Сергей Сенинский: ... Природа наделила живые организмы разными возможностями продления рода. Среди низших форм жизни широко распространено бесполое размножение - например, деление или почкование. Однако среди высших организмов преобладает половое размножение.
Многие биологи полагают, что главное преимущество полового размножения состоит в том, что потомство получается более разнообразным, и это создает материал для естественного отбора и способствует ускорению эволюции. Но есть и другая точка зрения, согласно которой половое размножение повышает устойчивость видов и помогает им сопротивляться эволюционным изменениям. О роли полового размножения в эволюции рассказывает заведующий лабораторией молекулярной генетики Института проблем химической физики РАН, доктор биологических наук Виктор Щербаков. С ним беседует Александр Марков.
Александр Марков: Виктор Прохорович, ваша точка зрения, в чем же смысл полового размножения и зачем оно нужно?
Виктор Щербаков: Мы говорили о том, что для организмов со сложным геномом сложным развитием существует большая проблема мутационных помех. Точность репликаций достигает предела.
Александр Марков: То есть точнее копировать ДНК невозможно.
Виктор Щербаков: Копировать ДНК невозможно просто по энергетическим соображениям, не под силу, организм не справится энергетически с более точным копированием. Конечно, эволюция всегда идет вслепую, она пробует разные варианты, и одно из ее изобретений - это половое размножение. Половое размножение выглядит совершенно избыточной вещью, оно все усложняет. Когда особь размножается сама по себе делением пополам или почкованием, она производит себе подобную особь и ей передает всю свою наследственность, весь свой геном. Ей не нужно разыскивать партнера для того, чтобы произвести потомство. Более того, когда в эволюции такого бесполого организма случайно образуется очень совершенный геном, то он так и передастся целиком, неизмененным всем потомкам. Это преимущества бесполого размножения. А при половом размножении, во-первых, всякая особь передает своим потомкам только половину своей генетической информации. То есть она вообще утрачивает возможность самовоспроизведения, произвести свою точную копию она не может. И это самое главное, что происходит при половом размножении – это отказ индивидов размножаться в чистом виде.
Александр Марков: То есть то, что сейчас делают опыты по клонированию - это как раз попытка изменить ситуацию, сделать точную копию.
Виктор Щербаков: Хотят повернуть вспять. Эволюция шла все-таки по этому пути - по пути перехода к половому размножения. Бесполые размножаются самые простые организмы и из эукариот тоже самые низшие, для высших организмов и, в частности, млекопитающих бесполое размножение вообще исключено, невозможно. Все это придает очевидную сложность в размножении. Но достаточно сказать, что особенно при падении вида встреча половых партнеров становится очень затруднительна и рискованна. И тем не менее, размножаются половым путем. Значит это жизненно необходимо. Но одно преимущество вполне очевидно. Собственно говоря, что происходит при половом размножении, какое главное отличие? Главное отличие состоит в том, что каждая клетка диплоидного организма имеет отцовский набор хромосом и материнский. Вот эти родительские хромосомы встречаются между собой и начинают обмениваться между собой своими кусками. И что существенно тоже, что перемешиваются они совершенно случайным образом, что каждый потомок получает совершенно уникальный набор генов. У каждого потомка своя комбинация. Всегда берется 50% от одного родителя, 50% от другого родителя, но эти 50% берутся случайным образом. Поэтому каждый индивид, он действительно индивидуален и неповторим. Но это сразу показывает, что особи, размножающиеся половым путем, дают большое разнообразие потомства.
Александр Марков: То есть половое размножение приводит к росту разнообразия в популяции, к разнообразию особей в пределах одного и того же вида.
Виктор Щербаков: Именно то, что называется перетасовка генов. Но главное все-таки не в этом. Мы уже говорили, что при больших геномах мутации возникают с опасно большой скоростью. И если мутация возникла, избавиться от нее уже нельзя. Вероятность обратной мутации на много порядков ниже, чем появление новой мутации. Но вот эта самая рекомбинация, обмен кусками хромосом создает принципиальную возможность избавления от мутации. Встретились два мутанта, но мутации находятся в разных местах хромосомы и поэтому теоретически возможен обмен так, что вместо двух мутантов мы получаем особь с двумя мутациями и особь, лишенную мутаций.
Александр Марков: То есть у двух родителей было по одной мутации, допустим.
Виктор Щербаков: А теперь получилось, что один несет две мутации, а второй не несет ни одной мутации. Процесс, который у бесполых организмов необратимый, у половых обратим. Всегда есть возможность сделать шаг назад.
Александр Марков: И это должно повышать устойчивость, стабильность вида.
Виктор Щербаков: Более того, обратимость - это есть антиэволюционный процесс. Делая шаг назад, мы возвращаемся к прежней ситуации. Бесполые организмы, накапливая все время мутации, мутации могут накапливаться даже очень интенсивно, когда идет направленный отбор. И вот увлекаемая этими отбором, бесполая популяция может набрать много мутаций. Но это окажется временным успехом, а вернуться назад они не могут. Половые организмы имеют как бы ариаднину нить. У них тоже идут мутации, и они тоже могут накапливаться, когда организм адоптируется, популяция адоптируется к определенным условиям, могут накапливаться эти мутации. Но они сохраняют возможность вернуться назад, если оказалась, что ситуация поменялась.
Александр Марков: То есть популяция полиморфная и кажется, что особи очень изменчивы, но то, что особи изменчивы - это виду в целом придает наоборот устойчивость и стабильность.
Виктор Щербаков: Вот эта возможность восстановления исходного генотипа - это одно из серьезных преимуществ половых организмов. Но с моей точки зрения, гораздо более существенный вклад в стабильность видов делает другая возможность половых организмов. Дело в том, что у видов, размножающихся половым путем, единицей отбора становится популяция.
Александр Марков: То есть у бесполых организмов популяций как таковых и нет.
Виктор Щербаков: Они есть, конечно, они же живут какими-то группами, но эта группа особей, близких генетически.
Александр Марков: То есть отбор действует на уровне особи.
Виктор Щербаков: И собственно говоря, результатом этого отбора являются клоны. В сущности у бесполых организмов на самом деле биологического вида не существует. А у половых особей индивид не оставляет своей копии, потомство оказывается смешенным генетически. Можно так выразиться, что у половых особей каждый индивид вкладывает свой генотип в общий генофонд. Оказывается, что вообще для размножения особей половых необходима популяция, сохранение популяции является условием выживания индивида. Индивид в принципе не может выжить вне половой популяции. И поэтому, не только поэтому, но в принципе самым главным является то, что создается общий генофонд. И когда создается общий генофонд, то как раз и создаются условия для того, чтобы отбор шел не индивидов, а популяций. Это значит, что у особей, размножающихся половым путем, главенствует групповой отбор.
Александр Марков: Это очень интересная мысль. Обычно групповой отбор - это отбор на уровне групп. Говорят о нем, когда речь идет о социальных животных – муравьи, пчелы, там это очевидно. А на уровне популяций несоциальных, обычных мухи или бизонов, вроде не совсем очевидно, что там группа как целое размножается, а на самом деле, если подумать.
Виктор Щербаков: Просто иного не дано. Коль они смешивают свои гены и выживание популяции является необходимым условием выживания индивида, отбор должен происходить на уровне группы. Но возникает вопрос: как же может отбор идти на уровне индивида, если он не оставляет свою генокопию, если его геном рассыпается в следующем поколении. Я понимаю, как трудно вообще говорить о групповом отборе. Дело в том, что наличие группового отбора страшно трудно доказать. Каким-то простым ясным способом доказать, что здесь отбиралась группа. Противники группового отбора стояли перед большой трудностью, как объяснить возникновение альтруизма. Но и вот тогда Гамильтон предложил механизм родственного отбора, человек или животное жертвует собой, но спасает своих родственников, но поскольку они близкие по генам, то спасет и свои гены косвенно. А можно ведь совершенно по-другому взглянуть на дело и увидеть, что групповой всегда был единственно существенным моментом в эволюции, всегда групповой отбор. Что такое многоклеточный организм? Это группа клеток. И многоклеточный организм никак не мог возникнуть без того, чтобы не шел отбор группы. Ведь то, что отбор на уровне организма – это отбор на уровне группы.
Александр Марков: Совершенно верно, вот тут как раз это очевидно. Именно переход индивидуального отбора к групповому был необходим условием возникновения многоклеточного организма.
Виктор Щербаков: И где, я вас спрашиваю, конкуренция и борьба за существование? Куда ни посмотришь непредвзято, никакой конкуренции, оказывается, а кооперация. Клетка – это кооперация генов, многоклеточный организм - это кооперация клеток. Половая популяция - это кооперация индивидов. Всегда говорили эту фразу, что жизнь – борьба, схватка, столкновение, борьба за место под солнцем.
Александр Марков: А что нет, по-вашему, борьбы за существование?
Виктор Щербаков: Есть, но функция борьбы вспомогательная, регуляторная. Вот, скажем, возьмем иерархически организованная стая птиц, они все между собой периодически дерутся, выясняя свой ранг, свое положение на лестнице. Это механизм отладки иерархи. Целью всех этих столкновений является правильная организация стада. Потому что это выгодная организация, она выгодна для всех. Уже казалось бы, совсем пример яростной кровавой схватки – это борьба за место вожака. Но это не вожак борется за то, чтобы оставить свои гены как можно больше в наследство. Я думаю, что самым главным здесь является именно, чтобы у стада был толковый вожак, а это способ выяснить. И тут на самом деле самыми главными являются интересы стада. Половое размножение привело к тому, что единицей отбора становится популяция. То есть система очень сложная и именно она оказывается устойчивой. Это главное, по-моему, что дает половое размножение – создание надындивидуального вида.