Кислород. Молекула, изменившая мир

Половое размножение позволяет устранить дефекты в зародышевых клетках за счет рекомбинации ДНК из разных источников, а также за счет того, что предоставляет для действия естественного отбора не всю популяцию в целом, а лишь ее часть — гаплоидные половые клетки. В мужской сперме, выделяющейся при одной эякуляции, содержится несколько сотен миллионов сперматозоидов, которые участвуют в жесточайшей конкуренции за оплодотворение яйцеклетки. До яйцеклетки добирается лишь пара тысяч сперматозоидов, а 99,9999% погибают по дороге: это естественный отбор, сравнимый с естественным отбором у бактерий, и проявление принципа избыточности. Чтобы поддерживать здоровой линию зародышевых клеток, на суд естественного отбора отдается избыточная часть популяции, из которой только лучшие экземпляры могут становиться частью зародышевой линии. Видимо, неприятное ощущение ненужности, знакомое многим мужчинам, имеет очень глубокие корни. Но это не все. Принцип избыточности лежит в основе разделения клеток на соматические и клетки зародышевой линии.

На самом фундаментальном уровне функция половых клеток заключается в том, чтобы передавать неповрежденную ДНК следующему поколению, тогда как функция соматических клеток — не сохраниться на века, а быть выбранными за силу и здоровье. Это различие между половыми и соматическими клетками восходит к истокам возникновения полового размножения. Мы не знаем, как появилось это различие, но его связь с половым размножением обсуждается в книге «Половое размножение и происхождение смерти», написанной иммунологом Уильямом Кларком из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. На примере парамеция (микроскопического одноклеточного животного, обитающего в пресноводных прудах) Кларк демонстрирует, какими могли быть первые эволюционные связи между дифференцировкой (в данном случае внутри одной клетки), половым размножением, старением и смертью.

Парамеций может размножаться как половым, так и бесполым способом. Бесполое размножение происходит за счет почкования дочерних клеток от материнской клетки. Однако этот процесс не может идти бесконечно. Даже при оптимальных условиях выращивания примерно через 30 клеточных делений в культуре клеток начинают проявляться признаки старения. Скорость роста клеток снижается, они перестают делиться, и, если популяция не оживляется за счет полового размножения, она погибает. Эта ситуация кардинальным образом отличается от ситуации в популяции бактериальных клеток, которая в целом теоретически бессмертна, хотя многие составляющие ее клетки умирают. В случае парамеция смертной оказывается вся популяция в целом. Такая картина объясняется сложным жизненным циклом парамеция. Одноклеточный парамеций имеет два ядра: крупное называется макроядром, а мелкое — микроядром. Макроядро отвечает за рутинные функции клетки, тогда как микроядро содержит плотно упакованную и связанную с белками неактивную ДНК. При бесполом делении клетки микроядро на какое-то время просыпается, воспроизводит свою ДНК для создания микроядер дочерних клеток и вновь отключается. Одновременно с этим макроядро тоже делится с образованием новых макроядер для дочерних клеток.

По-видимому, макроядро стареет и умирает первым. Мы точно не знаем, что вызывает его старение. Хотя Кларк склоняется к теории программированного старения (в чем, как мне кажется, он не прав), он связывает старение микроядра с износом — с накоплением на протяжении 30 поколений случайных генетических мутаций. Но какой бы ни была причина старения клеток парамеция, чтобы перезапустить биологические часы, он должен прибегнуть к половому размножению. При слиянии двух подходящих клеток в них пробуждаются микроядра, которые делятся путем мейоза с образованием двух гаплоидных микроядер для каждой дочерней клетки. Одно ядро из каждой клетки обменивается на одно ядро из другой клетки, и вновь перемешанные пары гаплоидных ядер сливаются с образованием одного диплоидного микроядра для каждой клетки. Далее эти ядра делятся путем митоза с образованием новых диплоидных макроядер для каждой клетки. Новые микроядра отключаются, а новые микроядра принимаются за рутинную работу. Старые микроядра расщепляются по определенной программе, а их компоненты утилизируются омоложенными клетками. Таким образом, парамеций сочетает преимущества быстрого воспроизведения бесполым способом и периодического вычищения генома за счет полового размножения.