Коловратки и 60 миллионов лет без секса

Знакомьтесь: коловраткаВстреча с коловраткой чаще всего проходит для человека незамеченной. Если только он не вооружен микроскопом: средний размер коловратки — около полумиллиметра. Знакомство осложняется тем, что коловратка прозрачная и живет в воде — почти в любой пресной (особенно в тухлой) и по всему миру. Коловратка легко изменяет свою форму, втягивая и выпячивая голову или ногу, прикрепляясь к поверхности и отрываясь от нее, ползая и плавая. Поэтому в капле воды можно неожиданно для себя увидеть микроскопического ската, мышку или бокал. Но это все она, коловратка.Ближе всего из обитателей школьного учебника биологии к коловратке находятся плоские черви, но и они совсем на нее не похожи. Уникальная особенность коловраток — коловращательный аппарат, который в микроскоп напоминает большие волосатые уши. Но это не уши, а губы, усаженные ресничками. Реснички бьются (от чего губы становятся похожи на бензопилу), создавая водоворот, в который засасывает всю окрестную мелочь — бактерий, водоросли и одноклеточных животных. За губами следует, собственно, туловище, заканчивающееся ногой — мускулистым выростом, с помощью которого можно прикрепляться и ползать. Вот и все животное. Помимо того, что коловратки на удивление прожорливы и иногда поглощают крупных инфузорий почти с самих себя размером, они еще и невероятно живучи. Пресные водоемы — среда непостоянная и периодически высыхающая. Но коловратки стойко переносят высыхание, впадая в анабиоз, а после увлажнения возвращаются к жизни. Но и на этом их суперспособности не заканчиваются. Среди них есть группа — бделлоидные коловратки (от древнегреч. Βδελλα — «пиявка») — которая целиком состоит из самок. А самцов и, следовательно, полового процесса у них, судя по всему, не было уже давно. По меньшей мере 60 миллионов лет.Чтобы понять, стоит ли завидовать или сочувствовать бделлоидным коловраткам, попробуем ответить на один из ключевых вопросов биологии: зачем вообще нужно половое размножение? C некоторой точки зрения (о чем, например, подробно пишет Ричард Докинз в «Рассказе предка»), это самый невыгодный способ размножения из возможных. Представьте себе: вы собрались передать свои гены ребенку. Вы делите свой набор хромосом пополам, а затем половину выбрасываете, и то же делает ваш партнер. К чему такая расточительность? (не говоря уже о прочих соблазнах и сложностях, связанных с половых размножением) Все дело в разнообразии. Представим себе жизнь как бесконечный экзамен по ОБЖ. Сдавшие выживают. В таком случае геном — это шпаргалка к экзамену, а каждый ген — ответ на один из билетов. Удобно иметь две шпаргалки, от отца и матери, на случай, если один из родителей учился прилежнее другого. Более того, известно, что окончательно правильного ответа на все вопросы не существует. Экзаменатор изобретателен и хитер: никогда не знаешь, что придет ему в голову. Поэтому пользоваться из раза в раз одной и той же шпаргалкой невыгодно, нужно постоянно дописывать билеты и заменять в них отдельные слова или даже целые куски. Для этого существует кроссинговер (или гомологичная рекомбинация) — берем шпаргалку от мамы, кладем рядом с ней шпаргалку отца и перетасовываем их, то есть меняем ответы на один и тот же вопрос местами, или в пределах одного вопроса меняем часть маминого текста на папин. В результате у нас снова два комплекта шпаргалок с ответами на те же вопросы, но все перемешалось. И дети получают в наследство сборную солянку из генов их родителей. Дальше тексты билетов (хромосомы) случайным образом распределяются по половым клеткам, которые встретятся с такими же «перемешанными» хромосомами партнера. Так возникают изменчивость особей и разнообразие генетического материала. Так повышается шанс, что потомство заберет лучшее от своих дедушек и бабушек и сможет противостоять новым условиям среды. Теперь представим себе животных, у которых полового процесса нет. Они подобны ученику, который всю жизнь сдает экзамены по конспектам позапрошлого века. Да, они стабильны и проверены временем, в конце концов, дважды два во все века равняется четырем. Но что будет, если такого ученика однажды спросят о теории относительности, в то время как в его картине мира еще не существует даже закона всемирного тяготения? Сокрушительный провал, отчисление, смерть. Именно поэтому видов, живущих без полового размножения, крайне мало. Кроме коловраток, этим прославились только отдельные панцирные клещи и ракушковые раки. Откуда же они берут генетическое разнообразие? Иными словами — у кого списывают? Есть ли жизнь без сексаМожно жить и без полноценного полового размножения, если вы «всего лишь Очень Маленькое Существо», например, одноклеточное. Тогда вы сам себе хозяин, и можно в течение жизни обмениваться информацией с другими. Так, например, делают бактерии: выбрасывают наружу копии своих молекул ДНК и поглощают чужие извне. Это называют горизонтальным переносом генов. Одноклеточные животные могут обмениваться друг с другом целыми наборами хромосом (как делает инфузория-туфелька). Но если вы многоклеточное, то провернуть эту схему так просто не получится. По наследству вы передадите только гены половых клеток, а значит, нужно не только съесть чью-то ДНК, но и как-то в них внедрить. Проблема заключается в том, что ядра многоклеточных животных надежно защищены от попадания туда чужеродной ДНК (а то вдруг это вирус): пищеварительной системой, клеточными мембранами и внутриклеточными механизмами, расщепляющими лишнюю ДНК. Именно поэтому горизонтальный перенос генов у многоклеточных гораздо менее вероятен, и долгое время считалось, что его и вовсе нет. Но потом появились методы биоинформатики, и оказалось, что все устроено сложнее.Поиск последствий горизонтального переноса генов в современных геномах похож на задачу, которая регулярно встает перед каждым преподавателем: как определить, кто у кого списал, и поймать хитреца? Для этого биоинформатики сравнивают геномы близкородственных видов и ищут отличия. Например, если мы сопоставляем геномы мыши и крысы и видим, что у последней появился совершенно новый ген, не имеющий аналогов у мыши, то можно предположить, что он появился откуда-то извне. Дальше мы ищем схожие гены у других организмов, на этот раз уже далеких, — бактерий, грибов, растений и т. д. И если удается обнаружить сходство, то наш «антиплагиат» сигнализирует о том, что списывальщик пойман. Искусство имитироватьСудя по сравнению последовательностей генов близкородственных коловраток, они потеряли половое размножение около 60 миллионов лет назад. Об этом говорит не только анализ их геномов, но и необычное строение хромосом. Большинство животных несет в клетках двойной набор хромосом, при этом каждая пара (гомологичные хромосомы) содержит одинаковые гены. В процессе образования половых клеток гомологичные хромосомы сближаются (конъюгируют), соединяются своими «одинаковыми» участками и обмениваются частями, как мы уже упоминали выше. А вот хромосомы коловраток за миллионы лет утратили гомологию. Сейчас их содержимое настолько сильно отличается друг от друга, что конъюгировать они могут только самыми кончиками, не несущими наследственной информации. Поэтому образовать половые клетки коловратки не могут, и половой процесс для них невозможен, даже если бы они и решили к нему прибегнуть.Итак, в мире коловраток секса нет. Но есть альтернативы. За неимением собственного полового процесса приходится активно заимствовать чужие гены. По некоторым данным, до 14% генома коловраток нагло списаны у других организмов (для сравнения, у большинства животных — меньше 1%). Есть подозрение, что в этом коловраткам помогает регулярное высыхание. Так как ДНК состоит из двух слипшихся цепей, встроить в нее чужеродный фрагмент можно только при серьезном повреждении — двунитевом разрыве. Когда белки системы репарации пытаются починить такой разрыв, они ищут любые концы ДНК, за которые удобно ухватиться. Похоже на то, что происходит с разорванной «шпорой», на которой записан ответ — студент судорожно ищет любой, который мог бы служить продолжением. При обезвоживании в ДНК могут возникать такие двойные разрывы. И действительно, у тех видов, которые чаще переживают засуху, «списанных» генов обнаружили больше. Вероятно, немаловажную роль здесь играет опасная близость яичника к кишечнику — путь от еды до потомства оказывается короток.Однако проблема в том, что не любой текст можно осмысленно встроить в свой конспект. Если в нем по-другому пронумерованы страницы или он написан другим почерком (или и того хуже — на другом языке), пользоваться им будет неудобно. Это мешает активно списывать у неродственных организмов — их гены окружены непривычными регуляторными последовательностями, а иногда даже отличаются особенностями генетического кода (например, частотой встречаемости тех или иных нуклеотидов). Они больше напоминают конспекты, позаимствованные у студентов другого факультета. На то, чтобы они начали полноценно работать, уходят многие поколения переписываний. Поэтому можно отличить гены, «списанные» давным-давно, от недавних приобретений. Чем дольше ген живет в геноме хозяина, тем ближе он находится к активным областям ядра (дальше от концов хромосом) и тем больше по структуре он напоминает собственные гены хозяина.Чужие гены часто оказываются очень полезными. Например, бактерии, грибы и растения научили коловраток лучше переваривать пищу, нейтрализовывать токсины и бороться с окислительным стрессом. Но приручить чужие гены сложно и удается не всегда, поэтому, чтобы хоть кто-то из них прижился, горизонтальный перенос должен идти очень интенсивно. И этим довольно сложно заменить полноценный половой процесс. Но пару лет назад коловраток поймали на списывании друг у друга: в их геноме обнаружились следы горизонтального переноса от особей своего и «соседнего» вида. Пока, впрочем, непонятно, как именно гены от одних коловраток попадают к другим. Зато теперь мы не можем с былой категоричностью утверждать, что у коловраток секса нет совсем. Он есть, но альтернативный. А мы так можем?Что бы ни говорилось в мифах, у людей мало шансов стать амазонками. Как и другие млекопитающие, мы не можем размножаться без партнера. В тех редких случаях, когда это в той или иной мере удается и яйцеклетка начинает делиться сама по себе, в яичнике развиваются тератомы — большие опухоли устрашающего вида. Что же касается горизонтального переноса генов, то он как раз не обошел нас стороной. Некоторые части нашей ДНК, как считается, тоже пришли от бактерий и одноклеточных животных, например, гены, определяющие группу крови. Однако это случилось, скорее всего, на ранних этапах эволюции позвоночных, когда до человека как отдельного вида было еще далеко. Горизонтальный перенос может происходить в отдельных клетках и сейчас — например, при раке желудка или лейкемии в опухолевых клетках нередко находят ДНК бактерий. Возможно, именно она как-то способствует их выживанию в условиях сурового давления иммунитета. Но по наследству передать эту чужеродную ДНК, скорее всего, не получится. Наши половые клетки тщательно защищены от внешних воздействий, и вероятность встраивания ДНК извне, хоть и существует, но невелика. Зато велика вероятность того, что мы освоим генетическое редактирование эмбрионов и научимся манипулировать человеческими генами осознанно. И тогда уже коловратки нам позавидуют.