Для чого потрібно статеве розмноження або Чому любов додає розуму ...

1

І ось тепер, тремтячи від жалю і спека,

Одно: завити як вовк, одне: до ніг припасти,

потупити - Зрозуміти - що хтивості кара -

Жорстока любов і каторжна пристрасть.

М. Цвєтаєва

А дійсно: за що ця страшна кара? Навіщо ці шалені страждання, ця вічна, жорстока війна підлог? Хіба природа не могла б обійтися без таких мук? "І ненавиджу, й люблю," - в розпачі вигукнув Гай Валерій Катулл, змучений Лесбі. "Але щоб тривала життя моє,/я вранці повинен бути впевнений,/що з Вами вдень побачуся я ". Це вже, як пам'ятаєте, Онєгін, а точніше А.С. Пушкін. "Зніми долоню з моїх грудей, ми - проводи під струмом ... "- благав кохану Борис Пастернак. Вся світова література ... та що там література - вся світова історія, - Саме про те ж!

"Для чого потрібно статеве розмноження? "- якось запитав я у старшокласників Пущинская екологічного ліцею. "Для задоволення!" - Хором заволали вони. Наївні! Яке вже тут задоволення, якщо все це можна було б набагато простіше, спокійніше і, головне, ефективніше. Наприклад, простим поділом. Або, на крайній випадок, брунькуванням.

Нехай початково є два організму. І нехай кожен з них розмножується самостійно поділом. У першому поколінні вони дадуть чотири особи, у другому - вісім. І так далі, поки вся Земля не заповниться ними. А при статевому розмноженні? Як вчить нас великий еволюціоніст сучасності Мейнард Сміт, статеве розмноження знижує репродуктивний вихід на 50% (J. Maynard Smith, Evolution of Sex, 1978). Значить, у порівнянні з безстатевим, статеве розмноження куди менш продуктивно і, отже, з точки зору еволюції, неконкурентоспроможною. Тому, виходячи з найпростіших моделей і розрахунків, статевого розмноження взагалі бути не повинно.

2

Як ж ні Любові?

І. Бунін

Першим, хто висловив припущення, для чого потрібно статеве розмноження, був Август Вейсманом, який в 1886 році на з'їзді німецьких природознавців і лікарів виголосив промову "Значення статевого розмноження для теорії відбору". Припущення було досить загальним: статеве розмноження необхідно, щоб прискорити поширення корисних мутацій серед особин популяції. І дійсно, при безстатевому розмноженні мутації, що виникли в організму (причому як корисні, так і шкідливі), передаються потомству з покоління в покоління по типу клона, лінійно, а от при статевому розмноженні, за рахунок передачі генів при схрещуванні, тим більш вільних, мутації можуть швидко поширитися в популяції виду. Якщо таким чином будуть поширюватися саме корисні мутації, то прогресивна еволюція увазі забезпечена.

В Загалом, як справедливо припускав основоположник "вейсманізма-морганізма", статеве розмноження потрібно для збільшення швидкості еволюційного пристосування організмів, тобто для їх кращої адаптації до мінливих умов зовнішнього середовища. Так що перша відповідь: статеве розмноження потрібно для збільшення різноманітності. Генетичного, зрозуміло. І тим самим - для збільшення шансів, що якісь мутації виявляться корисними. (В дужках зазначимо, що швидкість адаптації організмів і збільшення генетичного різноманіття видів не завжди одне і те ж, але в теорії еволюції передбачається, що ці процеси скорреліровани.)

Здавалося б, при статевому розмноженні повинна збільшуватися швидкість поширення в популяції всяких мутацій - і корисних, і шкідливих, які, відповідно, будуть надавати небудь корисне, або шкідливу дію Але це не так: корисні мутації тут в певному виграші. Згадаймо: основа статевого розмноження - це те, що соматичні клітини диплоїдні, тобто несуть два набори генів, батьківський і материнський, а статеві клітини, або гамети, - гаплоїдний. Диплоїдної означає, що кожна хромосома існує в двох копіях, а гаплоїдного - що в одній. Таким чином, у диплоїдних клітинах майже вся генетична інформація в принципі задублірована, а саме: кожен ген присутній у двох копіях (алелі), нехай не завжди абсолютно ідентичних. (Зверніть увагу на курсив: це те саме рушниця, яка оглушливо вистрілить в кінці п'єси).

Отже, якщо в одному з двох гомологічних генів (алелей) виникне шкідлива мутація, то її дія може бути скомпенсовано іншим, нормальним, алелей. Це так звані рецесивні (не виявляються в диплоїдної стані) мутації. Їх більшість, проте бувають і домінантні мутації, які пригнічують дію нормального алелі. Але в цілому - подвійний набір хромосом - це підвищення надійності -- шкідливі мутації мають багато шансів не виявитися. Але яке це має відношення до полому розмноженню?

Новий організм виникає, коли об'єднуються чоловіча та жіноча гаплоїдні гамети, тобто виникає диплоїдні зигота. У ній один з кожної пари хромосом отримана від батька, а інша від матері. Отже, при статевому розмноженні, за рахунок утворення нових комбінацій пар гомологічних хромосом, різко підвищується ймовірність того, що шкідлива мутація, якщо вона рецесивна, опиниться в компанії з нормальним гомологічних геном і тому не виявиться. Це друга причина, для чого потрібно статеве розмноження: для зменшення впливу шкідливих мутацій за рахунок утворення гетерозиготності. На неї вперше, в 1988 році, вказав А.С. Кондрашов, тоді працював у біологічного центру АН СРСР в Пущино-на-Оке (не часто наші співвітчизники публікують статті в самому престижному журналі світу, см. Nature, 1988, 336, 435).

Однак шкідливі рецесивні мутації, будучи в гетерозиготному, сховищі, стані, не тільки зберігаються, а й, завдяки саме статевого розмноження, безперервно накопичуються в низці поколінь. Тобто саме через схрещувань (тобто, вибачте, любові). І скільки ж у нас, людей, цих самих шкідливих генів? Розрахунки А.С. Кондрашова, що стосуються накопичення потенційно летальних мутацій у нашому геномі, дали йому привід до цілком зрозумілому здивування (що виразилося у заголовку його статті): "... Чому ми не померли 100 раз?"

Напевно, не буде великою помилкою, якщо припустити, що для цього теж є вагома причина. Третя. Поряд з досить гарною мутацією може виявитися дуже погана. І яке ж тоді "талановитому" гену серед сірого натовпу "озлобленно бездарних"?

3

І підгадали же мене чорт з душею і талантом народитися в Росії.

А. С. Пушкін

Третю причину в 2001 році виявили американські генетики В. Райс і А. Чіппіндейл, проводили досліди з дрозофілами. Однак перед цим - кілька слів про генетичну рекомбінації.

Рекомбінація - Це обмін генами (ділянками ДНК), що відбувається після утворення зиготи, в парі гомологічних хромосом, отриманих від батьків. Наприклад, якщо початково в одній хромосомі даної пари були гени ABCD, а в гомологічною хромосомі - їх аллели (модифікації) abcd, то в результаті рекомбінації може вийти так: AbCd в одній хромосомі і aBcD в іншій. І ось результат: з-за таких переміщень багато генів раптом опиняються в новому генетичному оточенні. І не тільки в новому оточенні, але і в нових відносинах зі своїми алельних, розташованими в гомологічною хромосомі партнерами. Це дуже важливо, оскільки, не виключено, при наступному циклі розмноження в гаметах вже будуть міститися хромосоми з новими комбінаціями генів - новими, якщо порівнювати з вихідними, батьківськими. І так далі. Тобто діти, онуки, правнуки etc будуть послідовно нести всі нові комбінації з генами ABCD/abcd.

Це вихідний теоретичний момент. А що у фіналі? А у фіналі те, що (не дивуйтеся!) в нових комбінаціях генів конкретної пари хромосом може виявитися менше генів з шкідливими мутаціями. От саме це, по суті, і виявили Райс і Чіппіндейл. В експериментах вони отримали дрозофіл, у яких зовсім були відсутні генетичні рекомбінації. Таких дрозофіл в низці поколінь порівнювали з нормальними мушками, тобто рекомбінує. І виявилося, що рекомбінація генів між гомологами може перемістити корисну мутацію з, так сказати, поганого генетичного фону (або контексту) в хороший контекст. А це -- при подальшій передачі хромосоми з такою мутацією в ході послідовного розмноження - позбавить корисну мутацію від шкідливого генетичного фону (Science, 2001, 294, 555).

Іншими словами, при статевому розмноженні в ряду поколінь відбувається поступове звільнення корисних мутацій від шкідливих. Спасибо рекомбінації. І - статевою розмноження. Хтось дотепно і вірно назвав цей феномен "чищенням геному". Ось вам, як було заявлено вище, і третя причина, для чого необхідно статеве розмноження.

Але є ще дві причини. Жінки їх знають.

Але мовчать. Тому що "ця таємниця велика є".

4

Я був тільки тим, чого

стосувалася твоя рука ...

Йосип Бродський

Подальший пасаж чоловікам може здатися катастрофічним (удар нижче пояса!), але це, схоже, так: тому, що у людської раси є інтелект, ми зобов'язані жінкам. Точніше, їх генетичної організації і "генетичним перевагам".

І перша причина цього в тому, що серед пари статевих хромосом у жінок дві однакові хромосоми (XX), а у чоловіків дві різні: одна Х, а інший, суто чоловіче, власне і визначає стать, - Y. Таким чином, жінки з усіх хромосомам диплоїдні, а ми, чоловіки, немає: ми диплоїдні по всіх хромосомами, крім статевих - адже у нас тільки одна Х-хромосома. Але у жінок, так само, як і у чоловіків працює тільки одна хромосома, на ранніх стадіях ембріонального розвитку жіночого організму один з двох Х хромосом інактивується - яка саме - вирішує випадок. І, таким чином, якщо в одній з двох жіночих Х-хромосом, є яка-небудь мутація, хороша чи погана - все одно, то ймовірність, що вона проявиться - 50%, а у чоловіків, в їх єдиною Х-хромосомі - всі 100. І хоча у жінок одна з Х-хромосом (транскрипційної) неактивна (із-за того, що над-сконденсувати), тим не менше - потомству вона передається і активної стати може.

Приготуйтеся: зараз несподівано вистрілить чеховські рушницю, повішене на початку цієї статті!. А в Х-хромосомах, як з'ясовується, зосереджені гени інтелекту. Перші вказівки, що це саме так, з'явилися ще до початку ери молекулярної діагностики ДНК. Втім, все по порядку.

По-перше, крива розподілу значень коефіцієнта інтелектуальності (IQ) серед чоловіків має широкий діапазон - як в області низьких значень інтелектуальності, так і в області високих. А ось серед жінок ця крива більш компактна, спектр значень IQ ближче, ніж у чоловіків, до середніх значень у популяції; загалом, менше дисперсія, тобто менше крайніх варіантів в обидві сторони і більше якщо не середні, то "центральних".

По-друге, у чоловіків психічні захворювання зустрічаються на 30% частіше, ніж у жінок. Зрозуміло, якщо мутації, що змінюють інтелектуальність або призводять до ментальним порушень дійсно часто відбуваються в Х-хромосомі, то жінки на 50% "Застраховані" від їх прояви. Чому у жінок психічні захворювання зустрічають тільки на 30% менше, ніж у чоловіків, а не на всі 50%? Тому що не всі гени "ментальності" розташовані в Х-хромосомах, а більшість. Яка доля!? Чи буде сказано нижче.

В третє, як вже давно з'ясували медичні генетики, гени, що призводять до психічних захворювань, частіше передаються дітям від матері, ніж від батька, хоча в самих таких матерів психічні захворювання часто не виявляються. Теж зрозуміло. Ну а з настанням масової молекулярної діагностики хромосом людини отримані речові докази, що, по-четверте, дуже багато мутації, що приводять до психічних захворювань дійсно квартира в Х-хромосомах.

Кожні два роки, починаючи з 1984-го, робочі наради медичних генетиків поповнюють список пов'язаних з Х-хромосомою синдромів, що викликають ментальні порушення (X-chromosomal syndromes associated with mental disability). До 2001 р. таких синдромів налічувалося вже 202 з 958 усіх відомих Це означає, що приблизно 21,1% всіх ментальних порушень викликані мутаціями в Х-хромосомі. А з результатів секвенування геному людини випливає, що тільки 3,7% всіх його генів розташовані в Х хромосомі, отже - в Х-хромосомі кодування ментальних характеристик приблизно в 6 разів вище, ніж у аутосомах. При цьому в індивідуальних генах Х-хромосом, що кодують ментальні характеристики, існують різні аллели, мутації яких призводять до ментальних порушень. В цілому, детальна статистична обробка показала, мутації Х-хромосоми в 3.1 рази частіше приводять до ментальним порушень, ніж мутації у всіх інших генах інших хромосом. 9 з більш, ніж 100 "ментальних" генів Х-хромосоми вже клоновані, як і очікувалося, вони активно працюють саме в мозку і кодують білки, відповідальні за, наприклад, стабілізацію мРНК, за організацію цитоскелету, за передачу регуляторних сигналів між нейронами. Ця група генів відносяться до найбільш законсервовани