Карл Циммер - Она смеется, как мать [Могущество и причуды наследственности] [litres]

Когда во время мейоза хромосома разрезается на фрагменты, гены, находящиеся рядом, скорее всего окажутся в одном сегменте. А те, что далеко отстоят друг от друга, с большей вероятностью попадут в разные. Это происходит подобно тому, как если бы кто-то решил разодрать словарь – слово «мейоз» скорее оказалось бы в том же фрагменте, что и «митоз», а не в том, где объясняется «хромосома». Догадка Стёртеванта привела его к построению генетических карт, которые показывали, насколько далеко расположены гены относительно друг друга на хромосоме. Теперь наследственность обрела свою географию.

Принципы наследственности, открытые группой Моргана на мухах, вновь и вновь оказывались верными и для других видов. Мейоз не был исключением. Мы, люди, наряду с другими животными тоже оказались его продуктами. Колышущиеся приливами скользкие водоросли, шелестящие на ветру заросли бамбука, вздымающиеся из-под земли грибы-веселки – у них у всех происходит мейоз. Хотя ученые пока не пришли к единому мнению о том, зачем он возник, уже есть множество доказательств, что он позволяет эволюции работать лучше [361] См.: Lenormand et al. 2016; Mirzaghaderi and Hörandl 2016; Niklas, Cobb, and Kutschera 2014; Wilkins and Holliday 2009. .

Смотрите, что делает мейоз у одной из моргановских мух-дрозофил. Как и у других мух, у нее есть определенный набор признаков, скажем, короткие крылья, сильная иммунная система и способность откладывать множество яиц. Предположим, что гены, отвечающие за эти признаки (один плохой и два хороших), находятся на одной хромосоме. Без мейоза муха передавала бы эти три гена в одной связке, так как они лежат на одной хромосоме. Более того, если на этой хромосоме возникнет новая вредная мутация, то и она будет передаваться потомкам вместе с остальными генами. Через поколения потомство этой мухи будет страдать от бремени вредных мутаций.

Дайте мухе мейоз – и все изменится. Ее потомки более не обречены наследовать определенную комбинацию генетических вариантов на каждой хромосоме. Мейоз перемешает аллели и образует новые комбинации. Некоторые потомки мухи унаследуют маленькие крылья и слабую иммунную систему. Зато у других благодаря мейозу крылья окажутся мощными, а иммунная система – сильной. Эти здоровые мухи смогут размножиться, и их потомки будут поддерживать популяцию в следующих поколениях. В итоге в популяции сохранятся комбинации лучших аллелей, а вредные мутации канут в небытие.

Биолог из Гарварда Майкл Десай проверил эту идею, сравнив между собой разные дрожжи. Он выбрал эти одноклеточные грибы за их гибкость в отношении размножения. Дрожжи могут клонировать себя бесполым путем или размножаться половым. Для клонирования дрожжевая клетка выращивает почку, которая выпирает из ее клеточной стенки. Материнская клетка удваивает свои хромосомы и отправляет копии в почку, которая затем может оторваться, чтобы стать самостоятельной клеткой.

Иногда дрожжи переходят к половому размножению [362] См.: Casselton 2002; Hodge 2010. . У той линии, что использовал Десай, есть два типа спаривания, они называются a и α. При каждом из них выделяются химические вещества, привлекающие клетки с другим типом спаривания. Клетки a и α типа приближаются друг к другу и сливаются вместе. Объединенная клетка, содержащая двойной набор хромосом, может размножаться почкованием, давая новые клетки. Когда пища вокруг заканчивается, клетка отвечает на это тем, что запускает мейоз между a и α наборами хромосом.

Материнская дрожжевая клетка соединяет парные хромосомы разных наборов вместе и перемешивает их ДНК. Затем разделяет хромосомы и образует споры. Покрытые плотной оболочкой, они могут перенести смешанные гены в лучшие условия, где дрожжи смогут снова расти.

В своем эксперименте Десай позволил части дрожжей размножаться половым путем один раз в 90 поколений. Остальные же могли только клонировать себя. Десай сравнил произошедшие у дрожжей эволюционные изменения, заставив их конкурировать за еду с начальной популяцией в пробирках с питательной средой. Иногда у дрожжевой клетки появлялись новые мутации, дававшие ей преимущество, тогда такая клетка оставляла больше потомков. Десай следил за эволюционной судьбой каждой группы дрожжей на протяжении тысячи поколений.

Различия между половыми и бесполыми дрожжами были яркими [363] McDonald, Rice, and Desai 2016. . Иногда среди клеток, которые могли только клонировать себя, появлялась удачная мутация, позволявшая им размножаться быстрее. Однако вместе с этой полезной мутацией клоны получали и весь набор вредных. Те дрожжи, которым Десай позволял запускать половое размножение, отделяли полезные мутации от вредных благодаря мейозу. По мере того как появлялись новые полезные мутации, мейоз собирал их вместе, создавая еще более приспособленные дрожжи. В конце эксперимента дрожжи с половым размножением эволюционировали гораздо лучше, чем дрожжи с бесполым.

Эта древняя способность создавать новые комбинации отвечает на некоторые типичные вопросы о наследственности. Когда Грейс родила нашу вторую дочь Веронику, мы, наблюдая за ее ростом, удивлялись, как же она непохожа на свою старшую сестру Шарлотту. У них были одни и те же родители, они унаследовали свою ДНК из одних и тех же двух геномов. Они выросли в одном доме, ели одну и ту же пищу. И при этом Шарлотта и Вероника оказались отнюдь не клонами друг друга. У Шарлотты бледная кожа, веснушки, зеленоватые глаза и волосы пшеничного цвета. У Вероники кожа более темного оттенка, а глаза – цвета красного дерева. Шарлотта выросла до 152 см – это довольно средний рост. Вероника оказалась выше среднего, поэтому многие думают, что она на пару лет старше, чем в действительности. В детстве Шарлотта при знакомстве с новыми людьми вела себя сдержано, как бы оценивая их. Вероника, стоявшая рядом, всегда с жаром выкрикивала свое имя. Когда Шарлотте исполнилось 12 лет, ее страстно увлекли галактики и темная материя. Веронику не интересовало, из чего состоит Вселенная. Она предпочитала петь и читать Джейн Остин.

Вероятно, частично различия между дочерьми связаны с их жизненным опытом. Но свою роль сыграл и мейоз. Мы с Грейс дали каждому нашему ребенку разные комбинации генов, унаследованных нами от наших родителей. Уникальное сочетание аллелей, которое в конечном счете получили наши дети, оказало и уникальное влияние на то, как они росли.

Однако работу мейоза интуитивно не всегда легко понять. Родители передают своим детям по одной из каждой пары хромосом. Какая именно это будет хромосома, определяется случайно. Статистика говорит, что ДНК у любой пары родных братьев и сестер должна совпадать на 50 %. Зато у однояйцевых близнецов ДНК идентична на 100 %, потому что они развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки. Двоюродные братья и сестры, у которых общие дедушка и бабушка, будут генетически идентичны в среднем на 12,5 %.