10.07.2016. - Пол - молекулярное чудо

Пол - молекулярное чудо

По сути пол представляет собой процесс генетического смешивания: в результате возникают уникальные наборы генов и комбинации характеристик, которых нет ни у одного из родителей. У эукариот (таких организмов, как животные и растения) молекулярный механизм рекомбинации намеренно разбивает хромосомы на части лишь для того, чтобы воссоединить фрагменты материнского и отцовского происхождения в новые сочетания, которые затем передаются потомству: своего рода процесс молекулярного волшебства, на протяжении миллиардов лет эволюционных проб и ошибок достигший своего совершенства.

Но биологов привлекает не столько выработка молекулярных рекомбинаций, сколько тот факт, что генетическое смешивание развилось в первую очередь именно в форме пола, несмотря на громоздкость и большие затраты этого предприятия. Эволюционные теоретики сходятся на том, что клонирование во многих отношениях является более эффективным способом размножения, который в мире, где правит естественный отбор, должен был без труда вытеснить пол. Бесполая самка, к примеру, произвела бы на свет в два раза больше потомства, чем та, у которой пол имеется, и ей бы не грозило бремя супружества или поиска подходящих брачных партнеров.

Пол неизвестен у бактерий — простейших и самых древних живых клеток на Земле — которые размножаются простым делением на две. Эволюционировавшие значительно позднее эукариоты построены из гораздо более крупных и очень сложных клеток, их внутренности полны органоидами и мембранными лабиринтами, где жужжат сложные молекулярные механизмы и действуют целые погрузочно-транспортные сети. В отличие от бактерий, очень не многие виды эукариот возвращаются к строгой бесполости, а те, у кого это происходит, кажется, не могут похвастаться долговечностью на эволюционной временной шкале. Пол требует больших затрат, но, как выясняется, также имеет важное значение для долгосрочного выживания в сложных условиях.

Целый ряд талантливых теоретиков стремятся понять, почему. В научных журналах и учебниках приводятся бесчисленное множество объяснений — начиная с того, что пол порождает изменения и ускоряет процесс адаптации, вплоть до математических моделей, демонстрирующих, что перетасовка генов укрепляет устойчивость к паразитам и замедляет накопление опасных генетических дефектов. Но и несмотря на огромное внимание, уделяемое этому вопросу на протяжении многих лет, он до сих пор считается неразрешенным.

Почему?

Ни одну из канонических гипотез нельзя назвать в корне неверной; напротив, многие из них подтверждаются экспериментальными данными, число которых продолжает расти. Но классические версии были разработаны на основе данных о современных эукариотах и способны объяснить лишь современную часть эволюционной загадки — почему пол продолжает существовать у современных сложных организмов. Они не говорят нам о том, почему и как он возник первоначально.

Эта несоразмерность, однако, не должна быть сюрпризом. Классические теории формулировались тогда, когда были еще не известны эволюционные сроки происхождения пола, а взгляды на происхождение самой сложной клетки могли быть ошибочными. Предположение о том, что пол возник у организмов, напоминающих современных эукариот, на самом деле выглядело вполне разумным; существовала даже группа вроде бы древних тварей — членов так называемой Archezoa, таких как лямблия — которые на один эволюционный шаг отставали от современных сложных организмов и считались одновременно эукариотами и примитивно бесполыми.

Но за последние несколько десятилетий произошел коренной сдвиг в понимании того, как на планете зародились сложные формы жизни. Все Archezoa оказались вторично упрощенными вариантами клеток, таких же сложных, как любой другой из живущих ныне одноклеточных эукариот. Анализ набора генов показал, что гены, необходимые для полового размножения, пронизывают все эукариотические группы, от животных и растений до одноклеточной амебы и даже лямблии. Последний общий предок всех эукариот и первая по-настоящему сложная клетка уже обладала полом — вот почему окончательное решение эволюционной загадки пола следует искать в происхождении самих эукариот.

Нам предстоит проделать долгий путь, чтобы полностью разобраться в ранней эволюции сложных форм жизни, но все же у нас есть общее представление о том, с чего все начиналось. Около двух миллиардов лет назад в мире, где правили микробы, один вид бактерий установил тесные симбиотические связи с другой простой клеткой — археей. Взаимодействие их было настолько тесным, что бактериальные симбионты в конце концов колонизировали внутренности архей и постепенно превратились в митохондрии — органеллы наших клеток, отвечающие за производство энергии. Гибридная клетка росла и расширялась, используя генетический материал обоих партнеров и ставший доступным митохондриальный источник энергии, чтобы сформировать клетку беспрецедентной сложности, по пути придумывая бесчисленные эукариотические особенности — в том числе пол.

Правда, Ник Лейн (Nick Lane), автор Power, Sex, Suicide (2005) и The Vital Question (2015), считает, что пол был чем-то гораздо большим, нежели одним из многих доэукариотических изобретений — он являлся ключом к выживанию формирующейся сложной клетки. Переход к эукариотам был сопряжен с трудностями — не только потому, что бактерии необходимо было выжить в чуждой клетке, но и из-за происходившей массивной геномной революции: фрагменты бактериальной ДНК регулярно мигрировали в геном хозяина, в то время как его кольцевые хромосомы разбивались на линейные части, каждая из которых содержала только часть жизненно важного генетического репертуара клетки.

Быстрые изменения в структуре генома имели решающее значение для образования эукариотической клетки, но они также делали генетический состав ячейки неустойчивым. Фрагментирование хромосом могло легко привести к смертоносным дефектам. Неправильное разделение вновь образованных хромосом могло бы погубить клетку при следующем делении. Возможность совершить ошибку преследовала на каждом шагу и в большинстве случаев каралась смертью.

Лейн убежден, что доэукариотической клетке удалось выжить благодаря ее способности сливаться с аналогичными клетками — навык, которыми не обладают бактерии. Частые клеточные союзы объединили несколько копий генома, каждая из которых принадлежала разным организмам и содержала различные наборы мутаций или вновь приобретенных генов симбионта. Клеточные смешения скрывали летальные дефекты и гарантировали, что хозяин всегда обладает полным набором необходимых хромосом и жизненно важных генов. Благодаря регулярной рекомбинации гибриды облегчали процесс генного смешения, стабилизировали геном и способствовало его дальнейшему распространению.

Совершенно неожиданно, эволюционная загадка пола сводится к возникновению клеточного слияния на ранних стадиях перехода к сложным формам жизни, а не только рекомбинации. Почему доэукариотические клетки начали сливаться друг с другом? Есть несколько возможных ответов. Эволюционный биолог Нил Блэкстоун (Neil Blackstone) из Университета Северного Иллинойса разработал гипотезу, согласно которой слияние клеток хозяина вызывается бактериальными симбионтами, не удовлетворенными внутренней средой их нынешнего хозяина. Мой собственный теоретический анализ показывает, что слияние развивалось для того, чтобы содействовать смешиванию внутри симбионтных популяций, cкрывая пагубные воздействия поврежденных или эгоистичных симбионтов. Если взглянуть критически, обе гипотезы предсказывают, что способность сливаться является прямым следствием бактериального вторжения в архей хозяина, которое и положило начало первому половому признаку задолго до окончательного формирования эукариотической клетки.

Независимо от того, какой могла быть первоначальная польза от полового слияния клеток, последствия оказались грандиозными. Пол спас складывающуюся эукариотическую клетку в период ее наибольшей уязвимости; без пола эволюционный переход мог попросту не состояться. Хотя пол сыграл решающую роль в долгосрочном выживании современных эукариот, сам по себе он не является изобретением эукариотической клетки. Вероятнее всего, эукариотическая клетка своим развитием обязана только тому, что пол — посредством слияния клеток и рекомбинации — был изобретен в анцестральных гибридных клеточных линиях, ведущих к последнему общему предку всех сложных форм жизни.

http://inosmi.ru/science/20160709/237129594.html