Считается, что главное преимущество полового размножения состоит в том, что потомство получается более разнообразным, это создает материал для естественного отбора и способствует ускорению эволюции. Но согласно другой точке зрения, половое размножение помогает видам корректировать эволюционные изменения в интересах целой популяции.
О роли полового размножения в эволюции рассказывает заведующий лабораторией молекулярной генетики Института проблем химической физики РАН, доктор биологических наук Виктор Щербаков.
– Как вы считаете, в чем же смысл полового размножения и зачем оно нужно?
– Для организмов со сложным геномом и сложным развитием существует большая проблема возникновения мутационных помех. Точность репликаций достигает предела. Точнее копировать ДНК невозможно просто по энергетическим соображениям, 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 избыточным, оно ведь все усложняет. Когда особь размножается делением 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 совершенный геном, он так и передастся целиком, неизмененным всем потомкам. Это преимущества бесполого размножения. А при половом размножении, всякая особь передает своим потомкам только половину своей генетической информации. То есть она не может воспроизвести свою точную копию. Самое главное, что происходит при половом размножении, – это отказ индивидов от точного воспроизведения себя.
– Можно сказать, что клонирование - это как раз попытка создать точную копию индивида.
– В этих опытах хотят повернуть эволюцию вспять. Ведь эволюция шла по пути перехода от деления к половому размножения. Делением размножаются самые простые организмы и из эукариот только самые низшие, для высших организмов, в частности, для млекопитающих бесполое размножение невозможно. Половое размножение осложняет процесс воспроизведения вида. Достаточно сказать, что особенно при деградации вида, встреча половых партнеров становится очень затруднительна и рискованна. И тем не менее, они размножаются именно половым путем. Значит, это жизненно необходимо. Одно преимущество полового размножения вполне очевидно. Собственно говоря, что происходит при половом размножении? Каждая клетка диплоидного организма имеет и отцовский набор хромосом и материнский. Вот эти родительские хромосомы встречаются между собой и начинают обмениваться между собой своими фрагментами. И что очень существенно они перемешиваются случайным образом, поэтому каждый потомок получает уникальный набор генов. У каждого потомка своя генетическая 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. Это сразу показывает, что особи, размножающиеся половым путем, дают большое разнообразие потомства.
– То есть половое размножение приводит к росту разнообразия в популяции?
– Перетасовка генов, конечно, важна, но главное все-таки не в этом. Мы уже говорили, что при больших геномах мутации возникают с опасной 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 фрагментами хромосом дает возможность восстановления после мутации. Встретились два мутанта, но мутации находятся в разных местах хромосомы и поэтому теоретически возможен такой обмен, что вместо двух мутантов мы получаем или особь с двумя мутациями или особь, лишенную мутаций. Мутации у бесполых организмов необратимы, а у половых обратимы. Всегда есть возможность сделать шаг назад. И это повышает устойчивость, стабильность вида.
Эта обратимость есть антиэволюционный процесс. Делая шаг назад, мы возвращаемся к прежнему состоянию. Бесполые организмы постоянно накапливают мутации, и мутации могут накапливаться очень интенсивно, особенно когда идет направленный отбор. Увлекаемая направленным отбором бесполая популяция может набрать много мутаций. Это может привести к успеху, но в случае неудачи вернуться назад они не могут. Половые организмы имеют как бы нить Ариадны. У них тоже идут мутации, и они тоже могут накапливаться, когда популяция адоптируется к определенным условиям. Но организмы сохраняют возможность вернуться назад, если ситуация поменялась. 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.
– Можно сказать, что у бесполых организмов популяций как таковых нет?
– Они есть, конечно. Организмы живут какими-то группами, но всегда это группа особей, близких генетически, и отбор действует на уровне особи. И собственно говоря, результатом этого отбора являются клоны. В сущности, у бесполых организмов биологического вида не существует. А у половых особей индивид не оставляет своей точной копии, потомство оказывается смешенным генетически. Можно сказать, что у половых особей каждый индивид вкладывает свой генотип в общий генофонд. Оказывается, что вообще для размножения половых особей популяция необходима, сохранение популяции является условием выживания индивида. Индивид в принципе не может выжить вне половой популяции. Поэтому-то и создается общий генофонд. А когда создается общий генофонд, то как раз и возникают условия для того, чтобы шел отбор не индивидов, а популяций. Это значит, что у особей, размножающихся половым путем, главенствует групповой отбор.
Просто иного не дано. Индивиды смешивают свои гены, и выживание популяции становится необходимым условием выживания индивида, поэтому 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 очень трудно доказать. Каким-то простым ясным способом доказать, что здесь отбиралась группа.
Противники группового отбора долго не могли объяснить возникновение альтруизма в популяции. Тогда Гамильтон предложил механизм родственного отбора, при котором человек или животное жертвует собой, но спасает своих родственников, а поскольку они генетически близки, то погибающий спасет и свои гены. А можно ведь совершенно по-другому взглянуть на дело и увидеть, что групповой всегда был единственно существенным моментом в эволюции. Что такое многоклеточный организм? Это - группа клеток. И многоклеточный организм никак не мог возникнуть без того, чтобы не шел отбор группы. То есть переход от индивидуального отбора к групповому был необходимым условием возникновения многоклеточного организма. А где же тогда конкуренция и борьба за существование? Куда ни посмотришь непредвзято, никакой конкуренции, оказывается нет, а есть кооперация. Клетка – это кооперация генов, многоклеточный организм - это кооперация клеток. Половая популяция - это кооперация индивидов. А ведь всегда говорили, что жизнь – борьба, схватка, столкновение.
– Так вы считаете, что борьбы за существование нет?
– Есть, но функция борьбы вспомогательная, регуляторная. Возьмем, например, иерархически организованную стаю птиц: они все между собой периодически дерутся, выясняя свой ранг. Это – механизм отладки иерархи. Целью всех этих столкновений является правильная организация стаи. Потому что эта организация выгодна для всех. Или яростная кровавая схватка за место вожака в волчьей стае. Но это не вожак борется за то, чтобы оставить как можно больше своих генов в потомстве, это не главное, я думаю: самым главным здесь являются интересы стаи, которой нужен наилучший вожак, а схватка - способ это выяснить. Половое размножение привело к тому, что единицей отбора становится популяция. То есть система очень сложная, но именно она оказывается устойчивой. Это главное, по-моему, что дает половое размножение – создание надындивидуального вида.