Глава 8. На заре древнего секса

Так когда же и почему живые существа начали размножаться при помощи секса? Почему перешли к сексу, отказавшись от обычного «почкования» и отделения части себя для создания новой одинаковой формы жизни (клона, имеющего ту же ДНК, что и родитель); когда и как два организма решили соединиться, чтобы поделиться друг с другом своим генетическим материалом, создав генетически более разнообразное потомство?..

Простейшие формы жизни делятся на имеющие ядра в клетках (эукариоты) и не имеющие таковых (прокариоты). Большинство современных, в нашем понимании, организмов – сложные многомолекулярные животные и растения (называемые «метазоанами») – являются эукариотами, содержащими в себе ДНК. Большинство эукариотов практикуют половое размножение, обмен генетическим материалом с целью получения потомства, хотя некоторые могут размножаться бесполым способом, «отпочковывая» свои копии. Некоторые животные вроде гидр (родственников медуз) способны размножаться как половым способом, так и делением, в зависимости от достатка питания. «Секс» в биологии определяется как процесс мейоза и гаметогенеза, когда клетки делятся путем деления хромосом пополам, порождая половые клетки – гаметы (например, сперматозоиды или яйцеклетки). Когда мужские и женские гаметы разных организмов соединяются, половины хромосом восстанавливаются до целых, начиная создавать генетически неповторимый организм. Так как же смогли древние организмы пролить свет на такие тонкие микроскопические процессы, протекавшие не миллион, а, вероятно, миллиард лет назад?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, стоит вспомнить действительно выдающегося человека, Реджа Спригга, чьи работы в области геологии породили совершенно новую ветвь исследований, которая с тех пор перевернула наше понимание начальных этапов развития многоклеточных организмов. Редж родился в 1919 году в Стансбери, на полуострове Йорк в штате Южная Австралия. Он собирал окаменелости и раковины на местном пляже и увлекся минералами благодаря случайной встрече со старым шахтером. В Университете Аделаиды ему повезло учиться под началом таких людей, как сэр Дуглас Моусон и профессор Сэсил Медиган, ветеранов антарктических исследований. Моусон говорил, что Спригг был «лучшим студентом, которого он когда-либо знал». Спригг был любознательным и любил задать каверзный вопрос и поспорить со взглядами своих преподавателей, что не было в те времена обычным делом.

Выйдя из университета с дипломом по зоологии и наградами в области геологии в 1941 году, Спригг был вовлечен в сверхсекретный правительственный проект Австралии по поиску урановых месторождений в стране. В то время шла война, и началась большая гонка разработок в области использования урана и ликвидации последствий его использования. Затем, как известно, это вылилось в создание первых ядерных бомб и, в результате, в ужасающий апофеоз войны в Хиросиме и Нагасаки. Редж занимался несколькими ключевыми месторождениями в Австралии и ездил изучать урановые месторождения в Европу и США, чтобы расширить свои знания в области ураноносных руд. На момент возвращения в Австралию он был, пожалуй, самым компетентным в мире человеком в данной области.

Несмотря на новаторские работы, правительство Австралии препятствовало его научной деятельности, скрывая информацию. В итоге Редж передал свои исследования в области урана другим ученым и переключил свой блестящий ум на работу в топливной компании. Но открытие, на которое он наткнулся в процессе изучения урана в холмах Эдиакары в Южной Австралии, осталось. Он нашел необычные окаменелые останки и с помощью геологического картирования определил, что они датируются ранним кембрием (около 540 млн. лет назад), к тому же прежде никто не находил столь больших окаменелых многоклеточных организмов в древних докембрийских рудах. Редж определил, что найденное было отпечатком медузы, и представил отпечатки в ANZAAS (Ассоциации развития австралийской и новозеландской науки) в 1946 году. Понимая значение находки такого возраста, он опубликовал две важные статьи в журнале Transaction of the Royal Society of South Australia в 1947 и 1949 годах, в которых описал различные виды медуз из исследуемых им мест.

Теперь вспомним о Мартине Глэсснере, выдающемся палеонтологе богемского происхождения. Мартин учился и работал в Вене, во время войны бежал из фашистской Германии с женой, русской балериной, в Новую Гвинею, намереваясь работать в компании Shell, и в итоге переехал в Австралию. Не найдя постоянной работы в Мельбурне, он перебрался в Аделаиду, где его внимание привлекли находки Реджа Спригга в холмах Эдиакары. В 1958 году Глэсснер опубликовал статью на ту же тему, что и Спригг, о новых формах нижнекембрийских (то есть нижележащих пород) окаменелостей из Эдиакары, но в том же году открытие на другом конце мира представило эдиакарские находки в совершенно новом свете.

В своем отчете, опубликованном в 1958 году, доктор Тревор Форд из Лестерского университета описывал отпечатки организма, напоминавшего по форме ветви папоротника, найденные в Чарнвудском лесу в Англии, определенно докембрийского возраста. Он назвал папоротник Charnia massoni. Схожие формы папоротников были найдены в Эдиакаре. Тогда Мартин Глэсснер написал в Nature статью о находках докембрийских медуз и прочих кишечнополостных (тип, к которым принадлежат медузы и актинии) из Эдиакары, Африки (Намибии) и Англии, объявив миру о том, что в Австралии найдены их древнейшие останки. Вскоре после этого вышла статья о находках, попавшая на обложку Scientific American в 1961 году. С тех пор раскопки в Эдиакаре ведутся непрерывно и по-прежнему проливают свет на многие вещи. Сегодня эти ископаемые известны как «эдиакарская биота», а их точный возраст оценивается в 560 млн. лет, что значительно раньше взрыва эволюции в кембрии, 540 млн. лет назад.

Наследие Реджа Спригга продолжает жить в названии нового геологического периода, описанного спустя более чем век после открытия. Эдиакарский период (635–542 млн. лет назад) был официально утвержден в 2004 году, и сегодня он известен как время появления разнообразия многоклеточных форм жизни. А значит, для появления такого разнообразия должен был появиться и секс.

Человек, обнаруживший секс в Эдиакаре, начал поиски в 1971 году, но осознал значимость находок лишь в 2008 году. Доктор Джим Гейлинг, мой коллега и друг, куратор Южно-Австралийского музея в Аделаиде, начал поиски пластов с окаменелостями в других частях хребтов Флиндерса, работая в Эдиакаре в 1971 году. В 1972 году он со своим напарником Колином Фордом нашел нечто похожее на ветвеобразные организмы, что удерживались в тех же напластованиях останками животного. Это противоречило прежним утверждениям Глэсснера, считавшего, что эдиакарские находки были останками, нанесенными приливом. Исследование Гейлинга намекало, что они могли быть гораздо старше. Споры об эдиакарских организмах и их возрасте продолжаются и сегодня, и недавнее открытие попало в заголовки газет в 2008 году, после публикации в Science: оно объявляло происхождение секса выясненным.

Работа Мэри Дросер и Джима Гейлинга описывала новую эдиакарскую находку, Funisia. Funisia – червеподобный трубчатый организм, в изобилии встречающийся в Эдиакаре так часто, что можно в деталях изучить различные стадии его развития. Дросер и Гейлинг определили, что организмы являются одним поколением мальков. Следовательно, все они были порождены одним и тем же явлением, благодаря чему развивались одновременно: сексом. Проще говоря, рожденные бесполым путем, они бы больше отличались по размерам. Этот факт означал, что имел место секс, то есть обмен биологическим материалом, выбрасываемым в воду, как это происходит у кораллов.

London Times писал: «Предполагается, что пупырчатое животное, названное Funisia dorothea, размножалось так же, как современные кораллы и губки, но кроме этого, о его природе известно немного». И конечно, журналисты тут же начали спрашивать ученых, получала ли Funisia удовольствие от секса.

«Секс для нее был скорее способом размножения, чем развлечением, – сказала профессор Дросер из Университета Калифорнии. – Я полагаю, они были слишком примитивны, чтобы наслаждаться сексом. Не думаю, что они обнимались. Но я могу ошибаться, я была бы рада узнать, что они получали от этого удовольствие».

В случае проведения учеными тщательного анализа данных эти эдиакарские находки косвенно доказывают крайне раннее появление полового размножения по образу современных кораллов и губок. Встает вопрос: а мог ли секс появиться еще раньше?

Самые древние эукариоты – это, вероятно, причудливые спирали, известные как Grypania. Их останки, обнаруженные в штатах Монтана и Мичиган, датируются 1,8 млрд. лет назад. Согласно одной из теорий, это гигантские водоросли, другие же считают их большими цианобактериями, колонии которых образовывали слоистые структуры, похожие на холмы, – строматолиты, захватывая плавающие частицы. Превосходные примеры последних и сегодня существуют в заливе Хэмлин в Австралии. Бактерии размножаются бесполым путем, они просто создают свои копии. Учитывая, что большие спиралеобразные бактерии сегодня встречаются не часто, скорее всего, это были водоросли, размножавшиеся половым способом. Так не является ли Grypania древнейшим организмом, размножавшимся половым способом?

Эти находки могут представлять нечто большее, чем просто останки ранее живших организмов. Порой некогда существовавшая жизнь может быть найдена по следам веществ, оставленных ею, – как призрак, мелькающий в породе. Так, в 1999 году Йохен Брокс со своими коллегами из Австралийской геолого-исследовательской организации в Канберре нашел такие биологические отметки в виде жиров в породах западноавстралийского региона Пилбара. Это отодвинуло предполагаемую границу появления эукариот до отметки в 2,7 млрд. лет назад. В августе 2008 года Биргер Расмуссен со своими коллегами из Университета Кёртин в Западной Австралии опубликовал в Nature статью, в которой резко переосмыслил возраст этих биоотметок. Исходя из того что они появились в породах уже после их метаморфизации (нагревания и перекристаллизации под большим давлением и при больших температурах), их возраст теперь оценивается в 1,68–1,78 млрд. лет. А это и есть, дорогие читатели, тот период времени, с которым мы связываем появление секса.

Следует извечный вопрос: зачем был изобретен секс? Почему нельзя было продолжить просто делиться и почковаться? Не проще ли было бы нам размножаться, как маленькие пресноводные гидры, вместо всех этих запутанных брачных ритуалов? Могли бы мы просто выращивать на себе отростки, впоследствии отбрасывая их, как отмершие болячки, и таким образом создавать себе подобных?

Может, это было бы и легче, но ничего хорошего из этого не вышло, учитывая, что все мы были бы одинаковыми с одинаковыми личными качествами. Представьте себе мир, состоящий из миллиарда одинаковых людей. Это действительно сделало бы жизнь проще, особенно производителям обуви и одежды, но первая же инфекция стерла бы весь миллиард с лица земли.

Помимо того, половое размножение влечет за собой еще два главных преимущества. Во-первых, такие организмы быстрее приспосабливаются к изменениям среды, а во-вторых, они лучше защищены от негативных генетических мутаций. Британские ученые Питер Кейтли и Адам Эйр-Уокер провели эксперименты по оценке темпов генетических мутаций ряда животных, в особенности дрозофил. Они выяснили, что половое размножение не только очищает геном от опасных мутаций, но, наряду с другими механизмами, нацелено на приспособление к изменениям среды. То есть половое размножение и обмен ДНК позволяют нам лучше справляться с непредвиденными явлениями окружающей среды, которые в ином случае были бы смертельны.

Сара Отто из Университета Британской Колумбии подробно пишет о значении полового размножения для эволюции и верно отмечает, что, помимо обеспечения разнообразия, это еще и хорошее упражнение. Животное или растение вынуждено искать партнера, подвергая себя риску заражения от него, и становится легкой добычей для хищников, а иногда и для партнера, как в случае с богомолами и некоторыми другими беспозвоночными. Секс – не самый эффективный способ обмена генами. Партнер делится лишь половиной своего генетического материала, в то время как при бесполом размножении сто про центов передается следующему поколению. Отто подчеркивает то, что биологи называют «ценой» секса: при половом размножении организмы вынуждены производить в два раза больше потомства, чем при бесполом, чтобы не исчезнуть.

Несмотря на эти недостатки, эволюция привела к тому, что сегодня лишь некоторые крупные организмы размножаются бесполым путем (около 0,1 % всех организмов на земле, исключая, конечно, самые многочисленные – бактерии).

Секс порождает разнообразие, а это большой плюс в условиях постоянно и непредсказуемо меняющейся среды. Континенты медленно перемещаются, изменяются океанические течения вместе со всем климатом, а порой происходят внезапные (в геологическом понимании) катастрофы вроде вулканических извержений и изменений уровня океана. В таких условиях генетическое разнообразие позволяет быстрее приспосабливаться к различным вызовам среды. Великий немецкий биолог Август Вайсман сказал это еще в 1889 году, но, несмотря на непрекращающиеся исследования плюсов и минусов полового размножения, это по-прежнему не вызывает сомнения.

Некогда одноклеточные организмы начали создавать более сложные тела (метазоаны), а половое размножение стало преобладающим. Взрыв эволюции в начале кембрия, 540 млн. лет назад, стал отправной точкой возникновения множества различных видов строения организмов, большинство из которых существуют и сегодня. Это и первые черви, и моллюски (как морские моллюски, так и улитки), и членистоногие (насекомые, пауки, крабы). Кстати, последние особенно отличаются сексуальными извращениями.