Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»


ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке



Библиотека

 
Ф. Вильчек
«Красота физики». Глава из книги


К. Каренина, А. Гилёв
Зачем степи артезианы?


Н. Резник
Густой волос и низкий голос


Дж. Бэрроу
«История науки в знаменитых изображениях». Глава из книги


М. Борисов
Хеопс на подошве Имхотепа и сад камней


С. Дробышевский
«Европейский папуас», или «Человек мира»: мужчина с Маркиной горы


М. Москалева
Студенты МГУ против лженауки


Ж. Резникова
И даман поманил за собой


В. Сурдин
Поиски новых планет


С. Горбунов
Сeratotherium simum cottoni. Последний из могикан







Главная / Новости науки версия для печати

Польза самцов доказана экспериментально


Согласно гипотезе Черной Королевы, чем быстрее эволюционирует хищник, тем быстрее эволюционирует жертва; то же справедливо и в отношении паразитов и их хозяев. Половое размножение может поддерживать высокую скорость и эффективность в этой гонке вооружений. Картинка с сайта berto-meister.blogspot.com

В экспериментах на нематоде Caenorhabditis elegans доказана необходимость полового размножения. Именно половое размножение является необходимым и достаточным условием для борьбы с паразитарными инфекциями. Если в популяции нематод все особи гермафродитны, то такая популяция в условиях инфекционного стресса быстро вымирает. Принимая во внимание вездесущность и разнообразие инфекций, ученые утверждают, что без полового размножения живые организмы просто не смогли бы приспосабливаться к стрессовым условиям.

Один из известных «детских» вопросов, который в том или ином виде задают любознательные потомки, — «Почему у нас два пола?» или, более наивный и шокирующий вариант, «Зачем нам папа?». При этом не имеется в виду ничего обидного, просто роль матери, какой бы породы она ни была — человеческой, мышиной или лягушачьей, — понятна. Мать производит детей, то есть выполняет прямую функцию продолжения рода (с таксономических позиций точнее сказать — продолжения вида). А вот зачем нужны отцы, понять не так просто.

Очевидно, они вносят свою половину генов в геном потомства, но не совсем ясно, зачем складывать геном из двух половин, почему бы не перенимать целиком геном матери. А ведь нужно учитывать, что на отцов тратится половина ресурсов, потребляемых популяцией, а на их выращивание уходит столько же сил и средств, сколько и на самок, они занимают территорию, которую могло бы занимать подрастающее поколение и плодовитые самки. Такое положение видится весьма неэкономным в общем исключительно экономном природном хозяйстве.

В чём же тут выгода? Каковы преимущества перед теми, кто в качестве стратегии размножения выбрал самооплодотворение, гермафродитизм? Выгода должна быть огромна, так как подавляющее большинство живых существ имеют и самцов и самок и, следовательно, практикуют легкомысленное на первый взгляд растранжиривание ресурсов.

Есть несколько теорий, которые удовлетворительно объясняют исключительную распространенность полового размножения. Перемешивание генов, создание новых комбинаций позволяет наилучшим образом приспособиться к меняющимся условиям среды, избавиться от груза вредных мутаций и, наконец, справиться с конкурентами и паразитами.

Последнее наиболее существенно, так как паразитов много всегда, они вездесущи, вероятность умереть от паразитарных инфекций существенно выше, чем от хищника или случайного стечения обстоятельств. Гипотеза о том, что именно наличие паразитов заставляет организмы неизменно обращаться к половому размножению, получает всё больше подтверждений. Эффективность полового размножения для поддержания устойчивости к инфекциям была доказана с помощью моделирования (см.: Hamilton, Axelrod, Tanese, 1990. Sexual reproduction as an adaptation to resist parasites).

Но всё же факты всегда убедительнее, потому ученые-естественники более полагаются на наблюдения и эксперименты. Первые фактические подтверждения паразитарной гипотезы полового размножения были предоставлены Кертисом Лайвли (Curt Lively) с соавторами. Эта работа была выполнена на рыбках пецилиопсисах (Poeciliopsis). Эти рыбки, как правило, заражаются трематодами, что вызывает появление на коже у инфицированных рыб белых пятен. Так что степень зараженности легко увидеть и проконтролировать.

В разных прудах обитали пецилиопсисы, размножающиеся бесполо (гибридные триплоиды) и половым путем. Наиболее зараженными были именно бесполые гибриды, а те, кто размножался половым путем, вместе с редким бесполым клоном, оказались менее подвержены инфекции. Это легко объяснялось с позиций паразитной теории. Для противодействия паразитам нужно постоянно разнообразить и обновлять способы защиты, а такую возможность имеют те, кто размножается половым путем. Слабо инфицированный редкий клон также оказался вне «интересов» паразита. Для паразита важнее вырабатывать высокую вирулентность к массовому хозяину, чем к экзотическим единицам. Поэтому они выбрали в качестве мишени массового хозяина, не имеющего возможности быстро приспособиться и противостоять постоянно обновляемым способам заражения.

Природа сама поставила эксперимент, подтвердивший необходимость полового размножения и поставляемого таким способом генетического разнообразия. В 1976 году случилась засуха, пруды — естественные местообитания пецилиопсисов — пересохли, и в одном из прудов выжили только три экземпляра этого вида. Потомство трех рыбок впоследствии составило всё население этого пруда. Ясно, что получился высокоимбредный клон, размножающийся бесполо. Пецилиопсисы в этом пруду были сильно заражены трематодами. Но стоило ученым подсадить в этот пруд нескольких самцов, как ситуация кардинально улучшилась. Рыбки переключились с бесполого на половое размножение и перестали болеть. Через некоторое время бесполых самок практически не осталось.

Теперь Кертис Лайвли с коллегами из Индианского университета (Блумингтон) представили еще более убедительное доказательство преимуществ полового размножения перед лицом постоянной инфекционной опасности. И даже более того, ученым удалось доказать, что присутствие паразитов делает половой отбор необходимым и достаточным условием выживания вида. Дело в том, что паразиты беспрестанно изобретают всё новые и новые способы повысить вирулентность, поэтому хозяевам приходится беспрестанно совершенствовать способы защиты.

Это так называемая «гипотеза Черной Королевы» (Red Queen's Hypothesis; иногда перевод звучит как «гипотеза Красной Королевы»), выдвинутая Ли ван Валеном (Leigh Van Valen) в 70-е годы прошлого века. Хищники и жертвы, хозяева и паразиты находятся в постоянном эволюционном соревновании — кто быстрее изобретет средства нападения и защиты, у кого они окажутся лучше и эффективнее. Стоит одной стороне замедлить движение в этом направлении, как преимущество получает вторая сторона, и первая проигрывает: популяция теряет численность и вымирает. Половое размножение служит надежным механизмом в этой гонке вооружений, в коэволюционном процессе.

Ученые использовали хороший модельный объект — нематоду Caenorhabditis elegans. У этой нематоды, как известно, имеются самцы и гермафродитные особи. При половом размножении гермафродиты спариваются с самцами, при «бесполом» — происходит самооплодотворение. Самооплодотворение исключает рекомбинацию и перемешивание генов. В естественных популяциях доля особей, размножающихся половым путем, обычно невысока — 1–30%. Эти популяции и были выбраны в качестве стартовой точки.

Их подвергли воздействию паразита, смертельного для нематоды. Причем воздействие было двояким. В первом случае популяцию в течение ряда поколений заражали одним и тем же штаммом бактерии, а во втором — отбирали всё более и более вирулентных паразитов. (Методика отбора бактерий на вирулентность изящна и проста — паразитов брали с трупов нематод, погибших в течение первых суток. Иными словами, тех, против которых не сработали имеющиеся системы защиты.) Первый случай получил в статье условное наименование «эволюция», а второй — «коэволюция». Осталось измерить, как менялась в ряду поколений доля нематод, размножающихся половым путем и при помощи самооплодотворения.

Результат оказался в высшей степени предсказуем. Контрольная популяция поддерживала примерно постоянный уровень полового размножения. Популяция, в которой вирулентность паразитов оставалась постоянной, в течение первых десяти поколений резко увеличила долю скрещивающихся особей (до 80%), а затем вернула их на прежний 20-процентный уровень. Но в популяции, где вирулентность паразитов всё время менялась, доля скрещивающихся особей за 10 поколений достигла отметки 80% (как и в предыдущем случае), но после не снизилась, а продолжала увеличиваться. Через 20 поколений она достигла 90%.

Если популяцию, у которой изначально отсутствовали самцы (такая популяция легко создается в лаборатории), поставить в условия коэволюции, то такая популяция через 20 поколений полностью вымирает. В искусственно созданной популяции, состоящей только из скрещивающихся особей, смертность от паразита через 30 поколений оказывается самой низкой.

Так меняется доля скрещивающихся особей в ряду поколений нематод. Контроль показывает природную популяцию, которую не подвергали действию паразитов; эволюция — природную популяцию поместили в условия стабильной инфекции; коэволюция — нематод подвергли действию паразита, постоянно увеличивающего свою вирулентность. График из обсуждаемой статьи в Science
Так меняется доля скрещивающихся особей в ряду поколений нематод. Контроль показывает природную популяцию, которую не подвергали действию паразитов; эволюция — природную популяцию поместили в условия стабильной инфекции; коэволюция — нематод подвергли действию паразита, постоянно увеличивающего свою вирулентность. График из обсуждаемой статьи в Science

Эти результаты безоговорочно доказывают, что низкий уровень рекомбинации, зависящий от числа скрещивающихся особей, напрямую определяет устойчивость к инфекциям. В условиях постоянного присутствия инфекционных агентов и их непрерывного развития бесполое размножение (самооплодотворение) неизбежно ведет к вымиранию. В данном контексте паразитов можно заменить на любой стрессовый агент, который меняется с ходом времени. Ясно, что таким агентом могут быть и хищники, и конкуренты, а также абиотические факторы — они редко бывают постоянными на протяжении ряда поколений у животных и растений. Получается, что половое размножение является залогом стабильности в этом нестабильном мире.

Источник: Levi T. Morran, Olivia G. Schmidt, Ian A. Gelarden, Raymond C. Parrish II, Curtis M. Lively. Running with the Red Queen: Host-Parasite Coevolution Selects for Biparental Sex // Science. 2011. V. 333. P. 216–218.

Елена Наймарк


Комментарии (37)



Последние новости: ЭволюцияМикробиологияЕлена Наймарк

26.05
Очертания видового ареала определяются экологическими свойствами вида
18.05
Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий
13.05
Удалось проследить зарождение и развитие меланомы от первой раковой клетки
12.05
Атмосферное давление на древней Земле было в два раза ниже современного
3.05
Создан семантический атлас человеческого мозга
28.04
Малыши гигантских динозавров росли очень быстро
25.04
Расшифрованы генетические основы быстрых эволюционных изменений размера клюва у дарвиновых вьюрков
19.04
Птицы учатся строить гнезда у своих знакомых
18.04
Ученые выяснили, почему бактериофагам трудно бороться с иммунной системой бактерий
5.04
Хоббиты с острова Флорес оказались вчетверо старше


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия