Зачем природа придумала секс: ученые нашли его эволюционное преимущество

Это помогает видам выживать

Зачем существует пол — точнее, половое размножение? Для эволюционных биологов ответ далеко не очевиден. Половое размножение требует немалых затрат: приходится конкурировать за партнера, а кроме того, создавать целую популяцию, в которой способностью производить потомство обладает лишь половина особей. Поэтому ученые давно задаются вопросом, зачем оно вообще возникло. Ведь при бесполом размножении, как у бактерий, не нужно тратить силы на поиск партнера, а каждая особь потенциально способна дать начало новому поколению.

Дрожжи как модель для быстрой проверки гипотезы

В качестве модельного организма ученые выбрали штамм дрожжей. Эти микроорганизмы широко используют в выпечке и пивоварении, но для исследователей особенно ценны благодаря способности размножаться как бесполым, так и половым путем.

Есть у дрожжей и другое преимущество: новое поколение у них появляется примерно каждые 90 минут. Это позволяет наблюдать эволюционные изменения в эксперименте, не дожидаясь десятилетий или столетий.

Благодаря такому короткому жизненному циклу команда ученых смогла проследить изменения после 960 поколений всего за четыре месяца. Для крупных млекопитающих аналогичное исследование заняло бы от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.

Половое размножение дает преимущество

Работа, опубликованная в журнале Science, началась с 12 генетически идентичных популяций дрожжей, которые выращивали в благоприятных и стабильных условиях. Сначала все они размножались бесполым путем, однако каждые 100 поколений ученые заставляли отдельные линии один раз размножиться половым путем.

Сначала исследователи подтвердили результаты предыдущих работ: в стабильной благоприятной среде популяции, размножающиеся половым путем, со временем становятся более приспособленными, чем бесполые. Почти за тысячу поколений приспособленность половых популяций выросла на 8% по сравнению с исходной популяцией, тогда как у бесполых этот показатель увеличился на 5,7%.

Затем ученые проверили, как дрожжи эволюционируют в разных условиях: в среде с повышенной концентрацией соли, при более высокой температуре, при пониженной кислотности и при меньшем содержании фосфатов. Во всех измененных условиях популяции, размножавшиеся половым путем, получили преимущество в приспособленности перед бесполыми — от 2 до 5,6%.

На первый взгляд такая разница может показаться незначительной. Однако на больших временных отрезках даже преимущество в доли процента способно привести к тому, что одна популяция полностью вытеснит другую.

«Различия в отборе, составляющие доли процента, в больших популяциях способны полностью изменить их состав. Несколько процентов для микроорганизма — это много. Такой эффект может позволить популяции захватить среду всего за 50–100 поколений», — рассказал ученый.

Почему половое размножение особенно важно при изменении среды

Ученые также попытались понять, за счет какого механизма половое размножение дает преимущество в меняющейся среде. Некоторые гены обладают так называемой плейотропностью — то есть влияют сразу на несколько признаков организма. Одни из этих признаков могут быть полезными, другие — вредными.

Вредные признаки, которые снижают способность организма выживать или размножаться, со временем естественным образом становятся менее распространенными или исчезают из популяции. Но нейтральные или лишь слегка вредные мутации могут сохраняться. Особенно часто это происходит, если тот же ген одновременно отвечает за полезный признак, дающий организму преимущество. Такой набор нежелательных изменений ученые называют генетическим «багажом», который сохраняется за счет сцепления с полезными признаками.

Когда условия окружающей среды ухудшаются, как произошло в эксперименте с дрожжами, некоторые ранее нейтральные или лишь незначительно вредные мутации могут начать угрожать выживанию. И именно здесь проявляется преимущество полового размножения.

У бесполых организмов практически нет способа избавиться от такой угрозы: их потомки являются клонами и генетически идентичны родителям. При половом размножении потомство получает комбинацию генов обоих родителей. Поэтому часть новых организмов может не унаследовать вредные мутации, которые прежде сохранялись вместе с полезными признаками. Со временем это позволяет уменьшить или полностью устранить их негативное влияние.

«Мы показали, что без полового размножения популяции не просто накапливают вредный генетический багаж. Они накапливают изменения, которые могут быть почти безобидными в той среде, где происходит эволюция, но становятся вредными в других условиях», — объясняет ученый.

При половом размножении, напротив, организм избавляется от вредных последствий такого генетического «соседства» и меньше приспосабливается исключительно к тем условиям, в которых находится в данный момент. Это может стать большим преимуществом, когда окружающая среда меняется или постоянно колеблется.

Преимущество, которое может работать у разных организмов

Хотя коллеги проводили эксперименты с микроорганизмами, ученые считают, что обнаруженный механизм может работать и у более сложных организмов, где бесполое размножение встречается реже, но все же существует.

Например, у растений новое растение можно получить из черенка — оно будет генетически идентично исходному организму. Среди животных некоторые виды ящериц способны к партеногенезу — развитию потомства из неоплодотворенной яйцеклетки, в результате чего появляются генетические копии матери.

По мнению ученых, способность полового размножения ускорять адаптацию и избавлять популяции от вредного генетического «багажа» может быть универсальным преимуществом этого способа размножения.

Недавно ученые нашли причину, почему строение таза у мужчин и женщин так различается.