Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Поскольку обе мутации полезны, потомки мутантов будут размножаться быстрее прочих особей (мы не рассматриваем усложненный вариант, когда оба полезных признака отягощены букетом других мутаций разной степени вредности). Каждый мутант даст начало быстро размножающемуся клону. В конце концов все немутанты будут вытеснены и в популяции останутся два успешных клона: один с мутацией в гене А, другой с мутацией в гене Б. Пока все идет не так уж плохо (с точки зрения «пользы» для популяции).

Дальше начинаются неприятности. Поскольку микробы бесполые, объединить обе мутации в одном геноме они не в силах. Вместо этого начнется конкуренция между двумя клонами, или, по-научному, клональная интерференция. Тот клон, чья мутация оказалась более полезной, в итоге победит, а второй клон (тот, чья мутация оказалась менее полезной) будет вытеснен, т. е. попросту исчезнет. Таким образом, из двух полезных мутаций зафиксируется только одна. Вторая будет утрачена, хотя ее очень жаль терять!

Неэффективность налицо. Бесполая популяция – весьма несовершенная «машина для эволюции». А все потому, что она даже и не популяция в полном смысле слова. Это свора изолированных клонов, жестоко конкурирующих друг с другом.

Но если мы предоставим нашим микробам возможность заимствовать чужие гены, то какой-то мутант с улучшенным геном А рано или поздно позаимствует у микроба из другого клона улучшенный ген Б (или наоборот). В результате появится микроб с обеими полезными мутациями вместе. Его-то потомки и унаследуют мир. Польза ГПГ очевидна, не правда ли? Поэтому если смотреть на проблему отцов и детей глазами эволюциониста, то она легко решается с помощью секса.

Секс делает все полезные мутации, возникшие в популяции, «общим достоянием». Поэтому скорость приспособления к меняющимся условиям у организмов, способных к сексу, должна быть выше, чем у бесполых. Эту идею первыми разработали в 1930-х годах уже упоминавшийся Герман Мёллер и другой гениальный генетик-эволюционист Рональд Фишер (1890–1962). Она так и называется – эффект Фишера – Мёллера.

Эффект Фишера – Мёллера тем сильнее, чем выше частота возникновения полезных мутаций. Эта частота, в свою очередь, зависит от условий среды. Чем хуже условия, тем чаще возникают полезные мутации, чем условия благоприятнее, тем это происходит реже. В этом нет никакой мистики, так получается автоматически. Ведь приспособленность организма и благоприятность условий – стороны одной медали. Ухудшение условий идентично снижению приспособленности. Чем ниже приспособленность (т. е. чем дальше находится организм от локального пика на ландшафте приспособленности), тем выше вероятность того, что случайная мутация окажется полезной. Из этого следует, что эффект Фишера – Мёллера должен быть сильнее в переменчивой среде, к которой организмы не успевают как следует приспособиться.

Схема, показывающая, как секс может ускорять распространение полезных мутаций. При половом размножении (верхний рисунок) два новых полезных аллеля (A и B) объединяются в результате скрещивания особей, каждая из которых имеет только один из этих аллелей. При бесполом размножении (нижний рисунок) приходится дожидаться, пока обе мутации случайно возникнут у одного и того же клона.

Рассмотренные модели применимы к любым популяциям, кроме чрезвычайно больших или абстрактных «бесконечно больших» популяций, с которыми любят играть специалисты по эволюционной генетике. Дело в том, что для бесконечно больших популяций удобно выводить красивые формулы. В популяциях с ограниченной численностью секс, по-разному комбинируя полезные и вредные мутации, регулярно создает генотипы с повышенной приспособленностью, появление которых в бесполой популяции маловероятно. Что касается бесконечно больших популяций, то там все не так очевидно: требуется соблюдение ряда дополнительных условий, чтобы секс давал ощутимое преимущество. Специалисты спорят, насколько часто соблюдаются эти условия в природе. Можно поспорить и о том, часто ли в природе встречаются настолько громадные популяции, что их можно считать бесконечными без ущерба для точности моделей. Общий вывод, впрочем, от этого не меняется. Как правило, секс полезен, особенно если за него не приходится слишком дорого платить.

Секс помогает извлечь пользу из численности

Из модели Фишера – Мёллера вытекает интересное следствие: польза от секса в большой популяции может быть больше, чем в маленькой. Выше мы рассмотрели случай, когда в двух популяциях – половой и бесполой – возникло по две полезные мутации. В бесполой популяции зафиксировалась только одна из них, а вторая пала жертвой безжалостной конкуренции между клонами. В популяции организмов, способных к сексу, зафиксировались обе мутации.

Задумаемся теперь, что произойдет, если мы вдвое увеличим численность обеих популяций.

Логично допустить, что в популяции с удвоенной численностью будет возникать вдвое больше редких полезных мутаций в единицу времени. Поэтому давайте предположим, что в каждой популяции возникло уже не по две, а по четыре полезных мутации (в четырех разных генах у четырех разных особей). Какая судьба их ждет? Ответ очевиден. В половой популяции все четыре мутации объединятся в одном геноме (мы предполагаем, что эффект мутаций аддитивен, т. е. их польза складывается и они не мешают друг другу). Положительное влияние численности налицо: вдвое больше численность – вдвое больше полезных мутаций зафиксировалось.

В бесполой популяции начнется конкуренция между четырьмя клонами – потомками удачливых мутантов. Победит тот клон, чья мутация окажется самой полезной. Остальные три полезные мутации будут вытеснены. Таким образом, почти никакой пользы от удвоения численности бесполая популяция не получит. Ну разве что самую минимальную – за счет того что на этот раз зафиксируется лучшая из четырех мутаций, а не из двух[39 - Нужно еще иметь в виду, что обе популяции получат от роста численности дополнительный выигрыш, связанный с ослаблением дрейфа и повышением «чувствительности» отбора к слабовредным и слабополезым мутациям, о чем говорилось в главе 1.].

Итак, сексуальная популяция с единым генофондом будет адаптироваться тем эффективнее, чем выше ее численность. Бесполая «свора конкурирующих клонов» не получает такого выигрыша от увеличения численности.

В 2002 году этот теоретически предсказанный эффект удалось подтвердить экспериментально. Ник Коулгрейв из Эдинбургского университета работал с жгутиконосцами – хламидомонадами (Chlamydomonas reinhardtii). Эти одноклеточные водоросли могут размножаться как бесполым путем (делением), так и половым, образуя гаметы, которые затем сливаются в зиготы. Половое размножение у хламидомонад можно стимулировать искусственно (поместив жгутиконосцев в воду, не содержащую соединений азота), а можно, наоборот, заблокировать – например, поместив в аквариум жгутиконосцев только одного «пола» (вообще-то у них нет самцов и самок, зато есть так называемые типы спаривания, причем скрещивание возможно лишь между представителями разных «типов», которые ничем, кроме половой избирательности, друг от друга не отличаются). Коулгрейв заставил множество больших, средних и маленьких популяций хламидомонад приспосабливаться к неблагоприятным для них условиям. При этом половина популяций размножалась как бесполым, так и половым путем, а другая половина – только бесполым.

Спустя 50 поколений у всех подопытных популяций была измерена приспособленность (скорость размножения по сравнению с исходными, предковыми жгутиконосцами). Оказалось, что все бесполые популяции приспособились к новой среде почти одинаково плохо – большие лишь ненамного лучше маленьких. Популяции, практиковавшие секс, приспособились лучше, чем бесполые. Самое главное, чем выше была численность, тем сильнее проявилось их преимущество. Маленькие популяции (состоявшие примерно из 1000 особей) приспособились к новой среде лишь на 2 % лучше, чем бесполые, средние (100 тыс. особей) – на 7 %, большие (1 млн особей) – на 13 % (Colegrave, 2002).

Таким образом, проверяемое следствие, вытекающее из модели Фишера – Мёллера, замечательно подтвердилось. Разумеется, то, что справедливо для хламидомонад, не обязательно должно быть верным для всех живых существ. Но никто и не говорит, что в жизни все просто и однозначно.

Переменчивая среда способствует половому размножению

Еще одно подтверждение эффекта Фишера – Мёллера удалось получить в опытах на коловратках (Becks, Agrawal, 2010). Коловратки класса Monogononta (однояичниковые) способны как к бесполому (партеногенетическому), так и к половому размножению[40 - О втором классе коловраток, Bdelloidea (бделлоидных), мы говорили в книге «Рождение сложности». Бделлоидные коловратки – единственный класс многоклеточных животных, полностью отказавшийся от полового размножения и при этом ухитрившийся не вымереть. Другая уникальная особенность этого класса – способность к ГПГ. Как выяснилось, в геномах бделлоидных коловраток полно генов, заимствованных у бактерий, грибов и растений. Не исключено, что возврат к более древнему варианту секса, характерному для одноклеточных, отчасти компенсировал утрату настоящего полового размножения. Возможно, поэтому они и не вымерли.]. При низкой плотности популяции в ней, как правило, присутствуют только самки, производящие так называемые амиктические (партеногенетические) диплоидные яйца, из которых без оплодотворения выводится следующее поколение самок. При высокой плотности часть самок начинает производить гаплоидные яйца, из которых выходят маленькие непитающиеся самцы. Они спариваются с самками, в результате чего образуются «покоящиеся» оплодотворенные яйца с плотной оболочкой. Из них снова выводятся только самки. Решение о переходе к половому размножению коловратки принимают на основе так называемого чувства кворума. Это происходит, когда концентрация веществ, выделяемых самками, превышает определенный порог. Поэтому, чтобы спровоцировать самку на половое размножение, достаточно поместить ее в воду, взятую из аквариума, где плотность популяции коловраток высока.

Коловратка Brachionus calyciflorus поедает колонию нитчатых цианобактерий Anabaena. Коловратка несет на себе два крупных партеногенетических яйца.

У коловраток Brachionus варьирует склонность к тому или другому способу размножения, и эти вариации наследственные. Это значит, что выбранный коловраткой способ размножения зависит не только от среды, но и от генов: встречаются клоны самок, легко и быстро переходящие к половому размножению, тогда как другие клоны делают это менее охотно.

Эти особенности делают коловраток удобным объектом для экспериментального изучения эволюции пола. Выше мы говорили, что эффект Фишера – Мёллера лучше проявляется в переменчивой среде: в этих условиях половое размножение становится более выгодным (Pylkov et al., 1998; Lenormand, Otto, 2000; Agrawal, 2009). Суть идеи в следующем. Допустим, популяция состоит из двух частей (субпопуляций), живущих в разных условиях, причем между частями существует обмен особями (миграция). В каждой из двух субпопуляций отбор благоприятствует разным комбинациям генов (точнее, генетических вариантов – аллелей). Если особь мигрирует из одной субпопуляции в другую, некоторые ее гены окажутся в новых условиях вредными, снижающими приспособленность. Поэтому всем остальным генам данной особи будет выгодно избавиться от этого груза и найти себе более подходящую «компанию», т. е. объединиться с генами аборигенов, лучше приспособленными к местным условиям. Этого легко добиться при помощи полового размножения, но совершенно невозможно, если вы размножаетесь партеногенезом. Поэтому, если миграции происходят достаточно регулярно, любая мутация, повышающая склонность особей к половому размножению, имеет шанс распространиться в популяции и вытеснить конкурирующий аллель, снижающий частоту полового размножения.

Биологам из Канады и Германии удалось получить экспериментальное подтверждение этой идеи в ходе экспериментов с коловратками Brachionus calyciflorus. Подопытные коловратки были выведены из яиц, собранных в одной природной популяции. Ранее было показано, что в этой популяции есть наследственная изменчивость по склонности к сексу, а раз есть наследственная изменчивость, то возможна и эволюция под действием отбора.

Жизненный цикл коловраток класса Monogononta. Из Becks, Agrawal, 2010.

Ученые вывели из собранных яиц 120 лабораторных популяций, изначально одинаковых по своим свойствам и уровню изменчивости. Часть популяций затем выращивали в однородных, часть – в разнородных условиях в течение 14 недель, что соответствует примерно сотне поколений. Численность каждой популяции поддерживалась на уровне около 10 тыс. особей.

Разнородные условия были смоделированы следующим образом. Популяцию делили на две части (субпопуляции). Одну часть помещали в богатую питательную среду, а другую – в бедную. Богатство среды определялось количеством одноклеточных водорослей, которыми питаются коловратки, а количество водорослей – концентрацией азота в воде. Время от времени в каждом аквариуме часть воды заменяли на свежую питательную среду, чтобы количество пищи оставалось примерно постоянным. Миграции между субпопуляциями осуществлялись путем еженедельного пересаживания части коловраток и их яиц из одного аквариума в другой. Использовали два разных уровня миграции: 1 % и 10 % особей за поколение.

В «однородных» экспериментах все делалось точно так же, за исключением того что среда в обоих аквариумах была одинаковая: либо богатая, либо бедная.

Исследователи следили за изменениями частоты полового размножения и «наследственной склонности» к нему в каждой популяции. Реальную частоту определяли по соотношению амиктических (неоплодотворенных) и покоящихся (оплодотворенных) яиц. Изменения «наследственной склонности» (частот аллелей, регулирующих склонность к половому размножению) определяли при помощи индивидуального тестирования клонов коловраток. Из каждой популяции брали по 84 самки и выводили из них небольшие партеногенетические клоны. Затем в воду, где жили эти клоны, добавляли немного воды из аквариума с высокой плотностью самок (как уже говорилось, это стандартный способ сексуальной стимуляции коловраток) и подсчитывали число клонов, перешедших к половому размножению.

В начале эксперимента подопытные популяции продемонстрировали высокую готовность к сексу: более 80 % клонов переходили к половому размножению при стимуляции. Через шесть недель в популяциях, живших в однообразной среде, этот показатель упал до 60 %, еще через шесть недель – до 40 %. Таким образом, в однородной среде коловратки эволюционировали в сторону отказа от секса. Этот процесс шел с одинаковой скоростью как в бедной, так и в богатой среде.

В популяциях, живших в разнообразной среде, через 6 и 12 недель после начала эксперимента наблюдался более высокий уровень полового размножения. Он тоже снизился по сравнению с исходным, но совсем ненамного. По истечении 12 недель 70 % клонов в этих популяциях по-прежнему были готовы перейти к половому размножению в ответ на соответствующий стимул. Уровень миграции (1 % или 10 % мигрантов на поколение) не повлиял на результаты эксперимента.

Почему частота полового размножения все-таки снизилась даже в этих популяциях? Возможно, это объясняется тем, что природная популяция коловраток, из которой были выведены лабораторные, живет в еще более разнородных условиях, чем те, что были созданы в эксперименте.

По прошествии 14 недель авторы объединили все экспериментальные популяции, хорошенько перемешали и снова разделили на 120 изолированных линий. Склонность к сексу в этих линиях изначально была около 45–50 %. Их опять поместили в однородные или разнородные условия. В первом случае частота полового размножения продолжала снижаться, во втором – начала расти. Таким образом, содержание в разнородных условиях может не только замедлять снижение частоты полового размножения, но и приводить к ее росту.

По-видимому, для таких разнородных условий, которые были созданы в эксперименте, устойчивая или равновесная частота полового размножения находится где-то между 55 и 70 %. Если частота оказывается ниже равновесного уровня, «гены полового размножения» получают селективное преимущество над «генами асексуальности», и наоборот. В однородных условиях равновесный уровень составляет не более 25–30 % (до этой отметки упала склонность к сексу у подопытных популяций к концу 20-й недели), а может быть и вовсе равен нулю. Исследователи допускают, что если бы они продолжили эксперимент, то, наверное, смогли бы вывести коловраток, полностью утративших интерес к сексу, подобно тому как это произошло с бделлоидными коловратками.

Полученные результаты согласуются с идеей о том, что половое размножение помогает разбивать комбинации генов, подходящие для одних условий, но невыгодные в других. Это подтверждается, в частности, тем, что коловратки, жившие в течение 15 недель в однородной (бедной или богатой) среде, действительно адаптировались к этим условиям. Адаптированность оценивали по среднему числу потомков, производимых одной самкой в течение жизни. Коловратки, приспособившиеся к богатой среде, производят в ней в среднем около девяти потомков за жизнь, но, если их пересадить в бедную среду, их репродуктивный успех падает до пяти потомков. Самки, адаптировавшиеся к бедной среде, производят около шести потомков, а если их пересадить в богатую среду, их плодовитость падает до 5,5. Следовательно, разные условия действительно способствовали отбору разных аллелей.

По-видимому, разнообразие условий среды является важным фактором, не позволяющим большинству организмов отказаться от секса.

Дрожжи занимаются сексом не от хорошей жизни

Хотя вопрос о том, почему большинство живых существ предпочитают сложный процесс полового размножения простому бесполому, продолжает оставаться любимой головоломкой эволюционистов-теоретиков, в общем виде эта задача была решена, по-видимому, еще Августом Вейсманом в конце XIX века (Weismann, 1889). Вейсман предположил, что секс увеличивает разнообразие потомства, тем самым предоставляя материал для отбора и повышая его эффективность, что позволяет организмам быстрее адаптироваться.

Сегодня, по прошествии века с четвертью, можно сказать, что гипотеза Вейсмана при всей ее расплывчатости и неконкретности в целом подтвердилась. Правда, попытки ее конкретизировать породили новые проблемы. Появилось несколько конкурирующих теорий, которые по-разному оценивают влияние полового размножения на эффективность разных форм отбора. Одни модели, как мы уже знаем, видят в сексе прежде всего способ ускоренного накопления полезных мутаций (повышение эффективности положительного отбора). Другие подчеркивают роль секса в отбраковке вредных мутаций (отрицательный отбор). Поставить эксперимент, который позволил бы разделить эти два эффекта, трудно, потому что мы не умеем напрямую регулировать соотношение полезных и вредных мутаций у подопытных организмов. Можно, однако, регулировать его косвенно, меняя степень благоприятности среды. «Благоприятность» означает, что организмы хорошо приспособлены именно к такой среде, многие их гены подогнаны к ней оптимальным образом. Поэтому в идеальных условиях вероятность появления полезных мутаций минимальна. В неблагоприятной среде частота полезных мутаций должна быть выше: случайные перемены с большей вероятностью пойдут на пользу организму, если ему живется плохо. Что касается вредных мутаций, то они в обоих случаях должны возникать намного чаще, чем полезные. Однако их средняя «вредность», скорее всего, будет меньше, если условия благоприятны. Дело в том, что живые организмы, как правило, имеют «запас прочности». Например, у дрожжей из бооо генов только 1000 абсолютно необходимы для выживания в идеальных условиях. Все остальные нужны для борьбы с разного рода трудностями, т. е. для жизни в неоптимальной среде (Hillenmeyer et al., 2008). Ясно, что мутации, нарушающие работу этих «дополнительных» генов, будут в среднем более вредными в стрессовых условиях, чем в оптимальных.

Все эти соображения были учтены Джереми Греем и Мэттью Годдардом из Оклендского университета (Новая Зеландия) при планировании эволюционного эксперимента, в ходе которого они попытались сравнить влияние секса на эффективность положительного и отрицательного (стабилизирующего) отбора (Gray, Goddard, 2012).

В эксперименте использовались линии дрожжей, различающиеся по скорости мутирования и по способности к сексу. Наряду с обычными, «дикими» дрожжами, у которых средняя частота мутирования составляет 6,9?10

мутаций на пару нуклеотидов за поколение (в геноме дрожжей 1,2?10

пар нуклеотидов), использовались дрожжи с удаленным геном MSH2. Этот ген участвует в исправлении ошибок в ДНК, поэтому его удаление привело к десятикратному ускорению мутагенеза – до 7,3?10

мутаций на пару нуклеотидов за поколение.

Жизненный цикл дрожжей Saccharomyces cerevisae.

Кроме того, чтобы лишить часть подопытных линий способности к сексу, авторы удалили у них два гена (SPO11 и SPO13), необходимых для мейоза. В результате получились «бесполые» дрожжи, не отличающиеся от обычных ни по скорости размножения, ни по другим существенным характеристикам. Дрожжи размножаются бесполым путем (почкованием), пока им хватает пищи. Голодание стимулирует мейоз, в результате которого диплоидная клетка превращается в четыре гаплоидные споры. Гаплоидные клетки подразделяются на два пола (a и ?). Разнополые клетки сливаются попарно, образуя зиготу, после чего цикл повторяется. Генно-модифицированные бесполые дрожжи при голодании тоже пытаются превратиться в споры, но вместо четырех гаплоидных спор у них получаются две диплоидные, вполне жизнеспособные и не нуждающиеся в слиянии с кем бы то ни было.

Всего, таким образом, авторы получили дрожжевые клетки четырех типов:

1) способные к сексу, с низкой скоростью мутирования;

2) способные к сексу, с высокой скоростью мутирования;

3) бесполые, с низкой скоростью мутирования;

4) бесполые, с высокой скоростью мутирования.