Кислород. Молекула, изменившая мир

Однако эти преимущества проявились только после эволюции полового размножения, но, как мы обсуждали в главе 7, эволюция не имеет цели. Чтобы тот или иной признак распространился в популяции, сначала он должен обеспечивать какие-то преимущества на уровне отдельных особей, которые начинают процветать за счет других особей, не имеющих этого признака. Преимущества рекомбинации генов на уровне отдельных особей совершенно неочевидны. При половом размножении две здоровые особи, которым удалось дожить до половой зрелости, спариваются между собой, перемешивая свое надежное генетическое содержимое, которое по статистике в результате такого перемешивания вполне может стать менее надежным. Причины появления полового размножения до сих пор горячо обсуждаются учеными, и мы поговорим об этом чуть позже. А сейчас заметим только, что те же самые соображения касаются и процесса старения. Если старение — результат эволюции, оно должно было обеспечивать какие-то преимущества на уровне отдельных особей, иначе оно никогда не распространилось бы в качестве неотъемлемого признака самых разных форм жизни. Старение распространено даже шире, чем половое размножение, поскольку присуще практически всем растениям и всем животным. Это означает, что его преимущества были весьма существенными.

Поскольку половое размножение и старение тесно связаны между собой, мы сначала исследуем преимущества полового размножения на уровне отдельных клеток. Важнейшим параметром является скорость воспроизведения. При бесполом размножении микроорганизмов, таких как бактерии, воспроизведение заключается просто в делении клетки надвое (бинарное деление), так что из одной клетки получаются две, из двух четыре и т. д., и рост популяции в целом подчиняется экспоненциальному закону. Скорость роста популяции, размножающейся половым путем, очевидно, намного ниже: из двух половых клеток получается одна, которая должна разделиться надвое, прежде чем произведет дочерние клетки, которые могут сливаться с другими клетками для производства потомства. Кроме того, половые клетки должны найти друг друга и удостовериться в том, что подходят друг другу. Этот процесс энергетически дорог и полон опасностей. Всего за несколько поколений бесполая популяция намного обгоняет по численности популяцию, размножающуюся половым путем. Верно и обратное: если в популяции, размножающейся половым путем, появляются бесполые особи, через некоторое время вся популяция становится бесполой. Если исходить из арифметических расчетов, половое размножение не должно было возникнуть вовсе, а если оно появилось против всяких правил, оно давным-давно должно было исчезнуть. Почему же этого не произошло?

Чтобы ответить на вопрос, мы должны вернуться к центральной проблеме биологии: как поддерживать целостность генетической информации при ее передаче каждому следующему поколению? Мы видели, что бактерии решили этот вопрос за счет высокой скорости воспроизведения при строгом отборе. Таким образом, при бесполом размножении плата за генетическую чистоту — высокий уровень смертности, а это очень высокая цена. Возможно, она безразлична слепому часовщику (так эволюционный биолог Ричард Докинз называет естественный отбор), но это невероятно расточительный способ существования по сравнению с другим, гораздо более эффективным способом устранения или хотя бы маскировки генетических дефектов. Половое размножение, несомненно, позволяет гораздо более эффективно скрыть повреждения. Это основа такого волшебного явления, как сила гибрида, которым пользуются при разведении растений и животных. Суть в том, что потомство неродственных родителей по многим параметрам превосходит обоих родителей. Напротив, близкородственное скрещивание приводит к противоположному результату. Чтобы разобраться в этом, нужно подробнее рассмотреть механизм полового размножения, особенно форму клеточного деления, называемую мейозом.

Большинство организмов, размножающихся половым путем, включая человека, имеют специализированные половые клетки (гаметы), содержащие только половину генетического материала родительской клетки. Такие клетки называют гаплоидными, что означает, что они имеют лишь один набор хромосом, более или менее случайным образом составленный из двух родительских наборов. Когда гаметы сливаются друг с другом с образованием оплодотворенной яйцеклетки, каждая приносит один набор хромосом, в результате чего восстанавливается их полный набор. Таким образом, оплодотворенная яйцеклетка имеет два эквивалентных набора хромосом и называется диллоидной клеткой. Если бы клетки просто сливались друг с другом, получались бы тетраплоидные клетки с четырьмя наборами хромосом. Понятно, что продолжать так далее невозможно, и поэтому организмы, размножающиеся половым путем, производят половые клетки путем мейоза. При таком способе деления число хромосом сокращается вдвое, что вновь приводит к образованию гаплоидных половых клеток для следующего поколения.