Неидеальный человек: Почему эволюция оставила нам болезни, ошибки ДНК и уязвимости - Лоуренс Херст

что с личной жизнью все плохо у вас, вспомните о бделлоидах). Парадокс настолько вопиющий, что Джон Мейнард Смит назвал их «эволюционным скандалом». Но недавно генетики обнаружили у них все признаки полового размножения на молекулярном уровне. Может, никакого скандала и нет?

Считается также, что даже в краткосрочной перспективе у полового размножения есть свои козыри. У некоторых видов половые и бесполые особи прекрасно уживаются в одной популяции. Если бы бесполость всегда была беспроигрышным вариантом, даже на коротких дистанциях, бесполые особи должны были бы полностью вытеснить половых. Но этого не происходит.

В новозеландских озерах обитает один из самых изученных видов — улитка Potamopyrgus antipodarum, у которой в одной популяции есть и половые, и бесполые особи. За 10 лет наблюдений их соотношение то и дело менялось, но полного захвата власти бесполыми так и не случилось. Очевидно, половое размножение дает какое-то преимущество.

В чем же краткосрочные преимущества полового размножения? Вопрос простой, а ответ — одна из главных нерешенных загадок биологии. Исследователи выдвинули больше 20 теорий, причем многие не исключают друг друга. Немало биологов считают: загадка пола не решается именно потому, что единственного объяснения не существует, тут переплетаются разные эволюционные механизмы. Один из вероятных факторов — половое размножение эффективно очищает популяции от вредных мутаций. В этом смысле оно становится частью системы защиты — или хотя бы частью ответа на вопрос, как мы вообще умудряемся существовать при такой слабости естественного отбора.

Есть несколько механизмов, благодаря которым половое размножение борется с вредными мутациями, но один особенно важен для нас, потому что проявляется он именно в малых популяциях. Рассмотрим пример. Представим вид, размножающийся бесполым путем. Мы секвенируем ДНК каждой особи и можем подсчитать как скорость мутирования, так и количество вредных мутаций у каждого индивида. Немногим счастливчикам достанется минимум мутаций, другим — целая куча. Носители множества мутаций чаще погибают (по определению), поэтому отбор поддерживает тех, у кого их мало. Но мутационный процесс постоянно добавляет вредный груз и особям, и их потомству. Две силы — отбор и мутирование — тянут в противоположные стороны. В конце концов популяция достигнет какого-то равновесия: мутации наращивают груз, отбор его снижает.

Но добавим важную деталь: популяция невелика. Значит, особей с минимальным грузом вредных мутаций может быть совсем мало. А что, если по чистой случайности все эти особи погибнут молодыми или просто не оставят потомства? Чем меньше популяция, тем выше вероятность такой катастрофы. И что тогда?

Американский генетик Герман Мёллер заметил ключевую проблему: если вид бесполый, популяция уже никогда не сможет восстановить утраченный минимум мутаций. Новый золотой стандарт теперь будет чуть хуже прежнего. Но дальше история повторяется: в малой популяции этот новый элитный класс тоже может исчезнуть по воле случая. При бесполом размножении нет способа заново создать особей с минимальным грузом мутаций. Каждая потеря генетической элиты — это щелчок храповика, который крутится только в одну сторону. Процесс так и назвали — храповик Мёллера.

Храповик Мёллера обрекает малые бесполые популяции на генетическую деградацию. Более того, процесс может разгоняться. С каждым щелчком храповика абсолютное качество даже лучших особей падает. Если из-за этого сокращается и сама популяция, она становится еще уязвимее к случайной потере генетической элиты. Это может запустить процесс, известный как мутационный коллапс: малые бесполые популяции стремительно мельчают и деградируют с нарастающей скоростью.

Впрочем, остановить храповик Мёллера просто — достаточно заняться сексом. При половом размножении у потомков может оказаться меньше мутаций, чем у каждого из родителей. В этом вся суть полового размножения: оно создает разнообразие. Дети отличаются и друг от друга, и от родителей. Да, кому-то достанется груда мутаций, зато счастливчики получат совсем чуть-чуть.

Существует еще один механизм, благодаря которому половое размножение выгодно видам с аномально высокой скоростью мутирования, таким как мы. В отличие от храповика Мёллера, здесь не нужны случайные процессы и малые популяции. Для работы этой модели требуются всего два условия: достаточно высокая скорость мутаций и нелинейный эффект их накопления — чем больше вредных мутаций, тем хуже особи. Но «хуже» не в том тривиальном смысле, что просто накопилось больше вреда. Речь о другом: каждая новая мутация снижает приспособленность непропорционально сильно. С двумя мутациями вы должны чувствовать себя гораздо хуже, чем предполагает простое удвоение эффекта одной мутации.

Крайний вариант такого эффекта — который заодно упрощает объяснение этой модели — называется отсекающим отбором. При отсекающем отборе организм с одной мутацией живет нормально. С двумя тоже. Но в какой-то момент еще одна мутация — и все, конец. Вы сорвались с обрыва. В природе чистого отсекающего отбора не существует, но это удобная крайность для понимания тех взаимодействий, о которых идет речь.

Теперь давайте посмотрим, как отсекающий отбор подействовал бы на бесполый вид. Такая популяция неизбежно ведет к опасной черте — все особи будут балансировать на самом краю обрыва. Если с 10 мутациями вы еще живы, а 11-я вас убивает, то все живущие будут носить ровно 10 мутаций. Любая особь, получившая еще одну мутацию, мгновенно погибает (да, я предупреждал, модель не самая реалистичная). В таком мире смертность равна скорости мутирования. Чем чаще возникают мутации, тем хуже приходится бесполым.

Что в таких условиях произойдет с половым видом? Справится ли он лучше? Ответ — однозначно да. При каждом спаривании часть потомков получит минимум вредных мутаций, но — и это ключевой момент — другие детеныши унаследуют целый воз мутаций, намного больше смертельных 11. Парадоксально, но это делает популяцию в целом более эффективной и дает матерям прямую выгоду от полового размножения. Секс может произвести на свет детеныша с 15 мутациями (заметьте: у бесполых 15 мутаций быть не может, они погибают на 11-й). Гибель особи с 15 мутациями — это мощная чистка генофонда. Одна смерть — минус пять лишних мутаций. Тем временем гибель бесполой особи удаляет всего одну мутацию.

Теперь можно вычислить критическую скорость мутирования, при которой выгоды полового размножения перевешивают его колоссальные издержки. В отличие от предыдущих сложных расчетов, в которых сам черт ногу сломит, здесь все на удивление просто. Одна мутация. Все верно — если в геноме вида возникает хотя бы одна вредная мутация за поколение, половое размножение становится выгоднее бесполого.

Эта изящная гипотеза породила волну исследований: ученые бросились подсчитывать число новых вредных мутаций у самых разных видов. Заодно начали выяснять, действительно ли вредные эффекты мутаций усиливают друг друга при накоплении. Результаты оказались неоднозначными. Человек со своим аномально высоким темпом мутирования едва-едва преодолевает