Женщина. Эволюционный взгляд на то, как и почему появилась женская форма

Эмера Дина

Как эти одноклеточные бактерии размножались на Земле в течение миллиардов лет? Почти так же, как размножаются бактерии сегодня – клонированием. При таком типе бесполого размножения (размножения без партнера) особь увеличивается, клонирует свою генетическую информацию, которая хранится в кольцевой хромосоме, а затем просто разрезает свое клеточное тело пополам. При этом в каждой половине оказывается по одной кольцевой копии ДНК, в результате чего образуются две дочерние клетки, генетически идентичные друг другу [24] .

24

В качестве этимологического примечания: такие термины, как дочь и сестра, широко используются биологами при обсуждении деления клеток. Бактерии не являются женскими в строго биологическом

смысле этого слова: они не производят яйцеклетки. Но поскольку самки в животном мире часто выполняют большую часть работы по размножению, а бесполые организмы выполняют всю работу, их называют самками. Кроме того, бактериальные клетки больше похожи на яйцеклетки, чем на сперматозоиды, поскольку у них есть все необходимые клеточные ингредиенты, необходимые для новой жизни, в отличие от сперматозоидов, которые несут в себе только ДНК.

Когда мы думаем о размножении нашего вида, для которого требуются поиск партнера, успешное зачатие и имплантация, долгое вынашивание и болезненные роды, клонирование кажется более привлекательным способом. Но большинство животных, растений и грибов выбрали трудный путь – половое размножение. У организмов с полом ребенок создается двумя родителями, объединившими свой генетический материал. Важнейшей эволюционной ступенью к половому размножению стала эволюция нового типа клеток у предков животных, растений и грибов [25] . Вместо того чтобы позволить всем частям клетки плавать вместе в одном пуле (как у бактерий), клетка этого предка имела отсеки, которые отделялись друг от друга мембранами. Кроме того, его ДНК имела линейную форму, а не кольцевую. Наши клетки сегодня имеют такую же конструкцию.

25

Если быть точным, этот предок дал начало животным, растениям, грибам и еще двум царствам, включающим такие организмы, как водоросли и амебы.

Новый дизайн клеток сыграл важную роль при переходе от бесполого к половому размножению, поскольку для развития требовался новый тип клеточного деления – митоз (возможно, это понятие знакомо вам со школы). Митоз, как и деление бактериальных клеток, приводит к образованию двух одинаковых дочерних клеток, но он занимает больше времени и является более сложным из-за мембран и других особенностей этих организмов. Многие одноклеточные, включая некоторые виды водорослей, сегодня тоже размножаются митозом, только бесполым. И все ваше тело, за исключением сперматозоидов и яйцеклеток, было произведено путем митоза, включая миллионы клеток в костях, коже, легких и кишечнике, которые размножаются прямо сейчас, пока вы читаете эту книгу.

Удивительно, не правда ли?

Первичный пол

Митоз был и остается ключевой формой бесполой репродукции. Но внезапно у некоторых существ из прошлого, с мембранами в клетках и митотическим размножением, произошло нечто, навсегда изменившее мир. Развился мейоз. Возможно, звучит не так грандиозно, может, вы даже помните это понятие со скучных уроков биологии, но развитие мейоза сыграло огромную роль. Без мейоза не развилось бы половое размножение, а без полового размножения мир был бы совершенно другим.

Можно подумать, что мейоз – это продублированный и усиленный митоз. Вместо одного деления клетки – два, что сокращает генетическую информацию в новых клетках вдвое. В нашем организме в результате мейоза образуются яйцеклетки и сперматозоиды. Во время оплодотворения яйцеклетка и сперматозоид объединяются, восстанавливая полный объем генетической информации, переданной потомству. Если бы мы не уменьшили генетическую информацию половых клеток вдвое, геном каждого нового поколения содержал бы в два раза больше ДНК. Не нужно быть математиком, чтобы понять, что удвоение ДНК быстро выйдет из-под контроля!

Мейоз лежит в основе сущности полового размножения, при котором идет смешение генетической информации от двух разных особей. И вопрос, почему оно вообще возникло, – ключевая проблема в эволюционной биологии. Стоимость полового размножения невероятно высока: ты отдаешь своему ребенку только половину своего ДНК, вынашивание занимает больше времени и несет больше рисков. Но несомненно есть и эволюционные преимущества. Ведь это не простое объединение генетической информации двух разных особей, это смешивание информации для создания чего-то нового. Такое смешивание – рекомбинация – происходит во время мейоза, когда идентичные хромосомы объединяются в пары и обмениваются данными ДНК. Результат – каждый раз генетически уникальное потомство [26] . Считается, что генетическая изменчивость, возникающая в результате

рекомбинации генов, полезна для организмов, поскольку позволяет им лучше приспосабливаться к изменениям окружающей среды. Например, в лабораторных экспериментах над видами водорослей, которые могут размножаться половым или бесполым путем, популяции первых гораздо лучше росли на новых источниках пищи, чем вторые.

26

Исключения, такие как однояйцевые близнецы, возникают в результате митоза одной оплодотворенной яйцеклетки на ранних стадиях развития.

Не будем больше углубляться в разговоры о половом размножении, скажу лишь, что оно настолько часто встречается на нашем древе жизни, что, без всяких сомнений, это выигрышная эволюционная стратегия. Еще здесь важно отметить, что эволюционные конфликты, о которых я рассказывала во введении, – между матерями и детьми в момент вскармливания и между женскими и мужскими особями в момент размножения – появились именно потому, что особи, вступающие в отношения, были созданы путем полового размножения и не имеют генетической идентичности.

Хотя мейоз является ключевым элементом полового размножения, когда он появился более миллиарда лет назад, четкого разделения на женский и мужской пол не было. Особи тех первых половых популяций производили половые клетки одинакового размера и формы – не было ни спермы, ни яйцеклеток. Чтобы лучше понять, что представляли из себя наши предки в тот период, я расскажу вам об организмах, с которыми вы, скорее всего, уже знакомы, если когда-либо пекли хлеб или варили пиво – с дрожжами.

Люди использовали дрожжи в кулинарии тысячелетиями. Иероглифы и археологические находки свидетельствуют, что более пяти тысяч лет назад египтяне уже использовали дрожжи для приготовления алкоголя и закваски. Осадок на куске древней керамики из Ирана показывает, что виноделию уже как минимум семь тысяч лет. Древние пивовары, виноделы и пекари не знали, а мы знаем, что фрукты и зерна в алкогольные напитки и хлеб превращает гриб Saccharomyces cerevisiae. Как и нам, этим грибам нужна пища, чтобы жить и размножаться, при этом они черпают энергию из тех же продуктов, что любим мы – фрукты и зерновые культуры. Но в отличие от людей, грибы могут выживать без кислорода. Ученые выяснили, что когда S. cerevisiae не хватает кислорода, они начинают медленнее извлекать энергию из пищи и выделяют углекислый газ и спирт в процессе под названием ферментация. Углекислый газ помогает хлебу подняться во время выпечки, а спирт можно использовать сам по себе, при этом разные штаммы дрожжей и различные источники сахара придают дополнительные вкусовые оттенки.

Хотя наш древний предок, перешедший на половое размножение, – это точно не дрожжи, способ размножения у них очень похож. Дрожжевые клетки обычно размножаются митозом – бесполым путем – созданием двух дочерних клеток, идентичных родительской клетке. Но в стрессовых условиях, например в период голода, они переходят на мейоз. Это подтверждает тот факт, что половое размножение более выгодно во времена трудностей, поскольку порождает генетическое разнообразие, создающее больше генетических комбинаций для борьбы с различными рисками. Во время мейоза дрожжевая клетка образует половые клетки, содержащие половину генетической информации исходной клетки, точно так же, как яйцеклетки и сперматозоиды содержат вдвое меньше хромосом, чем все остальные клетки нашего тела. В отличие от яйцеклеток и сперматозоидов, все половые клетки дрожжей имеют одинаковый размер и форму, но не идентичны.

При более детальном рассмотрении обнаруживаются два типа половых клеток дрожжей – a и ?. Основное различие между ними в том, что они производят разные феромоны – дрожжевые запахи. Каждый из типов производит запахи, которые привлекают противоположный тип. Когда a-клетка выделяет феромон для ?-клетки или, наоборот, две клетки притягиваются друг к другу и сливаются (копулирующие дрожжевые клетки получили самое несексуальное название из возможных – шму [27] ). Биологи называют a-клетки и ?-клетки разными типами спаривания, и половое размножение может происходить только между разными типами. Так что противоположности точно притягиваются, по крайней мере у дрожжей. У многих грибов всего два типа спаривания, но у некоторых грибов их более двадцати трех тысяч. Писателям-фантастам следует обратить на это внимание!

27

Произошло от названия мультяшного персонажа Шму американского карикатуриста и юмориста Эла Каппа, Шму по форме напоминает две слившиеся клетки. – Прим. пер.