Книга: Каждой твари – по паре: Секс ради выживания

* * *

Как это часто бывает со сплетнями, ваше предположение – смесь правды и вымысла. Попробую объяснить вам, что именно происходит на самом деле. Вы наверняка знаете, что для оплодотворения сперма должна соединиться с яйцеклеткой. У вашего вида – как и у других разновидностей морских ежей – за это отвечает белок биндин. Когда, как вы считаете, сперматозоиды меняют расцветку, на самом деле в них видоизменяется биндин, который вообще отличается быстрой изменчивостью. Однако не стоит волноваться: эта скорость относительна. Ваш собственный биндин будет в моде еще тысячи лет после того, как панцирь раскрошится о риф.

Вам, наверное, любопытно: если изменение биндина не обязательно, почему это так всех беспокоит? Причина в том, что ваша разновидность биндина играет решающую роль в идентификации вас именно как морских ежей-скаловертов, точнее грифельных скаловертов. Я не преувеличиваю. Смотрите: ежи – продолговатые скаловерты, ваши ближайшие родственники, как и вы, выбрасывают сперму и икру в море. В принципе, один из ваших сперматозоидов может встретиться с такой чужой икринкой. Однако в этом случае ничего не произойдет: вы не сможете ее оплодотворить, поскольку форма вашего биндина не годится для икры продолговатого ежа.

Что же из этого следует? Очень многое. Размножение – центральное понятие концепции видов, поскольку в соответствии с определением вид – это группа организмов, которые могут скрещиваться между собой. Поэтому любой механизм, мешающий скрещиванию, может привести к возникновению нового вида. К примеру, длительное раздельное существование двух групп одного и того же вида может стать причиной образования нового вида, поскольку каждая группа будет развиваться по-своему. Вот почему острова и озера (фактически островки воды, разделенные сушей) отличаются необычной флорой и фауной.

Новые виды также могут образовываться из-за несовместимости в ходе репродукции – к примеру, когда сперматозоиды и яйцеклетки не могут распознать друг друга. Возвращаясь к вашему виду, изменение в механизме взаимодействия икры и биндина способно привести к возникновению нового вида морских ежей. Чтобы представить, как подобное может случиться, вообразите, что самцы ежа-скаловерта различаются между собой лишь по типу производимого ими биндина. Для простоты допустим, что биндин существует лишь в двух вариантах, А и В. Теперь представьте, что икра каждой самки вашего вида совместима лишь с одним из двух типов биндина. Если совместимость настолько жесткая, что икру некоторых самок может оплодотворить лишь сперма, содержащая биндин типа А, а других – только сперма, содержащая биндин типа В, морские ежи-скаловерты разделятся на два разных вида, даже если их представители будут абсолютно идентичны по всем остальным признакам.

Пока до этого не дошло, однако все движется в этом направлении. Самцы ежа-скаловерта действительно производят биндин различных типов, а яйцеклетка совместима лишь с одним из них. Правда, эта совместимость не имеет эксклюзивного характера – пока. Однако рано или поздно это произойдет, если различия во взаимодействиях будут увеличиваться и дальше. Похоже, нечто подобное однажды уже произошло. Если вы сравните себя с продолговатыми скаловертами, то поймете, что основная генетическая разница между вами заключается все в том же способе взаимодействия биндина с икрой. Во всем остальном вы почти не отличаетесь друг от друга. Теперь вы понимаете, как быстрая эволюция биндина ведет к разветвлению вашего вида.

Забавно, что у многих организмов эволюция протеинов, задействованных при репродукции, – и, соответственно, в производстве спермы, яиц, семенной жидкости и т. д. – идет быстро. Очень быстро. К примеру, у млекопитающих два вида протеина, встречающихся на поверхности яйцеклетки и взаимодействующих со спермой в ходе оплодотворения, изменяются прямо-таки с космической скоростью. Столь же быстро у самок плодовых мушек видоизменяются протеины, влияющие на то, сможет ли очередной любовник извлечь из репродуктивных путей сперму предыдущего ухажера. Чемпионом, однако, следует считать лизин, влияющий на то, сможет ли сперма морского ушка взаимодействовать с икрой самки: она видоизменяется в 25 раз быстрее гамма-интерферона, протеина, играющего важную роль в иммунной системе млекопитающих, который считают наиболее быстро видоизменяющимся из всех известных белков.

Итак, мы обнаружили два забавных факта. Во-первых, в белках, задействованных при репродукции, эволюционные изменения происходят особенно быстро. Во-вторых, изменения этих белков могут приводить к образованию новых видов. А теперь сложим эти факты вместе: если бы мы поняли, почему белки, задействованные в репродукции, видоизменяются так быстро, мы бы сумели разобраться в движущих силах, которые приводят к возникновению новых видов.

Между тем одной из причин быстрой изменчивости белков, участвующих в размножении, может быть именно война полов. Эта теория кажется весьма привлекательной, тем более что мы уже разобрались, как самцы и самки, оказавшись в тисках войны, втягиваются в скоростную гонку вооружений. Более того, среди насекомых, у которых большинство самок встречается с несколькими любовниками, – а это и есть причина войны – новые виды появляются как минимум вчетверо чаще, чем у тех, кто вступает в половую связь лишь с одним.

Это исследование – впечатляющий старт, к тому же оно прекрасно укладывается в теорию. Однако делать какие-либо определенные выводы все еще слишком рано. Чтобы доказать, что борьба полов стимулирует образование новых видов, мы, в идеале, должны продемонстрировать, что быстрая эволюция мужских протеинов, связанных с размножением, ведет к столь же быстрой эволюции соответствующих женских протеинов, и наоборот. Для примера представим, что в результате эволюции семя морского ежа стало проникать в икринки еще быстрее. С точки зрения яйцеклетки это плохие новости: слишком быстрое проникновение может привести к тому, что в икринке окажется более одного сперматозоида. Однако икре это не нужно, поскольку у вашего вида наличие более чем одного сперматозоида не дает развиваться зародышу. Таким образом, яйцеклетка, способная предотвратить слишком быстрое проникновение сперматозоидов, получает эволюционное преимущество. Однако на сегодня нам известен лишь один быстро изменяющийся протеин, при этом оба участника известны, а результат тянет на назидательную историю скорее о погоне, чем о войне.

Как я говорила чуть раньше, лизин, белок, определяющий, смогут ли сперматозоиды морского ушка оплодотворить икру, развивается с рекордной скоростью. При этом сами морские ушки образуют новые виды с впечатляющей скоростью, что очень соблазнительно для исследователя. Давайте же разберемся, что происходит с их икрой. Как и морские ежи, морские ушки тысячами выпускают сперматозоиды и икринки в воду. Каждая икринка упакована в волокнистый материал – вителлин. Чтобы добраться до икринки, сперматозоиду нужно пробурить ход в оболочке: этим и занимается лизин. Таким образом, лизин, содержащийся в сперме, должен сначала закрепиться на вителлине. Изменения в оболочке затрудняют эту задачу. Если лизин не сможет закрепиться на ней, сперматозоид не попадет к икринке. Таким образом, любые изменения в оболочке должны приводить к быстрым изменениям лизина, содержащегося в сперме.

И действительно, лизин эволюционирует в ответ на изменения яйцеклетки. Однако сама яйцеклетка не приспосабливается к лизину. Оболочка икринок видоизменяется случайным образом, и лизину приходится успевать за этими изменениями. Удивительная история: лизин старательно эволюционирует, в то время как икра живет, как ей вздумается, бесстрастно глядя на его старания. Ключ к этой тайне лежит в природе икорной оболочки. Это сложная субстанция, настоящая мозаика из нескольких компонентов. Основная ее часть, к которой, собственно, и прикрепляется лизин, – гигантская молекула VERL (vetelline envelope receptor for lysin, или вителлиновый оболочечный рецептор лизина). Он состоит из элемента, повторяющегося 28 раз.

Повторяющиеся элементы часто становятся причинами генетических проблем. Представьте для примера ген, в последовательности которого одна или несколько букв генетического алфавита повторяются несколько раз подряд. Когда наступает необходимость копирования гена – к примеру, при создании яиц или сперматозоидов, – клеточный генетический копировальный аппарат скользит вдоль молекулы ДНК, копируя ген, как полагается. Все идет хорошо, пока аппарат не доходит до повторяющейся последовательности. В этот момент машина зачастую начинает сбиваться со счета, повторяя последовательность слишком большое или, напротив, недостаточное число раз. Это как если бы вы попытались переписать число 7878787878787878787 без помощи знаков пунктуации, не имея возможности вернуться назад и свериться с оригиналом. Действительно, в подобных случаях часто начинается хаос. Некоторые генетические болезни человека – к примеру, форма слабоумия, известная как болезнь Хантингтона – возникают из-за случайных ошибок в числе повторений.

Что касается VERL у морских ушек, повторяемая часть в нем особенно велика – повторяется не каждый второй, а каждый 460-й элемент, поэтому сбои случаются часто. В случаях, когда повторяемая последовательность велика по размеру, мутация в одном элементе может постепенно распространиться на остальные элементы с помощью пассивного процесса, известного как согласованная эволюция. Почему так происходит, неизвестно. Однако понятна серьезность последствий. Представим, что в одном из 28 элементов, составляющих VERL, произошла мутация, причем столь серьезная, что этот элемент больше не опознается лизином. С точки зрения икры это пустяки. Остальные 27 элементов молекулы продолжают функционировать, так что способность к оплодотворению сохраняется на прежнем уровне. С точки зрения спермы тут тоже нет ничего страшного, поскольку сперматозоид все равно сможет прикрепиться к икринке, используя немутировавший элемент. Однако если мутация начнет распространяться на остальные элементы, самцы, чей лизин способен опознать мутировавшую часть молекулы, получат эволюционное преимущество. Полагаю, именно этот пассивный процесс приводит к быстрой эволюции лизина, заставляя морских ушек образовывать все новые виды. Получается, что этот вид участвует не в эволюционной войне, а в эволюционной гонке.

Отсюда не следует, однако, что битва полов приводит к возникновению новых видов. Это лишь доказывает, что не следует делать поспешных выводов, не имея достаточной информации. Что же касается морских ежей, боюсь, о вашей икре известно настолько мало, что невозможно наверняка утверждать, являетесь ли вы секс-бойцами, любителями побегать за юбками или и тем и другим одновременно. Если я это выясню, непременно дам вам знать.