Зачем нужен секс? Биологи нашли новое объяснение

Вероятно, секс — это самая сложная загадка в биологии. Недостатки такого способа размножения, который предполагает спаривание, очевидны: для этого нужны две особи, каждая из которых передаст будущему поколению только часть своего генома. Поскольку в процессе спаривания этим двум особям приходится вступать в довольно близкий контакт, они подвергаются опасности получения физических травм или каких-то инфекций от партнера. Бесполое размножение — или клонирование самих себя — не несет в себе подобных недостатков. Своих клонов можно создавать где угодно и когда угодно, и все они будут получать полный набор генов конкретной особи.

Однако, несмотря на все эти преимущества, бесполое размножение является не нормой, а скорее исключением среди организмов, клетки которых содержат ядро (эукариоты). К примеру, среди растений, которые известны своей генетической пластичностью, менее 1% видов размножаются бесполым способом. Среди животных исключительно бесполое размножение характерно лишь для одного из тысячи известных видов. Биологи столетиями ломали головы над этим очевидным парадоксом.

В 1932 году генетик Герман Мёллер, который получил Нобелевскую премию за свои исследования в области радиационной генетики, был уверен, что он нашел ответ на этот вопрос. "Генетика наконец решила многовековую загадку о причинах существования различия полов и полового размножения", — похвастался он в журнале American Naturalist. Далее он объяснил: "Половое размножение благодаря формированию новых комбинаций генов — это средство, позволяющее в полной мере использовать возможности генных мутаций".

Другими словами, цель секса проста: он увеличивает генетическое разнообразие в поколениях потомков. Такое разнообразие затем повышает степень приспособляемости и выживаемости будущих поколений, делая их сильнее, быстрее и устойчивее к воздействию паразитов. Мёллер был не первым биологом, который выдвинул эту гипотезу, однако в тот момент его влияние было настолько велико, что именно его имя навсегда закрепилось за этой идеей, которую сегодня поддерживает большинство ученых.

Однако, возможно, им следовало бы пересмотреть свое отношение к этой гипотезе. В конце концов аргументы о разнообразии не объясняют, как и почему у одноклеточных организмов в ходе эволюции сформировался важнейший компонент процесса спаривания — мейоз, то есть деление генома пополам, которое является основой продуцирования яйцеклеток и сперматозоидов.

"В центре гипотез о половом отборе и размножении зачастую оказываются будущие поколения", — отметила Кейтлин Макдоноу, которая изучает эволюцию репродуктивных систем в Сиракузском университете. В процессе изучения эволюции полового поведения Макдоноу обнаружила свидетельства того, что теории, основанные исключительно на идеях о пользе для будущих поколений или видов в целом, являются как минимум неполными. По словам Макдоноу, "в исследованиях часто упускался из виду потенциал для извлечения конкретной особью непосредственной пользы" от спаривания для самой себя.

Макдоноу и другие исследователи теперь пересматривают вопрос о том, как спаривание и связанные с ним клеточные и психологические процессы влияют на отдельную особь. Как показывают результаты их исследований, причина, по которой биологам так долго не удавалось найти поистине комплексное объяснение полового размножения, заключается в том, что такого объяснения нет. Однако существует огромное количество потенциальных положительных моментов, связанных со спариванием, и, вероятно, различные организмы размножаются путем спаривания по тем причинам, которые приносят им наибольшую пользу.

Это делают все

В некоторых смыслах секс универсален — практически все эукариотные организмы размножаются путем спаривания. Однако для каждого вида этот процесс уникален. Процесс спаривания выглядит по-разному, если рассматривать растение, одноклеточный простейший организм, плодовую муху или человека.

Даже сама идея о том, что спаривание необходимо исключительно для размножения, применима далеко не ко всем эукариотам. Например, если говорить о водорослях, которые изучает Аврора Неделку, биолог из университета Нью-Браунсуика в Канаде, то спаривание у них далеко не всегда происходит для того, чтобы оставить больше потомства. "Они гораздо быстрее размножаются бесполым способом", — сказала она. Для водорослей из рода Вольвокс, с которыми она работает, половое размножение является факультативным, то есть они могут выбирать между клонированием самих себя и спариванием. Когда они выбирают спаривание, это делается для того, чтобы повысить шансы на выживание.

На протяжении большей части своей жизни эти водоросли живут с тем, что по человеческим меркам можно назвать половиной генома: у них есть только одна копия каждой хромосомы, то есть они являются гаплоидами. В этом состоянии они могут проходить процесс митоза, то есть процесс клонирования самих себя, которое способны осуществлять все клетки. Сначала они копируют каждую из своих хромосом, затем эти хромосомы выстраиваются по экватору клетки, а потом они отделяются в новую клетку, идентичную материнской клетке.

Однако время от времени, когда окружающая среда становится слишком теплой или в ней возникает нехватка азота, эти водоросли начинают размножаться другим способом. Гаплоидная клетка сливается с другой клеткой, в результате чего возникают клетки с двумя наборами хромосом. То есть фактически эти водоросли "спариваются" и превращаются в диплоидные клетки.

Однако водоросли переходят в режим полового размножения только тогда, когда условия обитания ухудшаются. Неделку и ее коллеги обнаружили, что, если смягчить их "психологический" стресс — обеспечив их порцией антиоксидантов, — они не будут спариваться. Поэтому ученые сделали вывод, что в данном случае цель спаривания — не произвести потомство, а сделать оболочку водоросли тверже и повысить ее способность справляться с неблагоприятными условиями среды.

Основная выгода от спаривания для этих водорослей заключается в том, что в результате они формируют устойчивые диплоидные споры, которые способны выжить в неблагоприятных условиях. Когда среда снова становится благоприятной, клетки водорослей снова возвращаются в их гаплоидное состояние посредством мейоза. Но, как отмечают Неделку и ее коллеги, процесс мейоза тоже несет в себе уникальные возможности для улучшения генетического материала.

Как и все многоклеточные организмы, эти водоросли обладают способностью "лечить" небольшие поломки и сбои в своих ДНК. Но если ущерб достаточно серьезный, только этих механизмов "лечения" становится мало. В этих случаях наличие второй копии нити ДНК, которую можно использовать в качестве шаблона для восстановления поврежденных участков, может сыграть спасительную роль. "По сути, этот механизм есть у всех диплоидных организмов", — объяснила Неделку.

Если говорить о гаплоидных клетках, то обычно им крайне трудно клонировать себя, чтобы залечить поврежденный участок ДНК, потому что у них есть только один набор хромосом. Однако исключение может возникать в процессе мейоза, когда только что воссозданные пары хромосом соединяются с вариациями второй родительской клетки, прежде чем отделиться в отдельную клетку. "Мы считаем, что это возможность устранить дефекты в ДНК", — сказала Неделку.

Во процессе мейоза хромосомы из обеих гаплоидных родительских клеток выстраиваются в линию и могут обменяться участками ДНК — это явление называется рекомбинацией или перераспределением генетического материала. Это существенно повышает генетическое разнообразие, но это также дает хромосомам возможность замещать участки генома у второй гаплоидной клетки, чтобы устранить те повреждения, которые могли коснуться их собственных ДНК.

Ученым уже несколько десятилетий известно о таком полезном эффекте мейоза, как репарация ДНК, и в нескольких более ранних работах говорилось, что это помогает объяснить, почему вредоносные мутации встречаются реже, чем можно было ожидать. Но исследование Неделку привлекает внимание к тому, почему это могло иметь такое большое значение на ранних этапах эволюции спаривания. По ее словам, тот факт, что эти водоросли принадлежат к одним из самых древних эукариотов, может указывать на то, что "в древности целью спаривания было не размножение". По ее мнению, "спаривание возникло в ходе эволюционного процесса, по всей видимости, как средство для адаптивного реагирования на стресс".

Растения, простейшие и люди

Идея о том, что в процессе эволюции спаривание помогало организмам переживать тяжелые времена, не является чем-то новым. Харрис и Кэрол Бернштейны, профессора молекулярной биологии и анатомии в университете Аризоны, выдвинули эту гипотезу еще в начале 1980-х годов. Однако большинство эволюционных биологов не обратили на нее должного внимания, как сказал эволюционный биолог Франческо Катания из университета Мюнстера. "Я не понимаю, почему сообщество ученых обошло вниманием эту гипотезу", — сказал он.

Катания наткнулся на эту гипотезу, работая с простейшими — инфузориями-туфельками. Эти одноклеточные организмы покрыты крошечными, подвижными, похожими на волоски отростками клеточной мембраны, которые позволяют им плавать в воде. Кроме того, они тоже переходят в режим полового размножения под воздействием стресса. Со временем Катания выяснил, что, когда инфузории-туфельки спариваются, они делают это сами с собой.

"Есть отдельные данные, указывающие на то, что среди инфузорий-туфелек широко распространено самооплодотворение", — сказал он. Возможно, это отчасти объясняет, почему у инфузорий-туфелек весьма скудное генетическое разнообразие — этот факт не вписывается в общепринятую теорию о том, что преимущество полового размножения заключается в разнообразии потомства. Поэтому Катания решил внимательнее изучить этот момент.

Катания выяснил, что, подобно водорослям Неделку, отдельные особи инфузорий-туфелек извлекают для себя непосредственную пользу в процессе спаривания. Те из них, которые сами себя оплодотворили, переживали неблагоприятные условия среды лучше тех инфузорий, которые этого не сделали. Те инфузории, которые подготовились к спариванию накануне неблагоприятного воздействия, тоже стали более выносливыми. Эти данные привели Катанию и его коллег к выводу, что, с одной стороны, стресс подталкивает организмы к спариванию, с другой — что активизация процессов, необходимых для осуществления спаривания, возможно, помогает инфузориям справляться со стрессом. Спаривание как процесс носит не только генетический, но и клеточный характер, и он предполагает "включение" и "выключение" целого ряда генов, у которых есть другие клеточные функции.

Хотя для подтверждения этой гипотезы необходимы дальнейшие эксперименты, Катания предполагает, что клеточные алгоритмы для спаривания и для реагирования на стресс внутренне связаны. Он и его коллеги обнаружили, что способность к самооплодотворению и половая зрелость положительно сказываются на выживаемости и что тепло может активировать некоторые из тех генов, которые ускоряют процесс репродуктивного созревания у инфузорий. Сам факт подготовки к слиянию геномов — даже если этого не произойдет, — одновременно подготавливает инфузорию-туфельку к эффективному реагированию на неблагоприятные условия.

Конечно, инфузории-туфельки и одноклеточные водоросли — это не млекопитающие, поэтому их опыт спаривания вряд ли можно брать за основу, говоря о пользе спаривания у других живых существ. Неделку предостерегает от излишнего стремления к экстраполяции: по ее словам, даже если мейоз возник главным образом для устранения дефектов в ДНК, "на начальном этапе функции спаривания могли отличаться от адаптивной функции, которую спаривание имеет у ныне живущих видов".

Тем не менее, вполне возможно, что польза от спаривания, не связанная напрямую с репродукцией, — такая как восстановление ДНК, — может наблюдаться у грибов, растений и животных. И, даже если спаривание — это единственный способ размножения у каких-то растений или животных, эти косвенные положительные моменты спаривания могут оказывать влияние на то, почему, как, когда и как часто происходит спаривание.

Эта косвенная польза может выходить далеко за рамки мейоза. "Спаривание также связано с копуляцией и половым поведением", — сказала Макдоноу. Ученые, изучающие самых разных живых существ, от сверчков до мышей, начинают говорить о том, что спаривание может иметь массу неожиданных положительных сторон.

Неожиданных, потому что, во-первых, принято считать, что половое размножение является неэффективным способом по сравнению с бесполым размножением, а во-вторых — потому что процесс спаривания требует определенных энергетических затрат от тех особей, которые в нем участвуют. Выработка яйцеклеток и спермы, поиски партнера, акт спаривания — для всего этого нужна энергия и ресурсы. В результате происходит перераспределение энергии между процессом размножения и другими процессами, которые требуются организму для выживания, — к примеру, ростом или укреплением иммунной системы.

Однако большую часть информации о пользе и издержках процесса спаривания у животных ученые почерпнули, изучая такие модельные организмы, как мушки дрозофилы, и результаты подобных лабораторных опытов могут оказаться обманчивыми, как сказала Тери Марков, заслуженный профессор клеточной биологии в Калифорнийском университете в Сан-Диего. "Картина, которую вы увидите в природе, может очень сильно отличаться от того, что мы наблюдаем в лаборатории, потому что условия совершенно разные", — сказала она.

К примеру, в литературе, посвященной дрозофилам, часто говорится о том, что у спаривания есть своя цена. Но, когда Марков и ее коллеги наблюдали за дрозофилами в природе, они обнаружили противоположный феномен и назвали его "ценой девственности". Особи женского пола, которые спаривались, жили дольше тех, кто этого не делал. Хотя Марков не проводила подробных экспериментов, чтобы это подтвердить, она подозревает, что самки дрозофилы, получающие эякулят самцов, извлекают выгоду в нескольких, а не в одном смысле.

Биолог Эми Вортингтон , изучающая репродуктивную физиологию и поведенческую экологию в Крейтонском университете, наблюдала похожую тенденцию у полевых сверчков. Согласно распространенной точке зрения, самка полевого сверчка должна становиться более уязвимой перед инфекциями после спаривания, когда она направляет большую часть своей энергии на откладывание яиц, но вместо этого она становится более выносливой. "Мы наблюдаем это у самых разных видов — что спарившиеся самки демонстрируют более высокую выживаемость и более выраженный иммунный ответ по сравнению с теми самками, которые не спаривались", — сказала она, добавив, что выраженность этих тенденций может варьироваться.

Вортингтон предполагает, что в этом большую роль играют гормоноподобные вещества, называемые простагландинами. Они играют важную роль в процессе образования яиц, но одновременно с этим они помогают регулировать иммунную систему. "Нам известно, что простагландины содержатся в семенной жидкости", — добавила она. Вполне возможно, самки используют простагландины, которые они получают от самцов, чтобы успешно завершить репродуктивный цикл и чтобы повысить свои шансы на выживание.

Друзья с привилегиями

Простагландин вырабатывается не только у сверчков и не только у насекомых. Он вырабатывается у всех животных. То есть, по словам Вортингтон, получение эякулята может укрепить иммунную систему конкретной особи, "будь то насекомое, млекопитающее или ящерица".

В процессе изучения самцов животных нейробиологи обнаружили и другие моменты. В 2018 году Леа Пайтер, профессор психиатрии и нейробиологии в Медицинском центре Векснера при государственном университете Огайо, вместе со своими коллегами доказала, что в процессе спаривания у самцов крыс происходит стимуляция тех участков мозга, которые отвечают за иммунную систему. Это может означать, что спаривание помогает защитить их от инфекций. Спаривание также может оказать влияние на качество работы их мозга. Другие ученые выяснили, что в некоторых когнитивных тестах крысы демонстрируют более высокие результаты после спаривания и что регулярное спаривание может замедлить те негативные процессы в мозге, которые связаны со старением.

"Я думаю, что однозначно существуют некие косвенные следствия [половой активности], которые изучены в меньшей степени, — сказала Пайтер. — Но это сложный вопрос". По ее словам, дело не только в том, что исследования положительных эффектов спаривания — это зачастую технически сложный процесс, но и в том, что их результаты могут быть ошибочно изтрактованы, что может обернуться определенными культурными и социальными последствиями. Даже Неделку отметила, что репортеры часто спрашивают ее, значат ли ее исследования на одноклеточных водорослях, что именно стресс заставляет людей чаще заниматься сексом, — обычно она отвечает: "Нет, если только вы не гаплоидная одноклеточная водоросль".

Разумеется, последствия могут оказаться двоякими. С одной стороны, культурные взгляды и убеждения касательно секса влияют на то, как мы приступаем к изучению и как интерпретируем результаты исследований на других организмах. Наши предубеждения касательно половой активности — к примеру, то, какие виды половой активности можно считать "нормальными", — "существенно влияют на то, что именно мы считаем важным в изучении животных", как объяснила Вортингтон.

Макдоноу согласна с тем, что наши предубеждения касательно того, как должен выглядеть секс, а также касательно причин, по которым люди должны или не должны им заниматься, сильно влияют на наше понимание поведения животных. Многие указывают на исследования однополого сексуального поведения у животных как на пример проявления подобных предубеждений. Макдоноу и ее коллеги заметили, что в научных дискуссиях вокруг однополого сексуального поведения у животных звучит множество слабых или необоснованных гипотез: к примеру, что половые акты по своей сути очень энергозатратны, поэтому однополые сексуальные контакты должны нести в себе какую-то невероятную пользу — такую как существенное усиление репродуктивных способностей, — чтобы такое поведение возникло и закрепилось в процессе естественного отбора. Но, по словам Макдоноу, "во многих ситуациях это не предполагает каких-то серьезных затрат сил, и это может нести какую-то пользу, которую мы пока не понимаем".

Вместо того чтобы задаться вопросом, почему в процессе эволюции возникли модели однополого сексуального поведения, Макдоноу и ее коллеги "перевернули этот вопрос с ног на голову" и спросили: а почему они могли не возникнуть? Когда ученые это сделали, они поняли, что, вполне вероятно, модели однополого сексуального поведения в процессе эволюции возникали постоянно и что они попросту оказались недостаточно энергозатратными, чтобы исчезнуть в процессе естественного отбора. В конце концов четкое разделение полов — то есть формирование отдельных особей, которые продуцируют гаметы различных размеров, — вероятно, произошло уже после эволюции мейоза и слияния гамет. То есть организмы таким образом, возможно, подстраховались и попытались наладить процесс размножения с участием любого представителя вида, о чем эта команда ученых написала в прошлом году в журнале Nature Ecology & Evolution.

Кроме того, вполне вероятно, если затраты на половой акт достаточно низки, а польза достаточно высока, то далеко не всегда имеет смысл искать подходящего партнера противоположного пола. Особи могут в конечном итоге прожить дольше и передать больше своих генов, начав вступать в половые контакты рано и с любыми представителями своего вида, которые им попадаются, или даже часто занимаясь мастурбацией. Но эти гипотезы, вероятно, так и останутся неизученными, потому что наши взгляды на секс между людьми оказывают значительное влияние на наши взгляды на половое поведение других видов живых существ.

Тем не менее, поскольку исследований того, как половое поведение сказывается на различных организмах, становится все больше, ученые постепенно избавляются от предубеждений и обнаруживают, что секс может иметь огромное множество положительных эффектов, каждый из которых может незаметным образом влиять на то, как различные виды это делают. "Абсолютно все, в чем есть хотя бы микроскопическая крупица пользы в смысле численности потенциального потомства или качества этого потомства, будет сохраняться в процессе естественного отбора", — сказала Вортингтон.
Будет разумным предположить, что эти положительные стороны сексуального поведения как минимум отчасти обуславливают характер его эволюции. "Возможность иметь генетически разнообразное потомство не сравнима с тем, какую непосредственную пользу отдельная особь получает в процессе полового контакта", — сказала Макдоноу. Вездесущность секса была бы обоснована в том случае, если бы половые контакты повышали способность к размножению как непосредственным образом, так и косвенным — к примеру, увеличивая продолжительность жизни. Можно сказать, беспроигрышный вариант в смысле эволюции.

Quanta Magazine, США