Ротиферы вместо секса заимствуют гены у других обитателей пруда

Половое размножение считается необходимым для смешивания генов и выживания в эволюционной гонке. Ярким исключением из этого правила являются микроскопические животные — коловратки (ротиферы). Один из их классов, бделлоидные ротиферы, размножается без полового процесса миллионы лет.

Теория предсказывает их вымирание, но они существуют. Как им это удаётся?

Секвенирование ДНК показало, что они компенсируют отсутствие полового размножения, включая в свой геном гены от других ротифер (того же или других видов), а также от грибов и бактерий.

Ротиферы обитают в лужах и прудах. Это очаровательные многоклеточные беспозвоночные размером менее 1 мм. Они двигаются, как крошечные колёсные пароходы, благодаря венчику ресничек вокруг головы, который также загоняет пищу (водоросли и детрит) в их крепкие челюсти.

Когда лужа высыхает, ротиферы превращаются в обезвоженные «бочонки» и могут годами переноситься ветром в новые водоёмы. Они восстанавливаются за несколько часов и эффективно «чинят» свою ДНК, которая повреждается при высыхании.

Это незначительное существо ставит большой вопрос перед биологией: зачем животным нужен секс?

Зачем нужен секс?

Половое размножение неэффективно. Животные тратят время и энергию на поиск партнёра, а половина популяции (самцы) не производит потомства.

Вопрос «зачем секс?» впервые задал Чарльз Дарвин 150 лет назад. С тех пор эволюционные генетики пытаются понять, почему половое размножение обычно побеждает в эволюционной гонке.

Наиболее принятая теория гласит, что секс полезен для создания новых комбинаций генов путём рекомбинации родительских геномов. Это помогает адаптироваться к изменениям среды и противостоять патогенам, создавая «движущуюся мишень».

Половое размножение у животных

У млекопитающих половое размножение обязательно. Некоторые рептилии и лягушки размножаются партеногенезом (самки производят диплоидные яйцеклетки из собственных генов), но такое потомство менее жизнеспособно. Многие беспозвоночные могут размножаться и половым, и бесполым путём, но нет таких, которые никогда не занимаются сексом, — кроме бделлоидных ротифер.

С момента их открытия Антони ван Левенгуком сотни лет назад самцов у них так и не обнаружили. Самки откладывают яйца без мейоза, поэтому геномы потомков идентичны материнскому.

Геномы бделлоидных ротифер странные. Есть две копии каждого гена (как у диплоидных организмов), но они сильно различаются. Это говорит о гибридном происхождении от двух видов, чьи гены разошлись около 60 миллионов лет назад. Их гомологичные хромосомы по-разному перестроены и не могут спариваться в мейозе. Вывод: бделлоидные ротиферы обходятся без секса уже 60 миллионов лет.

Новая ДНК для ротифер

Секвенирование генома бделлоидной ротиферы принесло сюрприз: около 8% генов оказались чужеродными. Некоторые гены были типичны для грибов или бактерий и давали ротиферам полезные новые свойства, например, способность расщеплять токсины или использовать новую пищу. Этот горизонтальный перенос между ротиферами и другими организмами — древний и продолжающийся процесс.

Чужеродная ДНК разбросана по всему геному. Как она туда попадает? Вероятно, обезвоживание создаёт отверстия в клеточных мембранах, через которые может всасываться ДНК. Эффективный механизм репарации двунитевых разрывов ДНК у обезвоженных животных идеально подходит для встраивания чужеродной ДНК в геном.

Ещё удивительнее, что происходит с ДНК от других особей или видов ротифер. Она встраивается не куда попало, а выравнивается с соответствующей последовательностью и рекомбинирует. Это означает, что новая версия гена может заменить старую. Прямо как при половом размножении.

Бактерии тоже так умеют

Способность поглощать и использовать ДНК из окружающей среды не уникальна для ротифер.

Бактерии размножаются делением, создавая клоны генетически идентичных клеток. Но они могут поглотить ДНК другого штамма, заменить ею собственный ген и начать производить новый вариант белка. Эта трансформация ДНК стала первым доказательством, что гены состоят из ДНК.

Трансформация — лишь один из нескольких способов, которыми бактерии получают новые гены. Они также могут получать пакеты чужеродных генов через вирусы (трансдукция) или обмениваться длинными молекулами ДНК (даже целым геномом) через трубчатые структуры (конъюгация). Конъюгация больше всего похожа на то, что мы считаем сексом.

Создавая большое разнообразие генотипов, половое размножение по-прежнему кажется лучшей стратегией в долгосрочной перспективе — для позвоночных и беспозвоночных. В его отсутствие такие организмы, как крошечные ротиферы, вынуждены искать другие пути обогащения своего генофонда.

Вопреки ожиданиям, ротиферы не опровергают теорию о необходимости генетического разнообразия для эволюционного успеха, а блестяще её подтверждают.