Вопрос о том, как и почему появилось половое размножение, остается одной из главных загадок биологии. В отличие от простых бактерий, которые могут обмениваться небольшими фрагментами ДНК, сложные организмы размножаются слиянием половых клеток (копуляция). У этого процесса есть очевидные минусы: требуется искать партнера, что затратно с точки зрения энергии и времени. Однако в долгосрочной перспективе у видов, способных к половому размножению, больше генетических комбинаций, что увеличивает шансы на появление полезных мутаций. Смешение генов позволяет быстрее адаптироваться к изменениям среды.
Первые эукариоты (организмы с ядром) начали практиковать половое размножение почти сразу после своего появления 2,5 миллиарда лет назад. При этом бактерии и археи, существующие дольше, обходятся без него — они обмениваются фрагментами ДНК, но никогда не сливаются полностью.
Но главный вопрос остается открытым: если половое размножение так сложно, почему оно вообще появилось? Ключ к разгадке, возможно, скрывается в поведении современных одноклеточных эукариот. Многие из них переходят к половому размножению только в экстремальных условиях: при истощении питательной среды, резких изменениях температуры или кислотности. Например, дрожжи образуют споры после слияния, а инфузории временно объединяют ядра.
Статья по теме: Ученые рассказали, почему гренландские акулы так долго живут и редко подвержены раку
Команда британских математиков и биологов-эволюционистов под руководством Джорджа Констебла (George Constable) из Йоркского университета предложила новую гипотезу: половой процесс мог начаться как стратегия выживания в тяжелых условиях. Когда среда становилась неблагоприятной, отдельные клетки могли сливаться, создавая более крупные образования с увеличенными запасами питательных веществ. Это показала математическая модель, в которой клетки эволюционировали в двух сценариях: в изобильной среде и в условиях жесткого дефицита питания.
Констебл объяснил, что многие современные одноклеточные организмы прибегают к половому размножению только в стрессовых ситуациях. Например, они могут образовывать споры, пережидая кризисный период. В отличие от животных, где сперматозоид сливается с яйцеклеткой, у одноклеточных организмов половой процесс происходит между клетками одинакового размера. В результате получается более крупная клетка, которая имеет больше ресурсов и лучше защищена от неблагоприятных условий.
Эта идея была впервые предложена британским биологом-эволюционистом Томасом Кавалье-Смитом (Thomas Cavalier-Smith), а теперь ее подтвердили математические модели.
Статья по теме: Морские биологи пытаются понять, что убивает белых акул у берегов Канады и США
Авторы нового исследования пояснили, что первые биологические механизмы слияния были далеки от совершенства. Скорее всего, они не включали обмен ДНК. Это был хаотичный процесс, где клетки просто сливали цитоплазму и ресурсы. Лишь позже эволюция «добавила» механизмы рекомбинации генов — так случайное объединение превратилось в инструмент создания генетического разнообразия.
Современные клетки используют специальные белки (например, SNARE), чтобы аккуратно соединить мембраны. Первобытные микроскопические существа рисковали буквально порвать себя на части, когда пытались соединиться друг с другом. Но модель Констебла доказала: даже если 86% клеток гибнут при попытке слиться, процесс все равно эволюционно выгоден. Оставшиеся 14%, кто выживет, получат такой запас прочности, что их потомки захватят популяцию.
«У животных половой процесс неравный: крошечный сперматозоид жертвует собой, чтобы доставить ДНК в крупную яйцеклетку. Но у одноклеточных партнеры всегда равны. Вероятно, изначально оба участника вкладывали поровну ресурсов. Лишь позже природа разделила роли на «доноров» и «реципиентов» генетического материала», — пояснил Констебл.
Статья по теме: Структура песен горбатых китов похожа на структуру человеческой речи
Однако не все ученые согласны с этой гипотезой. Эндрю Помянковский (Andrew Pomiankowski) из Университетского колледжа Лондона считает, что если бы клеточное слияние давало столь очевидное преимущество, его можно было бы наблюдать и у простых бактерий. Однако у бактерий слишком толстые клеточные стенки, что делает процесс слияния слишком затратным.
Половое размножение могло возникнуть как побочный продукт борьбы за существование. Возможно, первые клетки сливались не ради передачи генов, а чтобы выжить в тяжелых условиях. Это предположение объясняет, почему половой процесс возник практически одновременно с первыми сложными клетками. Но именно такая «аварийная система» стала двигателем биоразнообразия.
Выводы команды Констебл опубликованы на сайте электронного архива научных статей и препринтов по биологии bioRxiv.org.