Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексей Алексенко
Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии читать книгу онлайн
Величайшие биологи прошлого пытались разобраться в том, для чего живым существам нужно половое размножение, как оно возникло, какую пользу принесло и почему не исчезло. В книге «Секс с учеными» рассказывается, как ученые попытались связать секс с мутационным процессом и в результате создали целую область науки – популяционную генетику. Речь заходит о разделении на два пола, в котором ничего нельзя понять без теории игр, и половых хромосомах, вокруг которых закручиваются увлекательные сюжеты из молекулярной биологии. Затем повествование переходит к мейозу, о котором до сих было крайне затруднительно прочитать что-то понятное неспециалистам. В связи с ним затрагивается и важнейший вопрос современной науки – происхождение жизни на Земле. Наконец, нашлось в книге место и для обсуждения роли секса в жизни общества, о которой все вроде бы давным-давно написано, но лишняя пара глав никому не повредит.
Будет ли обладать эволюционным преимуществом мутация к бесполому размножению у человека? Девушка, получившая в дар от природы способность беременеть просто так, без всякого внешнего повода, скорее всего, станет большой проблемой для медиков и/или социальных служб. Хотя, конечно, романтические фантазии о новом продвинутом разумном виде вроде «Славных Подруг» из романа братьев Стругацких «Улитка на склоне» тоже имеют право на существование.
Для кого
Для всех, кто хочет понять, для чего нужно живым существам половое размножение, как оно возникло, какую пользу принесло и почему не исчезло в процессе эволюции. Эта книга для тех, кто интересуется биологией и генетикой и готов вместе с учеными искать ответы на неразгаданные загадки эволюции.
Каждый сперматозоид Льва Николаевича нес в себе ровно половину его диплоидного генома. За всю его жизнь тринадцать сперматозоидов слились с тринадцатью яйцеклетками его супруги, так что следующему поколению перешло тринадцать половинок генома писателя.
В начале этой главы были упомянуты твари, которых праотец Ной взял на свой ковчег во время потопа: это были гады, то есть рептилии, а также млекопитающие и птицы, которые, как выяснилось позже, от них произошли. Наверное, пора сказать, что на сегодняшний день история половых хромосом на этой эволюционной ветке в общих чертах начала проясняться. Что касается птиц, наши с ними пути разошлись примерно 310 млн лет назад. В родословной птиц с половыми хромосомами никаких роковых пертурбаций не произошло: все птичьи хромосомы Z и W родственны друг другу. Более того, вполне возможно, что подобная конструкция работала и у общих предков млекопитающих. Почему об этом можно судить? Потому что все десять половых хромосом утконоса сохранили сходство именно с птичьими половыми хромосомами. При этом млекопитающим показалось уместным сразу же изменить систему с ZW на XY и больше не отступать от этого правила. Общий предок ехидны и автора этой книги жил на Земле около 160 млн лет назад.
А в следующие 15 млн лет у наших предков случилась небольшая революция: последовательности ДНК из птичьих половых хромосом утратили свой статус и стали обычными аутосомами. Мы, люди, сохранили их у себя на пятой и, как было упомянуто выше, девятой паре хромосом. Высокая миссия определения пола перешла к другой паре хромосом – той, что у современных нам цыплят-бройлеров называется четвертой. Именно из четвертой куриной хромосомы сделаны X и Y у кенгуру. Наша человеческая хромосома Y тоже хранит память о четвертой хромосоме курицы. Что касается X, в линии плацентарных млекопитающих, которые отделились от сумчатых примерно 148 млн лет назад, эта хромосома с тех пор получила еще один дополнительный кусок – он сильно напоминает первую аутосому курицы. Можно только догадываться, какими милыми половыми причудами сопровождалась у наших предков эта передача функций от одной хромосомы к другой. Возможно, там все было куда драматичнее, чем у сегодняшних воробьиных овсянок. И кто-то, наверное, тоже бубнил, что из этой затеи ничего не получится.
Ах ну да, 150 млн лет назад еще не было скептически настроенных зоологов. Никто не говорил под руку, вот и закончилось все удачно.
БИБЛИОГРАФИЯ
Abbott J. K., Nordén A. K., Hansson B. Sex Chromosome Evolution: Historical Insights and Future Perspectives. Proceedings. Biological Sciences. 2017. 284(1854): 20162806.
Deakin J. E., Ezaz T. Understanding the Evolution of Reptile Chromosomes through Applications of Combined Cytogenetics and Genomics Approaches. Cytogenetic and Genome Research. 2019. 157(1–2): 7–20.
Li J., Zhang J., Liu J., et al. A New Duck Genome Reveals Conserved and Convergently Evolved Chromosome Architectures of Birds and Mammals. GigaScience. 2021. 10(1): giaa142.
Liu J., Wang Z., Li J., et al. A New Emu Genome Illuminates the Evolution of Genome Configuration and Nuclear Architecture of Avian Chromosomes. Genome Research. 2021. 31(3): 497–511.
Livernois A., Graves J., Waters P. The Origin and Evolution of Vertebrate Sex Chromosomes and Dosage Compensation. Heredity. 2012. 108(1): 50–58.
Long J. Hung Like an Argentine Duck: A Journey Back in Time to the Origins of Sexual Intimacy. Sidney: Harper Collins AU, 2011. (Лонг Дж. Утки тоже делают это / Пер. З. Зарифовой. – М.: Центрполиграф, 2015.)
Matthey R., van Brink J. M. Sex Chromosomes in Amniota. Evolution. 1957. 11(2): 163–165.
Young E. Genes Versus Heat – a Reptile Sex Trigger. https://www.newscientist.com/article/dn11669genes-versus-heat-a-reptile-sex-trigger
Zhou Y., Shearwin-Whyatt L., Li J., et al. Platypus and Echidna Genomes Reveal Mammalian Biology and Evolution. Nature. 2021. 592(7856): 756–762.
Глава двадцатая, в которой вымирание мужчин временно откладывается
Деградация половых хромосом
Хотелось бы уже подвести черту под темой половых хромосом, тем более что, как мы уже узнали, главная развилка в выборе гендерной идентичности связана с ними довольно опосредованно, а самое интересное происходит на хромосоме 17. Однако половые хромосомы выстроили себе такую репутацию в научно-популярной прессе, что отмахнуться от них не получается. Например, время от времени, примерно раз в год, появляется новость, что человеческая Y-хромосома обречена на исчезновение, а значит, исчезнет и сам мужской пол. Эту чепуху так или иначе придется обсудить. Дело не в том, что следует откликаться на любую нелепость, появляющуюся в научно-популярных медиа, а просто это неплохой повод, чтобы еще раз cказать, что половые хромосомы и правда особенные. Их проблема – в их одиночестве.
Некоторое время назад было принято смеяться над известной цитатой про «лишнюю хромосому» русского народа. Увы, многое из того, что когда-то выглядело смешным, оказалось грустным. Поэтому обойдемся как-нибудь без этой шутки, а просто скажем: и X-, и Y-хромосома именно лишние, каждая в своем собственном смысле.
Начнем с Y, с ней все проще: ее проблема в том, что она никогда, ни в какой клетке не встречает свою пару. То есть формально ее пара – Х-хромосома, и когда-то они были очень похожи, потому что они были просто парой аутосом (видимо, с этого начинались эволюционные истории всех X и Y, а также Z и W у всех земных тварей). Но потом с ними случилось то самое событие, которое превратило их в половые хромосомы, – инверсия или другая крупная перестройка, не позволяющая им прижиматься друг к другу в мейозе и обмениваться участками. Это важно для половых хромосом, потому что признаки полов не должны перемешиваться друг с другом. И если у Х-хромосом еще был шанс заняться рекомбинацией с себе подобными в женских клетках, то для Y-хромосомы все было кончено.
Вообразите, какая ирония: вся эта история с сексом нужна, как мы предполагали, только для того, чтобы организмы могли перемешивать свои гены и за счет этого избавляться от мутационного груза. И вот надо же, что именно та хромосома, которая непосредственно отвечает за этот самый секс, такой привилегии лишена. А это значит, что все те ужасы, которые, как думали многие биологи, сопряжены с отказом от секса, – вроде храповика Мёллера и тому подобных вещей – должны неумолимо вступить в действие. Если наши гипотезы о роли секса верны, то в Y-хромосоме должны стремительно накапливаться вредные мутации и те гены, которым выпала судьба оказаться на этой хромосоме, обречены на уничтожение. Возможно, эти гипотезы действительно недалеки от истины, потому что ровно это и наблюдается: на Y-хромосомах разных существ часто остается не так уж много генов. На человеческой, к примеру, всего несколько десятков против полутора тысяч на ее бывшей паре Х. А у лабораторной дрозофилы и того меньше.
Итак, за Y-хромосому впору начать беспокоиться. Впрочем, у нее есть и другие проблемы, кроме накопления вредных мутаций. Например, при мейозе (о котором речь пойдет в третьей части) каждая хромосома должна найти свою пару и образовать с ней, как говорят цитологи, бивалент. За тем, чтобы этот процесс прошел без сбоев, следит особый клеточный механизм. Чтобы Y и X не потеряли друг друга окончательно в клеточных пучинах, у них есть небольшие участки сходства (псевдоаутосомные области), которыми они кое-как могут зацепиться друг за друга, но клетку подобная дешевая имитация не устраивает: если вы не сделали все как полагается, а только обозначили контакт, через мейоз вас не пропустят. Чтобы договориться с клеточным контроллером, существует особый белок, кодируемый у человека опять же Y-хромосомой. Он умеет обманывать контроль, создавая видимость, что у хромосомы все нормально и она готова к редукционному делению.
В Y-хромосоме есть и еще один фокус, также призванный, видимо, имитировать секс (то есть в данном случае соединение гомологичных хромосом) при полном отсутствии партнера. Это выяснилось, когда были расшифрованы первые полные последовательности Y-хромосомы. Расшифровать их, кстати, было совсем не просто, и, когда звучали первые триумфальные сообщения о полной расшифровке генома то человека, то мухи, в них была доля лукавства: на самом деле большая часть Y-хромосомы в этих данных отсутствовала. Дело вот в чем: значительная часть Y-хромосомы состоит из повторяющихся последовательностей. А перед такими последовательностями традиционный инструментарий расшифровщиков бессилен. Наверное, тут придется
