Почему возник пол? Исследования профессора Лоуренса Херста

Эволюционная причина, по которой организмы занимаются сексом, может казаться очевидной — для размножения. Естественный отбор, безусловно, благоприятствует особям, способным к размножению. Однако это упускает суть вопроса, поскольку для многих видов существует альтернатива — бесполое размножение.

Почему же пол эволюционировал у стольких видов? Удивительно, но единого чёткого ответа нет. Исследователи разработали более 20 различных гипотез. В последнее время ряд экспериментов начал проверять эти теории.

У бесполых видов самка размножается без генетического вклада самца, производя дочерей, практически идентичных себе. Стратегия может быть очень успешной, что известно любому, чьи розы страдали от тли.

Ключевая интеллектуальная проблема в том, что самцы часто не вкладываются в потомство. Половой самке нужно производить и сыновей, и дочерей, тогда как бесполая — только дочерей. Если самки — инвестирующий пол (производят яйца, выкармливают потомство), это позволяет популяции быстро расти: одна бесполая самка может стать двумя, две — четырьмя и т.д. Это подтвердили эксперименты, сравнивавшие в лаборатории условно бесполых и половых жуков.

Помимо млекопитающих (включая человека) и птиц, бесполые виды есть почти в каждой таксономической группе (некоторые рыбы, рептилии, растения, насекомые), но они редки. Это говорит о том, что в долгосрочной перспективе пол побеждает, несмотря на преимущества бесполого размножения.

Вредные мутации vs адаптация

Эволюционные исследования проблемы в основном сосредоточены на двух широких классах гипотез. Оба основаны на том, что пол создаёт разнообразие, смешивая генетический материал родителей. Мы не являемся идентичными копиями наших родителей, в отличие от дочерей бесполой тли.

Это разнообразие проявляется на генетическом уровне: пол порождает одних особей с множеством вредных мутаций, а других — с относительно малым их числом. Сторонники мутационно-детерминистической теории полагают, что если особи с множеством мутаций имеют непропорционально низкие шансы на выживание, многие вредные мутации вымирают вместе со своими носителями, что порождает множество организмов, свободных от таких мутаций. У бесполых видов из-за отсутствия вариаций ни одна особь не обременена мутациями особенно сильно, поэтому гибель одной особи не устраняет много вредных мутаций сразу.

Однако эту теорию всё чаще ставят под сомнение, поскольку выясняется, что многие половые виды (насекомые, растения) не производят столько вредных мутаций, сколько требует теория.

Другая сильная гипотеза утверждает, что пол позволяет линии быстрее адаптироваться к меняющимся условиям. Эксперименты подтверждают, что представители половой линии обычно адаптируются быстрее бесполых представителей того же вида. Упомянутый эксперимент с жуками показал, что если половой популяции позволить свободно эволюционировать в меняющихся условиях, она может полностью вытеснить бесполую.

Причин, по которым пол облегчает адаптацию, может быть много. Например, представьте двух особей в бесполой популяции, у каждой из которых есть полезная, но разная мутация. Поскольку их ДНК не может смешиваться, их потомки конкурируют друг с другом (клональная интерференция) — преимущества обеих мутаций никогда не объединятся в одной особи. В половой популяции обе полезные мутации могут оказаться в одной особи, что облегчает адаптацию. Молекулярное исследование, опубликованное 24 февраля, подтвердило, что пол действительно снижает клональную интерференцию.

Терия Красной Королевы: паразиты?

Ускорение адаптации кажется хорошим объяснением. Но что происходит после изменения среды и стабилизации условий? Не должны ли бесполые формы снова выиграть конкуренцию? По этой причине многих исследователей всё больше привлекает идея, что разнообразие, создаваемое полом, также позволяет видам адаптироваться в бесконечной эволюционной гонке вооружений со своими паразитами.

Такая эволюционная игра в кошки-мышки известна как эволюция Красной Королевы (от персонажа «Алисы в Стране чудес», которая настаивала, что нужно бежать со всех ног, чтобы оставаться на месте). Действительно, гены, связанные с иммунитетом, — одни из самых быстро эволюционирующих. Есть также недавние свидетельства, что виды могут увеличивать степень генетического смешивания, когда чувствуют заражение паразитом. Это делает их потомство ещё более отличным друг от друга и от родителей.

Нам также известны недостатки отсутствия разнообразия у бесполых сельскохозяйственных растений. Например, атака паразита привела к Великому голоду в Ирландии (1845–49). Сейчас бананам угрожают многочисленные грибковые паразиты. Это вызывает беспокойство, учитывая, что более 95% экспортной торговли бананами приходится всего на один бесполый сорт (Кавендиш).

Итак, занимаются ли организмы сексом, чтобы их потомство не было уничтожено болезнями, или чтобы оно было относительно свободно от вредных мутаций? Эти гипотезы не исключают друг друга. Исследователи в этой области всё больше интересуются某种 гибридной моделью.

Сейчас мы движемся к изучению эволюции пола на молекулярном уровне, чтобы отслеживать конкретные мутации, теряемые или приобретаемые в ходе адаптации. Исследования судьбы мутаций в результате коэволюции хозяев и паразитов также не за горами. Однако остаётся важный вопрос: почему больше видов не используют лучшее из обоих миров (как это делают тли), имея как половую, так и бесполую фазы размножения.