Навіщо потрібний секс? Біологи знайшли нове пояснення

Ймовірно, секс це найскладніша загадка в біології. Недоліки такого способу розмноження, який передбачає спарювання, очевидні: для цього потрібні дві особини, кожна з яких передасть майбутньому поколінню лише частину свого геному. Оскільки в процесі спарювання цим двом особам доводиться вступати в досить близький контакт, вони наражаються на небезпеку отримання фізичних травм або якихось інфекцій від партнера. Безстатеве розмноження — чи клонування себе — не несе у собі подібних недоліків. Своїх клонів можна створювати будь-де і будь-коли, і всі вони отримуватимуть повний набір генів конкретної особини.

Однак, незважаючи на всі ці переваги, безстатеве розмноження є не нормою, а скоріше винятком серед організмів, клітини яких містять ядро (еукаріоти). Наприклад, серед рослин, які відомі своєю генетичною пластичністю, менше 1% видів розмножуються безстатевим способом. Серед тварин виключно безстатеве розмноження характерне лише для одного з тисяч відомих видів. Біологи століттями ламали голови над цим явним феноменом.

У 1932 році генетик Герман Меллер, який отримав Нобелівську премію за свої дослідження в галузі радіаційної генетики, був упевнений, що знайшов відповідь на це питання. "Генетика нарешті вирішила багатовікову загадку про причини існування відмінності статей та статевого розмноження", - похвалився він у журналі American Naturalist. Далі він пояснив: "Статеве розмноження завдяки формуванню нових комбінацій генів - це засіб, що дозволяє повною мірою використовувати можливості генних мутацій".

Іншими словами, мета сексу проста: він збільшує генетичну різноманітність у поколіннях нащадків. Така різноманітність потім підвищує ступінь пристосовності та виживання майбутніх поколінь, роблячи їх сильнішими, швидшими та стійкішими до впливу паразитів. Меллер був не першим біологом, який висунув цю гіпотезу, проте в той момент його вплив був настільки великим, що саме його ім'я назавжди закріпилося за цією ідеєю, яку сьогодні підтримує більшість вчених.

Однак, можливо, їм варто було б переглянути своє ставлення до цієї гіпотези. Зрештою, аргументи про різноманітність не пояснюють, як і чому в одноклітинних організмів у ході еволюції сформувався найважливіший компонент процесу спарювання — мейоз, тобто поділ геному навпіл, який є основою продукування яйцеклітин і сперматозоїдів.

"У центрі гіпотез про статевий відбір та розмноження найчастіше виявляються майбутні покоління", - зазначила Кейтлін Макдоноу, яка вивчає еволюцію репродуктивних систем у Сіракузькому університеті. У процесі вивчення еволюції статевої поведінки Макдоноу виявила свідчення того, що теорії, засновані виключно на ідеях про користь для майбутніх поколінь чи видів загалом, є, як мінімум, неповними. За словами Макдоноу, у дослідженнях часто брався до уваги потенціал для отримання конкретною особиною безпосередньої користі від спарювання для самої себе.

Макдоноу та інші дослідники тепер переглядають питання про те, як спарювання та пов'язані з ним клітинні та психологічні процеси впливають на окрему особину. Як показують результати їх досліджень, причина, через яку біологам так довго не вдавалося знайти комплексне пояснення статевого розмноження, полягає в тому, що такого пояснення немає. Однак існує величезна кількість потенційних позитивних моментів, пов'язаних зі спарюванням, і, ймовірно, різні організми розмножуються шляхом спарювання з тих причин, які приносять їм найбільшу користь.

Це роблять усі

У деяких сенсах секс універсальний – практично всі еукаріотні організми розмножуються шляхом спарювання. Однак для кожного виду цей процес є унікальним. Процес спарювання виглядає по-різному, якщо розглядати рослину, одноклітинний найпростіший організм, плодову муху чи людину.

Навіть сама ідея про те, що спарювання необхідно виключно для розмноження, застосовна далеко не до всіх еукаріотів. Наприклад, якщо говорити про водорості, які вивчає Аврора Неделку, біолог з університету Нью-Браунсуїка в Канаді, то спарювання у них далеко не завжди відбувається для того, щоб залишити більше потомства. "Вони набагато швидше розмножуються безстатевим способом", - сказала вона. Для водоростей з роду Вольвокс, з якими вона працює, статеве розмноження є факультативним, тобто вони можуть обирати між клонуванням самих себе та паруванням. Коли вони вибирають парування, це робиться для того, щоб підвищити шанси на виживання.

Протягом більшої частини свого життя ці водорості живуть з тим, що за людськими мірками можна назвати половиною геному: вони мають лише одну копію кожної хромосоми, тобто вони є гаплоїдами. У цьому стані можуть проходити процес мітозу, тобто процес клонування самих себе, яке здатні здійснювати всі клітини. Спочатку вони копіюють кожну зі своїх хромосом, потім ці хромосоми вишиковуються по екватору клітини, а потім вони відокремлюються в нову клітину, ідентичну материнській

Однак час від часу, коли навколишнє середовище стає занадто теплим або в ньому виникає нестача азоту, ці водорості починають розмножуватися іншим способом. Гаплоїдна клітина зливається з іншою клітиною, у результаті виникають клітини з двома наборами хромосом. Тобто фактично ці водорості "спаровуються" і перетворюються на диплоїдні клітини.

Однак водорості переходять у режим статевого розмноження лише тоді, коли умови проживання погіршуються. Неделку та її колеги виявили, що, якщо пом'якшити їхній "психологічний" стрес — забезпечивши їх порцією антиоксидантів, — вони не спарюватимуться. Тому вчені зробили висновок, що в даному випадку мета спарювання – не зробити потомство, а зробити оболонку водорості твердішою і підвищити її здатність справлятися з несприятливими умовами середовища.

Основна вигода від спарювання для цих водоростей полягає в тому, що в результаті вони формують стійкі диплоїдні спори, здатні вижити в несприятливих умовах. Коли середовище знову стає сприятливим, клітини водоростей повертаються у їхній гаплоїдний стан у вигляді мейозу. Але, як зазначають Неделку та її колеги, процес мейозу теж несе в собі унікальні можливості для покращення генетичного матеріалу.

Як і всі багатоклітинні організми, ці водорості мають здатність "лікувати" невеликі поломки та збої у своїх ДНК. Але якщо збитки досить серйозні, тільки цих механізмів "лікування" стає замало. У цих випадках наявність другої копії нитки ДНК, яку можна використовувати як шаблон відновлення пошкоджених ділянок, може зіграти рятівну роль. "По суті цей механізм є у всіх диплоїдних організмів", - пояснила вчена.

Якщо говорити про гаплоїдні клітини, то зазвичай їм вкрай важко клонувати себе, щоб залікувати пошкоджену ділянку ДНК, тому що вони мають лише один набір хромосом. Однак виняток може виникати в процесі мейозу, коли щойно відтворені пари хромосом з'єднуються з варіаціями другої батьківської клітини, перш ніж відокремитися в окрему клітину. "Ми вважаємо, що це можливість усунути дефекти в ДНК", - сказала Неделку.

У процесі мейозу хромосоми з обох гаплоїдних батьківських клітин вишиковуються в лінію і можуть обмінятися ділянками ДНК - це явище називається рекомбінацією або перерозподілом генетичного матеріалу. Це суттєво підвищує генетичну різноманітність, але це також дає хромосомам можливість заміщати ділянки геному у другої гаплоїдної клітини, щоб усунути ті пошкодження, які могли торкнутися їхньої власної ДНК.

Вченим вже кілька десятиліть відомо про такий корисний ефект мейозу, як репарація ДНК, і в декількох ранніх роботах говорилося, що це допомагає пояснити, чому шкідливі мутації зустрічаються рідше, ніж можна було очікувати. Але дослідження Неделку привертає увагу до того, чому це могло мати таке велике значення на ранніх етапах еволюції спарювання. За її словами, той факт, що ці водорості належать до одних із найдавніших еукаріотів, може вказувати на те, що "в давнину метою спарювання було не розмноження". На її думку, "спарювання виникло в ході еволюційного процесу, мабуть, як засіб для адаптивного реагування на стрес".

Рослини, найпростіші та люди

Ідея про те, що в процесі еволюції спарювання допомагало організмам переживати важкі часи, не є чимось новим. Харріс та Керол Бернштейни, професори молекулярної біології та анатомії в університеті Арізони, висунули цю гіпотезу ще на початку 1980-х років. Однак більшість еволюційних біологів не звернули на неї належної уваги, як сказав еволюційний біолог Франческо Катанія з університету Мюнстера. "Я не розумію, чому спільнота вчених обійшла увагою цю гіпотезу", - заявив він.

Катанія натрапив на цю гіпотезу, працюючи з найпростішими інфузоріями-туфельками. Ці одноклітинні організми вкриті крихітними, рухливими, схожими на волоски відростками клітинної мембрани, які дозволяють їм плавати у воді. Крім того, вони також переходять у режим статевого розмноження під впливом стресу. Згодом Катанія з'ясував, що коли інфузорії-туфельки спаровуються, вони роблять це самі з собою.

"Є окремі дані, які вказують на те, що серед інфузорій-туфельок широко поширене самозапліднення", - сказав він. Можливо, це частково пояснює, чому інфузорії-туфельки мають дуже мізерну генетичну різноманітність — цей факт не вписується в загальноприйняту теорію про те, що перевага статевого розмноження полягає в розмаїтті потомства. Тому Катанія вирішив уважніше вивчити цей момент.

Він з'ясував, що, подібно до водоростей Неделку, окремі особини інфузорій-туфельок отримують для себе безпосередню користь у процесі спарювання. Ті з них, які самі себе запліднили, переживали несприятливі умови середовища краще за ті інфузорії, які цього не зробили. Ті інфузорії, які підготувалися до спарювання напередодні несприятливого впливу, також стали витривалішими. Ці дані привели Катанію та його колег до висновку, що, з одного боку, стрес підштовхує організми до спарювання, з іншого — що активізація процесів, необхідних для здійснення парування, можливо, допомагає інфузоріям справлятися зі стресом. Спарювання як процес носить і генетичний, і клітинний характер, і він передбачає "включення" і "виключення" цілого ряду генів, які мають інші клітинні функції.

Хоча для підтвердження цієї гіпотези необхідні подальші експерименти, Катанія передбачає, що клітинні алгоритми для спарювання та реагування на стрес внутрішньо пов'язані. Він та його колеги виявили, що здатність до самозапліднення та статева зрілість позитивно позначаються на виживаності та що тепло може активувати деякі з тих генів, які прискорюють процес репродуктивного дозрівання в інфузорій. Сам факт підготовки до злиття геномів — навіть якщо цього не станеться, — одночасно готує інфузорію-туфельку до ефективного реагування на несприятливі умови.

Звичайно, інфузорії-туфельки та одноклітинні водорості — це не ссавці, тому їхній досвід спарювання навряд чи можна брати за основу, говорячи про користь спарювання в інших живих істот. Неделку застерігає від зайвого прагнення екстраполяції: за її словами, навіть якщо мейоз виник головним чином для усунення дефектів у ДНК, "на початковому етапі функції спарювання могли відрізнятися від адаптивної функції, яку спарювання має у нині живих видів".

Тим не менш, цілком можливо, що користь від спарювання, не пов'язана безпосередньо з репродукцією, така як відновлення ДНК, може спостерігатися у грибів, рослин і тварин. І, навіть якщо спарювання - це єдиний спосіб розмноження в якихось рослин або тварин, ці непрямі позитивні моменти спарювання можуть впливати на те, чому, як, коли і як часто відбувається спарювання.

Ця непряма користь може виходити далеко за межі мейозу. "Спарювання також пов'язане з копуляцією та статевою поведінкою", - сказала Макдоноу. Вчені, які вивчають різних живих істот, від цвіркунів до мишей, починають говорити про те, що спарювання може мати масу несподіваних позитивних сторін.

Несподіваних, бо, по-перше, прийнято вважати, що статеве розмноження є неефективним способом порівняно з безстатевим розмноженням, а по-друге, тому що процес парування вимагає певних енергетичних витрат від тих особин, які в ньому беруть участь. Вироблення яйцеклітин і сперми, пошуки партнера, акт спарювання - для цього потрібна енергія і ресурси. В результаті відбувається перерозподіл енергії між процесом розмноження та іншими процесами, які потрібні організму для виживання, наприклад, зростанням або зміцненням імунної системи.

Проте більшу частину інформації про користь та витрати процесу спарювання у тварин вчені почерпнули, вивчаючи такі модельні організми, як мушки дрозофіли, і результати подібних лабораторних дослідів можуть виявитися оманливими, як сказала Тері Марков, заслужений професор клітинної біології в Каліфорнійському університеті Сан-Дієго. "Картина, яку ви побачите в природі, може дуже відрізнятися від того, що ми спостерігаємо в лабораторії, тому що умови абсолютно різні", — сказала вона.

Наприклад, у літературі, присвяченій дрозофілам, часто йдеться про те, що спарювання має свою ціну. Але коли Марков та її колеги спостерігали за дрозофілами в природі, вони виявили протилежний феномен і назвали його "ціною невинності". Особи жіночої статі, які спарювалися, жили довше за тих, хто цього не робив. Хоча Марков не проводила докладних експериментів, щоб це підтвердити, вона підозрює, що самки дрозофіли, які отримують еякулят самців, отримують вигоду в кількох, а не в одному значенні.

Біолог Емі Вортінгтон, що вивчає репродуктивну фізіологію та поведінкову екологію в Крейтонському університеті, спостерігала схожу тенденцію у польових цвіркунів. Згідно з поширеною точкою зору, самка польового цвіркуна повинна ставати більш вразливою перед інфекціями після спарювання, коли вона спрямовує більшу частину своєї енергії на відкладання яєць, але натомість вона стає витривалішою. "Ми спостерігаємо це у найрізноманітніших видів — що самки, що спарилися, демонструють вище виживання і більш виражену імунну відповідь порівняно з тими самками, які не спарювалися", — сказала вона, додавши, що виразність цих тенденцій може змінюватись.

Вортінгтон припускає, що в цьому велику роль відіграють гормоноподібні речовини, звані простагландинами. Вони відіграють важливу роль у процесі утворення яєць, але водночас допомагають регулювати імунну систему. "Нам відомо, що простагландини містяться в насіннєвій рідині", - додала вона. Цілком можливо, самки використовують простагландини, які вони отримують від самців, щоб успішно завершити репродуктивний цикл і підвищити свої шанси на виживання.

Друзі з привілеями

Простагландин виробляється не тільки у цвіркунів і комах. Він виробляється в усіх тварин. Тобто, за словами Вортінгтон, отримання еякуляту може зміцнити імунну систему конкретної особини, "будь то комаха, ссавець або ящірка".

У процесі вивчення самців тварин нейробіологи виявили інші моменти. У 2018 році Леа Пайтер, професор психіатрії та нейробіології в Медичному центрі Векснера при державному університеті Огайо, разом зі своїми колегами довела, що в процесі спарювання у самців щурів відбувається стимуляція тих ділянок мозку, які відповідають за імунну систему. Це може означати, що парування допомагає захистити їх від інфекцій. Спарювання також може вплинути на якість роботи їхнього мозку. Інші вчені з'ясували, що в деяких когнітивних тестах щури демонструють вищі результати після парування і що регулярне парування може уповільнити ті негативні процеси в мозку, які пов'язані зі старінням.

"Я думаю, що однозначно існують якісь непрямі наслідки [статевої активності], які вивчені меншою мірою, - сказала Пайтер. - Але це складне питання". За її словами, річ не тільки в тому, що дослідження позитивних ефектів парування — це найчастіше технічно складний процес, а й у тому, що їхні результати можуть бути помилково витрактовані, що може спричинити певні культурні та соціальні наслідки. Навіть Неделку зазначила, що репортери часто запитують її, чи означають її дослідження на одноклітинних водоростях, що саме стрес змушує людей частіше займатися сексом, — зазвичай вона відповідає: "Ні, якщо тільки ви не гаплоїдна одноклітинна водорість".

Зрозуміло, наслідки можуть бути подвійними. З одного боку, культурні погляди та переконання щодо сексу впливають на те, як ми приступаємо до вивчення та як інтерпретуємо результати досліджень на інших організмах. Наші упередження щодо статевої активності - наприклад, те, які види статевої активності можна вважати "нормальними", - суттєво впливають на те, що саме ми вважаємо важливим у вивченні тварин, пояснила Вортінгтон.

Макдоноу згодна з тим, що наші упередження щодо того, як має виглядати секс, а також щодо причин, через які люди повинні або не повинні ним займатися, сильно впливають на наше розуміння поведінки тварин. Багато хто вказує на дослідження одностатевої сексуальної поведінки у тварин як приклад прояву подібних упереджень. Макдоноу та її колеги помітили, що в наукових дискусіях навколо одностатевої сексуальної поведінки у тварин звучить безліч слабких чи необґрунтованих гіпотез: наприклад, що статеві акти за своєю суттю дуже енерговитратні, тому одностатеві сексуальні контакти повинні нести в собі якусь неймовірну користь – таку як суттєве посилення репродуктивних здібностей, щоб така поведінка виникла і закріпилася в процесі природного відбору. 

Замість запитати, чому в процесі еволюції виникли моделі одностатевої сексуальної поведінки, Макдоноу та її колеги "перевернули це питання з ніг на голову" і запитали: а чому вони могли не виникнути? Коли вчені це зробили, вони зрозуміли, що, цілком імовірно, моделі одностатевої сексуальної поведінки в процесі еволюції виникали постійно і вони просто виявилися недостатньо енерговитратними, щоб зникнути в процесі природного відбору. Зрештою, чіткий поділ статей — тобто формування окремих особин, які продукують гамети різних розмірів, — ймовірно, відбулося вже після еволюції мейозу та злиття гамет. Тобто організми таким чином, можливо, підстрахувалися та спробували налагодити процес розмноження за участю будь-якого представника виду.

Крім того, цілком ймовірно, якщо витрати на статевий акт досить низькі, а користь досить висока, то далеко не завжди має сенс шукати відповідного партнера протилежної статі. Особи можуть зрештою прожити довше і передати більше своїх генів, почавши вступати в статеві контакти рано і з будь-якими представниками свого виду, які трапляються їм, або навіть часто займаючись мастурбацією. Але ці гіпотези, ймовірно, так і залишаться невивченими, тому що наші погляди на секс між людьми мають значний вплив на наші погляди на статеву поведінку інших видів живих істот.

Тим не менш, оскільки досліджень того, як статева поведінка позначається на різних організмах, стає все більше, вчені поступово позбавляються упереджень і виявляють, що секс може мати безліч позитивних ефектів, кожен з яких може непомітним чином впливати на те, як різні види це роблять. "Абсолютно все, в чому є хоча б мікроскопічна крихта користі в сенсі чисельності потенційного потомства або якості цього потомства, зберігатиметься в процесі природного відбору", - сказала Вортінгтон.

Буде розумним припустити, що ці позитивні боки сексуальної поведінки як мінімум частково зумовлюють характер її еволюції. "Можливість мати генетично різноманітне потомство не можна порівняти з тим, яку безпосередню користь окрема особина отримує в процесі статевого контакту", - сказала Макдоноу. Всюдисущість сексу було б обгрунтовано у разі, якби статеві контакти підвищували здатність до розмноження як безпосереднім чином, і непрямим — наприклад, збільшуючи тривалість життя. Можна сказати, безпрограшний варіант у сенсі еволюції.

Quanta Magazine, США