то, совсем не хочется никуда эволюционировать, а, напротив, желательно благоденствовать прямо как есть. Какая выгода семейной паре в том, чтобы ее дети, вместо того чтобы просто быть счастливыми и рожать внуков, «поставляли материал для естественного отбора»?! Комбинации генов, существовавшие у Льва Николаевича и Софьи Андреевны Толстых, уже были достаточно хороши, чтобы обеспечить своим носителям выживание и благополучное вхождение в репродуктивный период: восемь выживших и выросших детей – по тем временам хоть и не рекордный, но вполне достойный результат. Зачем же было все портить и перемешивать такие удачные наборы генов?

В этой истории мы еще много раз повторим, что эволюция не способна заглядывать в будущее и никакое сложное приспособление, призванное решить какие-то проблемы в отдаленной перспективе, но не приносящее немедленной пользы, укорениться не может. Предположим, у соседа дети умеют щипать траву гораздо лучше, чем ваши, а ваши дети зато несут гены, позволяющие отлично программировать на языке Паскаль. Увы, вашим детям не повезло: соседские съедят всю траву, ваши умрут с голоду, и погибшим вместе с ними генам программирования ничего не останется, кроме как возникнуть заново через сотню миллионов лет у потомков этих прожорливых травоедов. Способность «перетасовывать свои гены для получения новых комбинаций» в этом смысле ничем не лучше склонности к программированию на еще не придуманных языках: преимущество приобретают только те, кто дает больше потомства здесь и сейчас. А здесь и сейчас преимущества перетасованной колоды не очевидны.

Во времена Вейсмана о таких вещах еще не задумывались – да что там говорить, если они и о генах-то толком не знали. Однако последователи Вейсмана нашли в его идее здравое зерно. А именно: в зародышевой плазме возникают маленькие наследуемые изменения, а секс составляет из них разные комбинации. Другими словами, секс, возможно, как-то связан с мутациями. Именно они определяют различия между разными генами в популяции, а только благодаря различиям эти гены и имеет смысл перемешивать. А значит, надо просто разобраться, как половое размножение может изменить судьбу мутации, которая однажды возникла у воображаемого организма. Именно так и рассуждали в 1930-х гг. англичанин Рональд Фишер (1890–1962) и американец Герман Мёллер (1890–1967), основоположники популяционной генетики, чьи имена мы тут вспомним еще не раз.

Вот их рассуждения. Предположим, что организму для пущей гармонии со средой (то есть дарвиновской приспособленности) не хватает всего двух мутаций, А и В. Допустим еще, что эти мутации очень хороши вместе, а по отдельности не дают особых преимуществ. Если организм размножается клонированием, то у него, скажем, сперва возникнет мутация А, а до появления В придется ждать еще много поколений. Тем временем у другого такого же организма возникнет мутация В, от которой ему тоже не будет пользы. Надо подождать, пока вторая мутация появится у потомков того, кто уже имеет первую: тогда счастливая комбинация быстро распространится. А пока очень жалко этих двух существ, опередивших свое время.

Однако добавим в картину половое размножение, и проблема мутантов-новаторов будет решена. Двум нашим первопроходцам просто надо найти друг друга и заняться сексом. Тогда у целой четверти их потомков будут присутствовать обе мутации – и А, и В, – дающие им заметное преимущество перед современниками. Через несколько поколений от современников и вовсе ничего не останется. Так секс, по мнению Мёллера и Фишера, может завоевать мир. Несколько десятилетий спустя, уже в 1960-х, американец Джеймс Кроу (1916–2012) и японец Мотоо Кимура (1924–1994) показали уже не на пальцах, а с помощью математической модели, что такое возможно. Надо только, чтобы преимущества двойного мутанта перед одинарными были достаточно велики, скорость мутирования – высокой, а популяции – большими.

Но часто ли случаются такие ситуации в реальном мире? Заметьте: если мы хотим, чтобы секс давал немедленное преимущество перед клонированием, требуется, чтобы такая пара мутаций уже существовала в популяции, причем А + В должно быть в данных условиях среды гораздо лучше, чем А и В по отдельности, только тогда потомки пары завоюют мир вопреки «двойной цене». Но в реальной жизни мы что-то не наблюдаем триумфального распространения каких-то полезных адаптаций в каждом поколении грибов-сыроежек или птиц-носорогов, даже притом что они-то давно уже занимаются половым размножением. Вероятно, описанные выше пары взаимно полезных мутаций А и В возникают у них не так уж часто, так что, если бы пресловутая «мутация к сексу» случилась прямо сейчас, а не миллиард лет назад, ей, возможно, вообще не с чем было бы работать. На самом деле до сих пор не очень понятно, насколько часто появляются полезные – то есть поддерживаемые отбором – мутации, и уж точно об этом ничего не знали в 1930-х годах.

Зато совершенно точно известно, что вполне обычны мутации вредные – те самые маленькие ошибки копирования, которые вечно вносят хаос в гармонию жизни и портят хорошие гены. Герман Мёллер рассмотрел именно такой случай и, кажется, открыл что-то очень важное.

Легкомысленной публике этого ученого уместнее всего, наверное, представить как кузена Урсулы ле Гуин, хотя вклад самого Мёллера в сокровищницу человеческой цивилизации по любым меркам никак не меньше «Волшебника Земноморья». Это притом, что в силу некоторых черт своего характера, а также исторических особенностей мирового ландшафта в первой половине ХХ века Герману Мёллеру было нелегко найти в мире место для себя и своей коллекции мутантных линий плодовой мушки-дрозофилы. Свою родную Америку он недолюбливал за капитализм, и она отвечала ему тем же. После участия в издании левой студенческой газеты Spark («Искра») Герману пришлось сменить страну пребывания. В 1932 году он переехал в Германию, в лабораторию русского генетика Н. В. Тимофеева-Ресовского, лишь для того, чтобы очень быстро понять, что Адольф Гитлер и его нацизм намного мерзее, чем покинутая им Америка.

Вскоре Мёллер по приглашению Николая Вавилова переехал в СССР. Вот такой небогатый выбор возможностей эмиграции был в то время у последовательного нонконформиста. Лишь после начала Второй мировой войны, заехав ненадолго в Париж, Мадрид и Эдинбург, генетик преодолел гражданскую обиду и вернулся в США.

Мёллер первым всерьез занялся мутациями, теми самыми изменениями зародышевой плазмы, о которых мы вели речь. Он придумал, что мутации можно вызывать искусственно с помощью радиоактивного излучения. Так и составилась его коллекция мутантов плодовой мушки, большинство линий которой до сих пор используются генетиками всего мира. Возможно, наблюдая за этими мутантами (большинство из них выглядят довольно жалкими и никчемными в сравнении со здоровой дикой мухой), он пришел к своему обоснованию роли секса в жизни живых существ.

Попробуем понять его рассуждения. Вообразим популяцию организмов – хотя бы тех же мух, – размножающихся бесполым способом. Пусть в начале нашей истории эти удивительные мухи, в отличие от гипотетических организмов из гипотезы Мёллера – Фишера, будут идеально приспособлены к среде своего обитания. У их потомков иногда будут возникать мутации. Некоторые мутации окажутся ужасно вредными, и такая муха погибнет, не оставив потомства. Некоторые – совершенно безобидными. А раз так, всегда можно вообразить весь спектр промежуточных случаев: например, когда муха несет слабовредную мутацию, слегка снижающую ее приспособленность, но тем не менее тоже оставляет потомство.

Кроме дарвиновского отбора, наших мух подстерегает множество испытаний, исход которых никак не зависит от генов. Мухи могут, например, погибнуть при извержении вулкана. Вполне может оказаться так, что жертвой катастрофы падет самая лучшая муха, с наименьшим числом вредных мутаций в геноме. Эта утрата невосполнима: снова получить такую хорошую муху уже не получится. В следующем поколении все мушки станут в среднем немного хуже. Вернуться обратно, к состоянию, свободному от мутаций, теоретически можно: каждая мутация должна отыграть в обратном направлении, или, как выражаются генетики, «ревертировать», но это крайне маловероятно. Итак, наши мухи вступают в новое поколение уже чуть-чуть подпорченными, а в следующем поколении все это повторится еще раз.

Расчеты показывают, что в популяции бесконечного размера можно хотя бы теоретически так подобрать параметры, чтобы отбор успевал удалять все нежелательные мутации. Но при любом конечном числе мух, как бы медленно они ни мутировали, фокус не пройдет: всегда найдутся мутации настолько маловредные, что отбор их пропустит и позволит им остаться навсегда. Обратного пути к совершенству природа не предусмотрела. Это похоже на работу механизма, известного как храповик и изображенного художником на странице 60: защелка позволяет зубчатому колесу поворачиваться только в одном направлении. Колесо может сколь угодно долго находиться в покое, но если уж оно повернется хотя бы на один зубчик, то обратного пути у него нет. Собственно, описанный нами механизм порчи всего живого в результате накопления мутаций так и называют – «храповик Мёллера».

И результат работы этого механизма таков: любая популяция организмов, размножающихся бесполым способом, обречена на деградацию и вымирание.

Противостоять неумолимому процессу можно единственным способом: надо каким-то образом в каждом поколении производить хоть немного мух, свободных от мутаций. Для этого достаточно просто перемешать все мутации, содержащиеся в разных геномах, и позволить им соединиться между собой по-другому. В результате у кого-то из потомков мутационный груз станет неподъемным – отбор ему судья. Зато с некоторой вероятностью в каждом поколении родятся мушата-вундеркинды, не несущие ни единой вредной мутации. Таким принадлежит будущее. И нет лучшего способа добиться такого перемешивания генов в каждом поколении, чем секс. А если условия жизни популяции, к которым наши мухи якобы идеально приспособлены, вдруг изменятся, тот же самый секс будет способствовать закреплению новых полезных адаптаций.

О том, как работает этот ужасный храповик и насколько половое размножение может от него спасти, генетики спорят со времен Мёллера. Беда в том, что, когда описываешь этот процесс расплывчатыми словами, как это делаем мы, все вроде бы выглядит складно, однако едва дело доходит до деталей, то возникает масса сложностей.

Bai S.-N. The Concept of the Sexual Reproduction Cycle and Its Evolutionary Significance. Frontiers in Plant Science. 2015. 6: 6–11. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.00011

Carlson E. A. Genes, Radiation, and Society: The Life and Work of H. J. Muller. NCROL, 1981.

Chipkin L., Olofsson P., Daileda R. C., Azevedo R. B. R. Muller's Ratchet in Asexual Populations Doomed to Extinction. bioRxiv. 2018. 448563.

Crow J. F., Kimura M. Evolution in Sexual and Asexual Populations. The American Naturalist. 1965. 99(909): 439–450.

Lane N. Life Ascending: The Ten Great Inventions of Evolution. New York: W. W. Norton & Company, 2009. (Лейн Н. Лестница жизни / Пер. П. Петрова. – М.: АСТ: Corpus, 2013. С. 186–225.)

Wither R. G. August Weismann on Germ-Plasm Variation. Journal of the History of Biology. 2001. 34(3): 517–555.

Zou Y. August Friedrich Leopold Weismann (1834–1914). The Embryo Project Encyclopedia. 23.05.2014.

Глава пятая, в которой от угрозы генетического вырождения можно отбиться топором

Мутационная катастрофа

Гипотеза храповика Мёллера и то, что половое размножение, возможно, позволяет этот храповик остановить, – очень красивая идея в том смысле, что она связывает секс с самым важным в биологии – мутационным процессом, отбором и эволюцией. Как раз таких объяснений мы и хотели. Раз уж секс замечен практически у всех высших (эукариотических) организмов, то и причины его существования должны быть универсальными. Остается убедиться, что эта гипотеза верна.

Действительно ли половое размножение способно замедлить накопление зловредных мутаций? Это можно выяснить экспериментально, что ученые неоднократно проделывали. К примеру, биологи из Лозанны разбирались с палочниками (это такие нелепые, похожие на сухую щепку насекомые) рода Timema. Среди этих палочников одни виды отказались от секса, подобно существам, которых мы обсуждали в предыдущей части, а другие его с успехом практикуют. Взяли по пять видов тех и этих, сравнили их транскриптомы. Что такое транскриптом? Это слово не случайно рифмуется с геномом: транскриптом включает последовательности всех генов, которые у данного организма работают, то есть с них считывается РНК. В геноме, видимо, есть много ДНК, которая ни на что не влияет, и, даже если там случилась мутация, ваши оппоненты сперва потребуют доказать, что от этой мутации хоть что-то зависит. А вот если мутация замечена в транскриптоме, шансов, что она останется совсем уж без последствий, значительно меньше.