Чому природа воліє пари і навіть у дріжджів дві статі?

У віроподібних грибів Schizophyllum commune Нового Південного Уельсу, Австралія, понад 23 000 статевих типів, кожен з яких здатний бути партнером сотень інших. Це яскравий приклад того, наскільки різними за якістю і мінливими за кількістю можуть бути статеві типи, що змушує задаватися питанням, чому у більшості видів їх всього лише два.

У деяких видів не пара, а набагато більше підлог (точніше - їх функціональних еквівалентів), проте у більшості видів їх тільки два. Згідно з новою теоретичною моделлю, справа в частоті спарювань.

Нам властиво виділяти дві біологічні статі: чоловічий і жіночий. Але, поки не почалася еволюція, в результаті якої з'явилися яйцеклітини і сперма, тобто поки статеві клітини не стали різнитися за розміром і формою, організми не можна класифікувати по підлозі. Це відноситься і до багатьох нинішніх видів грибів, водоростей і найпростіших тварин, чиї статеві клітини розрізняються не анатомічно, а лише на молекулярному рівні, і замість підлог є лише типи спарювання, або статеві типи. І ці типи не обов'язково утворюють пари.

Наприклад, у соціальної миті Dictyostelium discoideum три статевих типи, і кожен здатний спарюватися з двома іншими. Coprinellus dispinatus, гриб із попільно-сірим капелюшком, має 143 статевих типи, кожен з яких може стати парою для будь-кого з 142 інших. Волосатий, віроподібний гриб Schizophyllum commune використовує понад 23 000 типів спарювання (втім, його хитромудра репродуктивна стратегія не дозволяє кожному з цих типів спарюватися з будь-яким іншим).

Тип спарювання, або статевий тип - поняття, що застосовується по відношенню до мікроорганізмів, у яких є статевий процес, але до яких класичне поняття біологічної статі непримінне, оскільки у них відсутні яйцеклітини і сперматозоїди як такі (тобто гамети, різні структурно і за розміром). Замість цього у них може відбуватися не супроводжується злиттям клітин передача генетичної інформації між клітинами при їх безпосередньому контакті (кон'югація) або злиття однакових (ізогамія) або однакових за будівлею, але різних тільки за розміром (анізогамія) гамет.

Однак у більшості видів лише два типи спарювання. Джордж Констабл (George Constable), науковий співробітник Університету Бата (University of Bath), і Ханна Кокко (Hanna Kokko), біолог-еволюціоніст з Цюріхського університету (нім. Universität Zürich, UZH), вирішили з'ясувати чому. У статті, опублікованій в червні в Nature Ecology & Evolution, вони запропонували передбачати, скільки типів спарювання виявиться у виду, за допомогою моделі, створеної на основі трьох фундаментальних екологічних елементів: частоти мутацій (вона генерує нові типи), розміру популяції і - що виявилося досить несподіваним - частоти статевих зносин. Робота цих дослідників не тільки дає можливість краще зрозуміти базову біологію примітивних видів живих організмів, але і, мабуть, сприятиме з'ясуванню того, як під час еволюції з'явилися дві протилежні статі - чоловічий і жіночий.

На думку багатьох вчених, розвиток типів спарювання в ранній період життя на Землі став бар'єром на шляху інбридингу і подібних йому форм схрещування, здатних завдати шкоди популяції або виду. У результаті статевого зносини з невідповідним типом спарювання (включаючи спарювання організму з самим собою) не з'являється ніякого потомства.

Якщо не враховувати це обмеження, виходить, що виду вигідно мати якомога більше типів спарювання. За наявності двох типів тільки половина популяції здатна претендувати на роль статевого партнера для даної особи. При трьох типах число потенційних партнерів зростає до двох третин і так далі, у міру появи нових типів спарювання. Коли в результаті мутації з'являється новий статевий тип, перед ним не постає проблема відшукати в популяції рідкісну пару; навпаки, він може спарюватися з усіма, в силу чого швидко виробляє потомство і збільшує свою чисельність.

«Логічно припустити, що число типів спарювання має все зростати і рости до тих пір, поки їх рахунок не піде на тисячі», - зазначає Констабл.

Чому ж статевих типів рідко буває дуже багато? Це пояснюють тим, що виду потрібна стабільність. Виходить, що найкращий варіант - мати всього лише два типи спарювання: тут можна використовувати прості, ефективні феромонні мережі і просту систему сортування при передачі органелл з батьківських клітин в клітини потомства. Однак такого роду теорії не враховують безліч винятків.

І тут Констабла осінило. "Я зрозумів: вся справа в нашому припущенні про те, що види спарюються безперервно ", - говорить він. Це припущення істотно впливало на якість його прогнозів про розвиток популяцій, оскільки в періоди відсутності спарювання статевий тип перетворюється на нейтральну ознаку, і тоді домінування одних типів і зникнення багатьох інших залежить від випадкових подій.

Згідно з новою моделлю, великі популяції, в яких розмноження найбільшою мірою залежить від статевих зносин, здатні підтримувати більше типів спарювання, ніж ті популяції, де менше статевих зносин. Констабл і Кокко задалися питанням, наскільки рідкісним має бути статеве розмноження, щоб мало місце всього лише два типи спарювання. Виявилося, дуже і дуже рідкісним: тільки один раз за кілька тисяч поколінь. У цих чудових чорнильних грибів (Coprinellus dispinatus), сфотографованих в Лондоні, 143 статевих типи, кожен з яких здатний спарюватися з будь-яким з інших.

«Спочатку я був розчарований, - пригадує Констабл. - Частота здавалася дуже низькою». Але, перейшовши до дослідження конкретних видів, він і Кокко виявили, що їхні теоретичні передбачення добре працюють. «Це й чудово», - каже Барт Ньівенхейс (Bart Nieuwenhuis), біолог-еволюціоніст Мюнхенського університету (нім. Ludwig-Maximilians-Universität München, LMU). Амби, гриби та інші організми, у яких два типи спарювання, мають тенденцію вступати в статеві зносини дуже рідко. В інший час ці організми віддають перевагу більш швидкому і менш енергоємному безстатевому розмноженню: наприклад, у деяких видів дріжджів спостерігається одне статеве зносини на 1000 - 3000 поколінь. Воно має місце тоді, коли стресові умови навколишнього середовища роблять вигідним для виду змішати гени і тим самим поліпшити шанси на розвиток нових корисних властивостей.

Між тим, підкреслює Констабл, види грибів, що мають сотні або тисячі типів спарювання, відомі як «найсексуальніші гриби в грибному царстві». Схоже, що нова модель пояснює й інші спостережувані біологами статеві закономірності, наприклад здатність деяких видів змінювати типи спарювання або підтримувати своє існування за рахунок спарювання представників одного і того ж статевого типу.

«Це дозволило підняти завісу давньої таємниці і відкрило шлях до вирішення серйозних проблем, досить простий, ясний і безпосередньо пов'язаний з біологією даних організмів», - вважає Юссі Лехтонен (Jussi Lehtonen), біолог-еволюціоніст з Сіднейського університету (University of Sydney).

Крім того, на думку Кокко, нова модель дала можливість ясно побачити, що наші знання про фундаментальні закони біології, що сформувалися на основі вивчення жменьки видів живих організмів (таких як миші, плодові мушки або кишкові палички), не в змозі охопити реальне розмаїття навіть найбільш важливих процесів, що відбуваються в природі. "Дослідники [можуть бути] трохи короткозорими, коли потрібно усвідомити різноманітність. Далеко не все живе підпорядковується набору широко відомих правил ", - підкреслила Кокко у своєму електронному листі. Вона сподівається, що її дослідження надихнуть вчених на подальше емпіричне вивчення грибів і подібних їм незвичайних, обділених увагою видів. (Ця робота допомогла б добудувати її модель, додати до неї такі важливі видоспецифічні механізми, як феромонна сигналізація і спадкування органелл).

Езотеричні, на перший погляд, правила життєдіяльності грибів і схожих з ними організмів можуть, як не дивно, сприяти вивченню властивостей, які всім нам прекрасно знайомі. «Ми можемо розглядати існування двох типів спарювання як тригер еволюції, в результаті якої з'явилися дві протилежні статі - чоловічий і жіночий», - стверджує Сільвен Білльярд (Sylvain Billiard), біолог з французького Лілльського університету наук і технологій (фр. Université des Sciences et Technologies de Lille 1). Модель Констабла і Кокко, мабуть, здатна пояснити, які умови необхідні для того, щоб дана еволюція отримала основу. Ньівенхейс припустив, що, оскільки два типи спарювання домінують при низькій частоті статевого розмноження, в цих умовах можуть виникати ситуації, коли дуже важко знайти статевого партнера. Ймовірно, такі умови сприятливі для спеціалізованих, дрібних гамет, здатних порівняно легко добиратися до партнера. Звідси - пряма дорога до сьогоднішніх статей.

Дещо з цього Ньівенхейс намагається реконструювати в лабораторії: він працює з дріжджами, щоб створити третій статевий тип, здатний спарюватися з двома вже існуючими. «Але це дуже складно», - говорить він, і поки що його зусилля не увінчалися успіхом.

Як і Ньівенхейс, Констабл вважає, що робота в даному напрямку може мати прикладне значення. У патогенних грибів, що заражають культурні рослини, один з типів спарювання часто володіє особливо руйнівними властивостями, і гени, що визначають цей тип, можуть, скажімо, мати відношення до його небезпечної стійкості до протигрибкових препаратів. З'ясувавши, чому дані властивості виступають разом, можна зробити боротьбу з хворобами культурних рослин більш ефективною.

На думку Зени Хадживасіліу (Zena Hadjivasiliou), наукового співробітника Женевського університету (фр. Université de Genceve), відкриття Констабла і Кокко "в деяких відносинах... почалися з досить простого інтуїтивного прозріння. Але іноді саме цей тип натхнення стає джерелом найяскравіших наукових досягнень ".