Как и, главное, зачем природа разделила обитателей Земли на юношей и девушек, кошечек и котиков, овечек и барашков, мужские и женские кусты облепихи? В поисках ответа на этот вопрос можно случайно набрести на важнейшие законы развития жизни.
Весенние гендерные праздники 23 февраля и 8 марта несут населению нашей страны много радости: цветочные магазины делают за пару дней месячную выручку, а сержанты запаса получают законный повод рассказать несколько забавных, хоть и слегка затянутых историй времен срочной службы. На фоне всеобщего восторга едва можно различить маленькую радость биологов-популяризаторов: у них наконец-то появляется повод порассуждать о понятии пола — одной из сложнейших проблем биологии.
Разгадать загадку пола, над которой бились крупнейшие биологи мира, мы, конечно, не обещаем — в короткой статье мы и загадать-то ее толком не успеем. Но один вопрос разберем. Как природа решает, кому быть мальчиком, а кому девочкой?
Явление неизвестных
В нашем несправедливом мире пока не так уж много важных научных открытий сделано женщинами. Однако по иронии судьбы это как раз те открытия, которые сильно повлияли на будущее научных дисциплин. В теоретической физике Эмми Нётер первой догадалась, как фундаментальные законы природы выводятся из симметрии. А за полтора десятилетия до этого, в 1902 году, генетик Нетти Стивенс поняла, как комбинация хромосом X и Y определяет пол человека и других существ.
Сейчас это проходят в школе, но на всякий случай повторим: у девочек две хромосомы Х, у мальчиков Х и Y. Поэтому мальчики производят половые клетки двух типов, а при слиянии с одинаковыми девочкиными клетками опять получается XX или XY, причем в равных пропорциях.
Этот механизм выглядит таким изящным и законченным, что, казалось бы, его мог изобрести только Вселенский Разум, а уж никак не глупый естественный отбор. Сама Стивенс и ее коллеги понимали всё это так: на X- хромосоме находятся «женские» гены, на Y- хромосоме — «мужские», а когда есть и те и эти, то мужские гены — что казалось логичным на заре прошлого века — пересиливают.
Но стоило генетикам узнать чуть больше, и иллюзия божественного совершенства развеялась, оставив после себя густое недоумение. Оказалось, к примеру, что у многих организмов, в том числе у всемирно знаменитой мушки дрозофилы, на Y- хромосоме нет не то что мужских, а вообще никаких генов: ее пол определяется только числом Х - хромосом. Далее, у птиц и многих рептилий нету никаких хромосом Х и Y, зато есть Z и W, причем две одинаковые хромосомы ZZ бывают как раз у самцов, а не у самок. Некоторые, например крокодилы, вообще обходятся без таких сложностей: у них пол определяется тем, при какой температуре развиваются яйца. А уж у членистоногих в этом вопросе полная неразбериха. У пчел пол определяется числом хромосомных наборов, а два неприметных клопика, Lygaeus и Protenor, отличаются друг от друга в этом вопросе настолько радикально, что дали названия двум механизмам определения пола, встречающимся у самых разных животных.
Если все это придумал Вселенский Разум, он явно страдает склерозом: по всему выходит, что хромосомный механизм определения пола много раз возникал заново на разных ветвях жизни. Иногда при этом случались забавные курьезы.
Казус утконоса
У утконоса столько странностей, что, наверное, можно было бы издавать научно-популярный журнал, целиком посвященный ему (и, возможно, его подруге ехидне). Утиный клюв, ядовитая железа, отсутствие желудка, способность нести яйца… Но половые хромосомы — истинная жемчужина коллекции утконосовых причуд.
У утконоса не одна половая хромосома и не две, а целых десять — пять хромосом Х и пять Y. Нескромно интересоваться, зачем ему столько понадобилось (да это пока никому и не известно), однако один вопрос явно напрашивается: как утконос при этом умудряется рождаться либо мальчиком, либо девочкой, а не каким-либо промежуточным существом?
Дело в том, что важное свойство обычных Х- и Y- хромосом — то, что они совершенно не похожи друг на друга. Во время мейоза похожие хромосомы папы и мамы приникают друг к другу по всей длине и обмениваются участками, обеспечивая перемешивание родительских генов у потомков. Поэтому у голубоглазой блондинки-мамы и черноглазого брюнета-папы могут родиться голубоглазые брюнетки и кареглазые блондины. Но половые хромосомы Х и Y ничего такого при мейозе не делают, а просто расходятся в дочерние клетки в целости и сохранности. Из-за этого, собственно, бывают самцы и самки, но нет никаких промежуточных вариантов.
Если же половых хромосом целых десять, они могут перемешаться между собой самым причудливым образом, давая сотни промежуточных вариантов. Как утконос справляется с этой проблемой?
Над загадкой бились многие, но дальше всех продвинулся Фрэнк Грюцнер из Австралийского национального университета. Как оказалось, половые хромосомы утконоса не перемешиваются как попало именно потому, что они похожи друг на друга, но не целиком, а фрагментами на концах. Благодаря этому во время мейоза, когда обычные хромосомы предаются объятиям по всей длине и рекомбинируют, половые объединяются между собой «паровозиком», конец в конец — у утконоса-самца один «поезд» из Х- хромосом, второй из Y, — а потом расходятся по дочерним клеткам как единое целое.
Последний штрих в картину сексуальных причуд утконоса внесен учеными совсем недавно: оказалось, что утконосовы хромосомы Х и Y не родственны нашим, да и всех остальных млекопитающих, зато сильно похожи на хромосомы Z и W рептилий и птиц.
Если кому-то все это непонятно, ничего удивительного, потому что это сложно. Гораздо сложнее, чем можно было бы устроить, если бы природа постаралась чуть получше. Дело, по-видимому, в том, что природа вовсе не пыталась сделать все идеально. Ей надо было, чтобы утконосы рождались или самцами, или самками и чтобы самцов и самок было поровну. А уж каким способом, простым или сложным, это было достигнуто, ей было безразлично.
Для танго нужны двое
А кстати, почему полов обычно именно два и мальчиков должно быть столько же, сколько девочек?
Ну, положим, полов совсем не обязательно два. Например, у странного, похожего на гриб создания по имени слизевик физарум есть три гена, определяющие пол, и каждый из них способен иметь десятки вариантов. Любовь может возникнуть между двумя физарумами, отличающимися по каждому из генов, что при таком числе вариантов означает «практически кто с кем хочет». Это выгодно физаруму, потому что так, конечно, проще искать свою половинку.
Но эта святая простота возможна лишь потому, что у физарума (как, кстати, и у обычных грибов вроде подосиновиков или маслят) сливаются две абсолютно одинаковые клетки. Однако у большинства организмов половые клетки специализированы: женские большие и малоподвижные, мужские мелкие и шустрые. Это неспроста: именно при таком разделении труда, когда один родитель отвечает за запас необходимых детишкам питательных веществ, а второй за движение и поиск партнера, вероятность встречи будущих родителей максимальна. И как только специализация состоялась, уже нет никакой пользы в том, чтобы полов было больше двух. Заодно, кстати, отсюда же следует и некоторое неравноправие, или, скажем деликатнее, разделение социальных ролей.
Далее, почему мужского и женского пола должно рождаться поровну? Если подумать, это очень странно. Вот пример из жизни морских слонов. У них 4% самцов участвуют почти в 90% спариваний, остальным достаются лишь крошки с этого пира плоти. Казалось бы, не выгоднее ли морским слонам как виду наделать побольше дочерей, которые непременно в свой срок родят внуков, а самцов запланировать ровно столько, сколько нужно, чтобы никто не ушел обиженным? Но нет: у морских слонов, как и у подавляющего большинства существ, самцов и самок рождается поровну, и многие самцы обречены на муки целибата.
О том, почему это так, догадался английский генетик Роналд Фишер. Фокус в том, что генетические вклады отца и матери в потомство в точности равны. А значит, если в каком-то поколении родится больше самок, выгоду получат те родители, которые родили самцов. Стоит равновесию отклониться в одну сторону, и естественный отбор твердой рукой возвращает его на место. Соотношение полов 1:1, возможно, и не самое оптимальное решение для конкретных видов или популяций, зато это единственный устойчивый компромисс между интересами эгоистичных генов, каждый из которых желает появиться в следующем поколении с наибольшей вероятностью.
Девичник у леммингов
Впрочем, в правилах всегда есть исключения, и правило «мальчиков и девочек — поровну» тоже не абсолютно. Вот, например, что случилось у леммингов.
У их предков были обычные половые хромосомы X и Y, но однажды некая амбициозная хромосома Х вышла из-под контроля. Она мутировала, да так, что получилась особая W- хромосома. У нее появилось зловредное свойство — отменять действие хромосомы Y, так что особи WY (как, впрочем, и WX и ХХ) рождаются и живут свою лемминговую жизнь самками. Ради чего это ей? Да просто потому, что в браке WY и XY целых две трети потомков будут нести мятежную хромосому, поскольку YY вообще не жильцы.
Побочный эффект — преобладание самок в популяции. В браке WY и XY самок будет ⅔, а у WX и XY — целых ¾.
Зоологи долго думали, хорошо ли это для леммингов. Вероятно, в голодные годы виду выгодно, если родится побольше самок, способных родить детенышей, а лишние самцы не станут переводить ценные питательные ресурсы. Однако точку поставили биологи-теоретики: моделирование показало, что здесь дело опять не в эфемерной общественной пользе, а в балансе интересов. Если бы самцы в знак протеста начали производить больше сперматозоидов с Y- хромосомой, дабы восстановить баланс, то самцов в популяции становилось бы не больше, а меньше. Настырный и недоверчивый читатель может убедиться в этом с карандашом в руках. Так лемминги еще раз продемонстрировали всем (включая креационистов), насколько ненадежны, грубы, оппортунистичны, избыточно сложны и чреваты злоупотреблениями все изобретения природы, включая хромосомное определение пола.
Гендерное разнообразие
Истории с утконосом и леммингами показывают, что с половыми хромосомами в процессе эволюции происходило немало интересного. Например, пока мы с вами эволюционировали из рептилий, у наших предков полностью сменился механизм определения пола, и хромосомы X и Y возникли практически на пустом месте. Как такое могло случиться? Подсмотреть за интимной жизнью юрских цинодонтов ученые, к сожалению, уже не могут. Зато некоторые сюжеты, имеющие отношение к происхождению половых хромосом, можно наблюдать прямо сейчас, и зоологи не упускают таких возможностей.
К примеру, живет в Канаде небольшая птичка по имени зонотрихия, или белогорлый воробей. У некоторых зонотрихий на голове белые полоски, а у других бежевые. Воробьи с белыми полосками ведут себя по-донжуански: звучно и громко чирикают в период ухаживания, однако к потомству относятся наплевательски — при первой возможности бросают семью. А вот птички с бежевыми полосками скромны в отношениях с противоположным полом, зато потом превращаются в опору семьи и образец родительства.
Дальше еще интереснее: и те и другие зонотрихии могут быть и самцами, и самками. Кто-то может подумать, что если встречаются самец и самка с бежевыми украшениями, то у них возникает идеальная семья до гроба. Но, увы, такого с зонотрихиями вообще не бывает. Воробьи-гуляки спариваются только с воробьихами-скромницами, и наоборот.
Раз уж наша заметка посвящена празднику гендерного равноправия, в ней большую роль играют женщины-ученые. Так вот, историю зонотрихий распутала в 2010-х биолог Элейна Татл. К несчастью, она умерла от неизлечимой болезни всего через несколько лет после выхода своей главной статьи, в которой тайна белогорлого воробья была блистательно раскрыта.
Оказалось, что полоски на голове — признак, кодируемый не половой, а обычной хромосомой номер два. Вариант хромосомы, определяющий распутное поведение и яркий белый узор, содержит большой перевернутый кусок. Такая хромосома не может обмениваться участками с обычной, а потому этот набор признаков, включающий окраску и репродуктивное поведение, обречен сохраняться в популяции в целости и сохранности. Белогорлый воробей может быть или таким, или этаким, без промежуточных вариантов.
У белоголовых птичек есть одна нормальная вторая хромосома и одна хромосома-перевертыш. От брака с бежевыми скромниками (у которых обе хромосомы обычные) половина птенцов рождаются скромниками, а половина — распутниками. Это работает в точности как хромосомное определение пола и даже неким образом влияет на гендерные роли, только при этом у зонотрихии есть и обычные половые
хромосомы, которые тоже делают свою часть работы.
Итак, прямо сейчас у зонотрихий существует фактически тетраполярный пол, как у гриба боровика. Вряд ли это надолго: возможно, инверсия второй хромосомы в ходе эволюции исчезнет, а может быть, наоборот, эта хромосома со временем возьмет на себя все функции половой. Предсказать исход эволюции невозможно: она и сама не знает, куда заведут ее все эти безумные сексуальные эксперименты.
Этот пример показывает, что даже у птиц биологический пол и гендерные роли не всегда одно и то же. Тут нельзя не упомянуть еще об одном рекордсмене половых странностей — болотной птичке турухтане.
У турухтанов есть совершенно обычные самки, а еще есть целых три типа самцов. Их различие — опять же в структуре обычной, неполовой хромосомы. Первый — и, видимо, существовавший изначально — тип самцов ведет себя традиционно: защищает территорию и собирает гарем. Второй тип берет на себя роль вассала: обитает на чужой территории и спаривается с самками из гарема тайком, при благоприятной конъюнктуре. Поскольку такие самцы отличаются оперением, доминантные самцы терпят их и бьют не так зверски, как друг друга.
Наконец, третий тип самцов по оперению не отличим от самок. Они выбрали совсем уж неприличную тактику: во время акта любви доминантного самца стараются влезть между ним и самкой, так что вместо главы семьи даму оплодотворяет самозванец, а благородное семя законного мужа попадает сами понимаете куда.
Когда читатель оправится от шока, ему важно запомнить, что здесь опять произошла мутация в неполовой хромосоме, грубо вмешавшаяся в обычный патриархальный порядок и определившая репродуктивное поведение. До возникновения нового пола турухтану, конечно, еще далеко, но проиллюстрировать странности природы он уже вполне способен.
Зачем вообще все это нужно
Вся эта путаница из генов и хромосом может на время отвлечь читателя от главного вопроса: а зачем вообще нужно половое размножение? Ученые уже полтора столетия ищут ответ и к окончательному решению пока не пришли. Зачем нужен мужской пол, если рожают детей (или производят семена, если вы облепиха) только женщины? Зачем природе платить двойную цену за то же самое число потомков?
Понятно, что половое размножение — и особенно мейоз, при котором происходит перемешивание родительских генов, — помогает избавляться от вредных мутаций, а также создает новые комбинации признаков. Однако все модели, которые призваны это объяснить, исходят из частных предположений насчет обстоятельств жизни тех или иных организмов — например, интенсивности отбора или численности популяций. Но половое размножение — общее свойство сложной многоклеточной жизни на Земле, от подберезовика до березы и от червяка до шимпанзе. Хочется объяснить все это одним махом, просто и изящно. Хочется, но пока не можется.
О том, что природа совсем не рада платить «двойную цену» за любовь и романтику, можно видеть по тому, насколько охотно она отказывается это делать при первой же возможности. На самых разных ветвях древа жизни организмы то и дело отказываются от полового размножения — и, кажется, празднуют немедленный эволюционный успех. Никто бы не рискнул, к примеру, назвать эволюционным лузером одуванчик. Между тем он решительно отказался от пола и связанных с ним сложностей. Что ему за это будет?
Это пока неизвестно, но есть основание полагать, что наказание последует, и оно будет жестоким. Все организмы, отказавшиеся от пола, объединяет одно свойство: они сделали это сравнительно недавно. Тот же одуванчик сохраняет признаки, явно предназначенные для полового размножения, в том числе яркие цветы и привлекательность для насекомых-опылителей. На всех ветвях жизни бесполые организмы — будь то ящерица хлыстохвост или гриб пеницилл — всегда имеют близких родственников, размножающихся вполне традиционно.
Отсюда биологи делают резонный вывод, что у этих существ нет эволюционного будущего. Видимо, фатальное решение отказаться от пола принимали многие и не раз, но до нашего времени дожили лишь те, кто сделал это недавно и еще не успел ужаснуться последствиям содеянного. А значит, пол необходим природе позарез. Просто мы пока не поняли зачем.
Тайное распутство коловраток
Это рассуждение до недавних времен портил единственный контрпример. Нет, наверное, ни одной научно-популярной книги о проблеме пола, где бы не упоминалась бделлоидная коловратка. Это невзрачное крохотное существо по всем признаком совершенно лишено способности к половому размножению (все коловратки — самки), и оно находится в таком состоянии уже как минимум несколько десятков миллионов лет. Но не вымирает!
Зоологи следили за коловратками куда более пристально, чем воспитатели следят за воспитанницами католических интернатов, и каждая исследовательская группа лишь подтверждала: нет, коловратки и правда целомудренны, ничего такого у них не было и не бывает, потому что никто никогда не видел среди них ни одного самца. А это значит, что феномен коловраток надо как-то объяснить или признать, что он бросает вызов всем эволюционным теориям, постулирующим, что без полового размножения жить никак нельзя. Чтобы доказать необходимость пола, эволюционисты привлекали сложнейшие расчеты и компьютерные модели, но опровергнуть их мог один-единственный пример. Целомудренные коловратки грозили пустить псу под хвост титаническую работу биологов-теоретиков.
А в конце прошлого года случился катарсис. Группа биологов из России и США при участии всемирно известного теоретика-эволюциониста Алексея Кондрашова проанализировала геномы нескольких видов коловраток и сравнила их друг с другом. С помощью зубодробительной математики удалось выяснить, что генетические различия невозможно объяснить иначе как с помощью обмена генами. Более того, очень похоже на то, что этот обмен происходил не каким-то диковинным способом (например, одна коловратка съела другую и встроила себе ее ген), а с помощью самого традиционного мейоза, как у нас с вами.
Можно, конечно, сказать, что не пойман — не вор. Самцов-коловраток так никто и не увидел, и уж тем более никто не застиг маленьких проказников в момент интимной близости. Но современные генетики верят математике больше, чем собственным глазам. А это значит, что коловратки больше не омрачают попыток ученых понять, зачем всему живому на планете нужен пол.
Вот зачем: во-первых, с ним интереснее. А во-вторых, если начать разбираться в подробностях — можно увидеть захватывающую сложность жизни на нашей планете. По сумме первого и второго оно явно того стоит.
Фото: SCIENCE PHOTO LIBRARY (3) / LEGION MEDIA; GETTY IMAGES (1); YAY (1) / ТАСС; ARDEA PICTURE LIBRARY (1) / EAST NEWS
Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 2, март 2021
