Почему существуют два пола

В главе 13 мы видели, что глубинное биологическое различие между полами связано с передачей потомству митохондрий. Женский пол специализируется на передаче митохондрий в больших неподвижных яйцеклетках (яйцеклетка человека содержит 100 тысяч митохондрий). Напротив, мужской пол специализируется на том, чтобы не передавать митохондрии, и в мелких подвижных сперматозоидах их очень мало. Мы рассмотрели причины такого странного поведения и обнаружили, что они часто сводятся к конфликту между генетически различными популяциями митохондрий. Чтобы ограничить возможности конфликта, митохондрии обычно наследуются только от одного из родителей. Но мы видели, что исключения из этого простого правила встречаются у разных организмов, в том числе грибов, деревьев, летучих мышей и даже у людей. В главе 14 мы внимательно рассмотрели вопрос, в какой мере теорию конфликта митохондрий поддерживают многочисленные данные, полученные в ходе генетических исследований человека. Эти данные противоречивы и вызывают ожесточенные споры, так как влияют на трактовку нашей предыстории, но картина, постепенно складывающаяся в процессе споров, помогает понять, почему существуют два пола. В этой главе мы попробуем соединить элементы этой картины воедино.

Существенный аспект теории конфликта заключается в том, что разные митохондриальные популяции могут конкурировать друг с другом, и единственный способ предотвратить конфликт — это обеспечить генетическую идентичность всех наследуемых митохондрий. Единственный способ гарантировать единообразие — убедиться, что все они происходят из одного источника, то есть от одного родителя. Смешение, как утверждается, фатально. Вера в то, что природа не терпит смешения митохондрий от двух родителей (гетероплазмию), лежит в основе ортодоксальной доктрины митохондриальной популяционной генетики человека. Согласно ей, мужские митохондрии быстро удаляются из яйцеклетки и не передаются следующему поколению. Это означает, что митохондрии передаются по материнской линии, и их число увеличивается только за счет бесполого размножения. Таким образом, митохондриальная ДНК остается практически неизменной, так как никаких возможностей для рекомбинации нет. Тем не менее последовательности митохондриальной ДНК постепенно расходятся у разных популяций и рас по мере накопления случайных нейтральных мутаций за тысячи и десятки тысяч лет. Предполагается, что такие накопившиеся различия смирно сидят в геноме и никуда не деваются, так как естественный отбор не действует на митохондриальные гены, по крайней мере на «контрольный участок», который не кодирует белки. Мутации остаются в митохондриальном геноме навеки, безмолвные свидетели потока истории.

Последние данные по эволюции человека изрядно замутили воду, указывая на действие еще более глубоко спрятанного механизма. Нельзя сказать, что теория конфликта геномов неверна, но она лишь часть большей картины. Давайте попробуем поймать рыбку в этой мутной воде. Мы видели, что митохондриальная рекомбинация все-таки возможна. У некоторых видов (например, у человека) это происходит очень редко, у других видов, например дрожжей и мидий, чаще. Суть в том, что митохондриальная рекомбинация — не табу, как считалось раньше. Более того, условие для рекомбинации — гетероплазмия (смесь непохожих митохондрий) — встречается гораздо чаще, чем предполагает модель эгоистичного конфликта. Некоторая степень гетероплазмии встречается у 10–20 % людей, а у многих других видов это обычное явление. Кроме того, мы видели, что разные методы анализа дают разные результаты скорости изменения митохондриальных генов. Данные по частоте мутаций митохондриальной ДНК у разных семей предполагают, что одна мутация происходит каждые 800–1200 лет, а длительная дивергенция рас дает другие цифры: одна мутация на каждые 6–12 тысяч лет. Это расхождение можно объяснить, если принять тот факт, что многие варианты элиминирует естественный отбор. Есть надежные данные в пользу того, что естественный отбор все-таки действует на митохондриальные гены, и действует тонким и всеобъемлющим образом.

Так почему же существуют два пола? Давайте подумаем о митохондриях. Они не независимые сущности, а часть клетки. Они содержат белки, кодируемые двумя разными геномами. Ядерные гены кодируют подавляющее большинство митохондриальных белков (около 800), а митохондриальные гены кодируют оставшиеся 13 белков, но все они являются важными субъединицами комплексов дыхательных цепей. Белки, кодируемые митохондриальными генами, жизненно важны для дыхания. Таким образом, необходимость взаимодействия двух геномов объясняет необходимость существования двух полов. Давайте посмотрим, почему это так.

Успешная работа митохондрий критически зависит от взаимодействия белков, кодируемых ядерным и митохондриальным геномами. Эта двойная система контроля не есть нечто установленное раз и навсегда. Она эволюционировала и постоянно оптимизируется, потому что является самым эффективным способом удовлетворения потребностей клетки. Как мы видели в части 3 книги, митохондрии сохранили некоторое количество генов не случайно, а по «конструктивной» причине. «Группа быстрого реагирования» генов в митохондриях нужна для поддержания эффективного дыхания. Гены, которые могли быть перенесены в ядро, там и оказались. Это дает много преимуществ, и возможность утихомирить беспокойных митохондриальных гостей — не последнее из них.

Любая рассогласованность работы белков, кодируемых в ядре, и белков, кодируемых в митохондриях, чревата катастрофой. Тонкий контроль митохондриальных функций влияет не только на снабжение клетки энергией, но и на другие жизненно важные вопросы, такие как апоптоз, плодовитость, пол, теплокровность, болезни и старение. Но насколько хорошо работает этот двойной контроль? Младенцы — чудо природы и доказательство ее удивительной гармонии, но совершенство обходится дорого. Многие супружеские пары годами безуспешно пытаются завести детей, и даже у репродуктивно здоровых родителей ранний выкидыш — скорее правило, чем исключение. От 70 до 80 % эмбрионов спонтанно абортируются в первые недели беременности, и будущая мать, как правило, просто не замечает этого. Причины, по которым это происходит, по большей части до сих пор непонятны.

Не исключено, что проблема связана с взаимодействием двух геномов. Продукты экспрессии ядерных и митохондриальных генов должны работать в тесном взаимодействии. Частота мутаций в митохондриях млекопитающих высока, в среднем в 20 раз выше, чем в ядре, а иногда в 50 раз выше. Это связано с близостью митохондриальной ДНК к свободным радикалам, утекающим из дыхательных цепей. Но это не все. Ядерные гены перетасовываются за счет полового процесса. Поскольку гены, кодирующие митохондриальные белки, находятся на разных хромосомах, они тасуются и сдаются заново в каждом поколении. В итоге мы имеем серьезную проблему сочетаемости. Белки дыхательных цепей стыкуются друг с другом с наноскопической точностью. Приведу один пример: цитохром с (кодируемый в ядре) должен связываться с цитохромоксидазой (кодируемой в митохондриях), чтобы передать ей свой электрон. Если связывание окажется неточным, электрон не будет передан и дыхание остановится. Образующиеся при этом свободные радикалы окисляют мембранные липиды, те высвобождают цитохром с, и это запускает апоптоз. Если посмотреть с этой точки зрения, то странная роль цитохрома с при апоптозе кажется уже не странностью, а необходимостью. Это позволяет быстро удалять клетки, в которых дыхание неэффективно из-за рассогласования работы ядерных и митохондриальных генов.

Требование высокой сочетаемости указывает на исключительную важность коадаптации митохондриальных и ядерных генов. Они должны действовать синхронно, иначе дыхание не сможет протекать нормально. Неспособность коадаптироваться тут же карается смертью за счет апоптоза. Прямых данных о существовании такой коадаптации становится все больше. Если заменить митохондриальную ДНК у мышей на митохондриальную ДНК крыс, транскрипция белка будет протекать как обычно, но дыхание остановится, так как митохондриальные белки крыс не могут правильно взаимодействовать с кодируемыми в ядре белками мыши. Иными словами, контроль дыхания более жесткий, чем контроль транскрипции и трансляции. Даже легкая рассогласованность митохондриальных и ядерных генов сказывается на скорости и эффективности дыхания. Важно, что темпы эволюции цитохрома с отражают темпы эволюции цитохромоксидазы, хотя скорость изменений, лежащих в основе темпов в этих двух случаях, различается более чем в 20 раз. Надо полагать, любые новые варианты, снижающие эффективность дыхания, выбраковываются естественным отбором. Отпечаток отбора виден в том, что многие сохраняющиеся изменения последовательностей относятся к так называемым нейтральным заменам, то есть они не меняют последовательность белка. Тот факт, что соотношение нейтральных и «смысловых» замен в митохондриальных генах выше нормы, указывает на то, что мутации, меняющие аминокислотные последовательности, элиминируются естественным отбором. Есть и другие косвенные данные о том, что исходный смысл должен сохраняться любой ценой. Например, некоторые простейшие, такие как Trypanosoma,  при изменениях последовательностей ДНК «редактируют» последовательности считанных с нее РНК. Тот факт, что в генетическом коде митохондрий имеются исключения из универсального генетического кода, тоже можно объяснить попыткой сохранить исходный смысл, несмотря на изменения последовательности ДНК.

Принимая все это во внимание, можно сказать, что два пола нужны для обеспечения точного соответствия работы митохондриальных и ядерных генов. Если соответствие не точное, дыхание нарушается, и возникает высокий риск апоптоза и нарушений развития. Точность соответствия постоянно находится под угрозой из-за двух факторов: высокой частоты мутаций митохондриальной ДНК и «перемешивания» новых ядерных генов в каждом поколении за счет полового процесса. Чтобы обеспечить как можно более точное соответствие в каждом поколении, нужно протестировать на совместимость один набор митохондриальных генов и один набор ядерных генов. Поэтому митохондрии должны наследоваться только от одного родителя. Если они происходят от двух родителей, два набора митохондриальных генов окажутся в паре с одним набором ядерных. Это все равно что при подготовке танцевального номера с тремя участниками поставить с одним партнером двух женщин совершенно разного сложения. Даже если все участники — прекрасные танцоры, ничего хорошего у них не получится. Для красивого метаболического вальса нужны слаженные движения двух партнеров — одного типа митохондрий и одного набора ядерных генов.

Эта гипотеза двойного контроля имеет два важных следствия. Во-первых, она позволяет примирить существующие модели, объясняя противоречия между ортодоксальной доктриной и фактами, обнаруженными в исследованиях эволюции человека. Чтобы добиться согласованной работы митохондриального генома и ядерного генома, нужно (в общем), чтобы митохондриальный геном наследовался от одного родителя, поэтому материнское наследование является нормой. Если митохондрии наследуются от обоих родителей, эффективность дыхания, скорее всего, будет нарушена, так как двум популяциям митохондрий придется танцевать с одним и тем же ядерным партнером. Ситуация обострится, если разные митохондриальные геномы будут конкурировать согласно теории эгоистичного конфликта. Обратите внимание, однако, что некоторая степень гетероплазмии и рекомбинации возможна, так как иногда она может обеспечить наилучшее соответствие геномов. Все это позволяет объяснить неожиданные открытия последних лет — гетероплазмию, рекомбинацию митохондриальной ДНК, действие отбора на митохондрии. «Чистота» митохондриальной популяции — это важно, но самый важный аспект — это все-таки эффективность работы митохондриальных генов во взаимодействии с ядерным геномом.

Во-вторых, гипотеза двойного контроля подводит положительную базу под естественный отбор. Одна из трудностей теории эгоистичного конфликта заключается в том, что, согласно ей, отбор может только выбраковывать отрицательные последствия конфликта геномов. Однако, как мы видели, гетероплазмия зачастую не приводит к жесткой конкуренции двух геномов. Если гетероплазмия — не такая уж вредная вещь, то почему естественный отбор, как правило, все же поддерживает материнское наследование? Напрашивается ответ: потому, что оно, как правило, полезно. Теория двойного контроля предлагает нам веское обоснование этой пользы: наиболее приспособленными обычно оказываются те особи, которые наследуют митохондриальную ДНК только от матери, так как это обеспечивает наилучшее соответствие ядерного и митохондриального генома. Вот и объяснение существования двух полов.

Где и в какой момент отбор обеспечивает гармонию между ядерными и митохондриальными генами? Скорее всего, во время развития женского эмбриона, когда подавляющее большинство яйцеклеток (ооцитов) погибают путем апоптоза. Вероятно, существует своего рода «бутылочное горлышко», через которое проходят только наиболее приспособленные клетки. Оно способствует отбору клеток с отлично работающими митохондриями.

О том, как именно это работает, известно очень мало, и некоторые даже сомневаются, что такой отбор вообще существует. Тем не менее имеющиеся данные в общих чертах соответствуют предсказаниям гипотезы двойного контроля. Такое впечатление, что выживание ооцитов зависит от того, насколько успешно их митохондрии работают на фоне работы ядерного генома.