«Секс с учеными». Глава из книги

Глава восьмая, в которой рассмотрены особенности секса на лоне природы

Викарий из Брея

Интересно, есть ли где-нибудь инопланетяне, похожие на нас? Вопрос вроде бы совсем уж нелепый, однако в прошлом веке его обсуждали два очень уважаемых биолога. Один из них — уже знакомый нам Стивен Джей Гулд. По научной специализации его можно назвать палеонтологом, однако часто его величают «историком науки» (видимо, по причине его огромной эрудиции) или даже «популяризатором» — за способность задавать вот такие неожиданные вопросы про инопланетян или придумывать для сложнейших биологических концепций такие метафоры, которые способен понять каждый школьник. В 1989 году Гулд выпустил книгу «Удивительная жизнь», вполне научно-популярную, где среди прочего задал себе, коллегам и читателям вопрос: что будет, если проиграть всю историю жизни на Земле еще раз? Повторится ли все точно так же, а если нет, то что изменится? Появится ли снова разум в линии билатеральных вторичноротых плацентарных эуархонтоглиров, как у нас, или он засияет на какой-то другой ветке эволюционного дерева? Ответ Гулда состоял в том, что повторить ничего не получится: при всех закономерностях слишком много было на этом пути случайных развилок и перепутий.

С Гулдом поспорил другой маститый биолог, ныне здравствующий Саймон Конвей-Моррис (род. 1951), утверждавший, в частности, в другой замечательной книге, «Горнило творения» (1998), что пути эволюции повторятся, поскольку у каждой проблемы, с которой сталкиваются живые существа, есть лишь ограниченное число решений и решения эти будут неизбежно появляться снова и снова. Так, проблема полета в ходе эволюции была решена минимум четырежды (у насекомых, птерозавров, птиц и рукокрылых млекопитающих), и решение — крыло — было примерно одинаковым. Это называется конвергенция. Больше всех о ней знают палеонтологи: найдут какую-нибудь окаменевшую штуку с ромбическими чешуйками, расположенными по спирали, и спорят, что это: шишка хвойного дерева или океаническая губка. Когда вы впервые встретите двуногого и двуглазого инопланетянина, не удивляйтесь, если окажется, что на самом деле это побег глубоководной водоросли со спутника Юпитера.

Ответ Конвей-Морриса, сам по себе вполне научный, хорошо ложится в стройную конструкцию, где есть место божественной мудрости и предопределению. Дело в том, что Конвей-Моррис верит в Бога, и Бог ему в этом судья. Мы-то уж точно не станем ввязываться в теологические дискуссии, нам здесь интересно другое: вот, к примеру, секс. Возник бы он еще раз при повторном проигрывании этой пьесы, или его появлением мы обязаны какой-то случайности?

Ответ на этот вопрос связан с тем самым «объяснением» полового размножения, которое биологи пытались найти. Если секс нужен для того, чтобы бороться с мутационным грузом и препятствовать генетическому вырождению, — вполне вероятно, что он универсален. Жизнь, в какой бы звездной системе она ни возникла, должна быть основана на самокопировании несовершенных репликаторов, а при таком копировании возникают ошибки, а ошибки надо держать в узде. Модели популяционной генетики, как правило, строятся на самых общих предположениях и никак не учитывают милые частности нашей земной жизни.

Однако далеко не все черты этой жизни могут оказаться универсальными. Вот, скажем, хищничество: им занимается огромная доля земных организмов, однако существуют толстенные ветви эволюционного древа, к примеру растения, которые в этом грехе были замечены редко. Хищничество неразрывно связано с движением, и мы можем вообразить планету, где это самое движение будет проблематичным в силу законов физики. Если бы секс как-то зависел от хищничества, можно было бы заподозрить, что он вовсе не так уж универсален.

Существует несколько — на самом деле довольно много, если учитывать различные вариации и уточнения, — теорий, которые объясняют существование полового размножения не общими законами эволюции несовершенных репликаторов, а частностями взаимодействия организмов с их средой обитания. Назовем эти теории «экологическими». По большей части они восходят к идее Августа Вейсмана о том, что половое размножение — точнее, рекомбинация — требуется для того, чтобы создавать в потомстве разнообразие, дающее исходный материал для приспособления к меняющимся условиям среды. Да, в общем виде эта идея страдает недугом, описанным в прошлой главе: она отсылает к идее группового отбора, которая, вообще говоря, ведет к недоразумениям. Однако этот недуг лечится: надо просто показать, что предполагаемое преимущество секса наступает не когда-то в отдаленном будущем, а прямо в следующем поколении. Тогда секс будет выгоден не виду в целом, а непосредственно той паре родителей, которые вздумают им заняться.

Эта идея — вернее, целый букет идей — получила странное название «гипотезы викария из Брея». Викарий из Брея — это священнослужитель, который, согласно книге XVII века «Достойные люди Англии» (Worthies of England), под влиянием исторических обстоятельств дважды менял свое вероисповедание с католического на протестантское и обратно. Когда его спрашивали, что же из этого все-таки более соответствует его внутренним убеждениям, он отвечал: «По моим убеждениям, я должен во что бы то ни стало оставаться викарием города Брея». Зрелый, государственно мудрый ответ. На современном русском языке викария из Брея назвали бы «системным человеком», что подразумевает определенную долю моральной гибкости.

Об этом викарии упомянул уже упоминавшийся нами канадский биолог Грэм Белл в любопытной дискуссии о сексе, происходившей между несколькими именитыми биологами в 1970-х годах. Одним из участников дискуссии был Джордж Уильямс, которого мы тоже уже представляли читателям. Именно он привел несколько примеров ситуаций, когда проявить гибкость, успевая за меняющимися условиями жизни, может оказаться очень важным, а потому половое размножение должно оказаться полезным здесь и сейчас. Об этой научной дискуссии можно прочитать в разных книгах о происхождении полового размножения — к примеру, «Секс и эволюция человеческой природы» Мэтта Ридли. Между тем с тех пор прошло полвека, и обсуждавшиеся тогда проблемы уже ушли довольно глубоко в историю науки. Поэтому расскажем о них максимально конспективно.

По версии Уильямса, секс уж точно имеет смысл, если в каждом поколении выживает лишь небольшая доля потомков — те, чьи параметры соответствуют непредсказуемым требованиям среды, то есть «самые лучшие». Если по какому-то признаку среди потомков существует статистическое распределение, выиграет тот родитель, кому удастся сделать это распределение как можно шире, даже ценой огромного числа не выживших. А секс, согласно идеям Августа Вейсмана, как раз и должен уметь растягивать статистические распределения.

Уильямс предложил три ситуации, когда секс может стать рецептом выигрыша. Он назвал эти ситуации в честь организмов, которые, по его мнению, могут быть наглядным примером в каждом из случаев. Первый сценарий получил имя «тлей и коловраток»: секс может помочь, если популяцию время от времени накрывает катастрофа (к примеру, наступают заморозки или пересыхает водоем). У тлей после череды бесполых поколений как раз в конце лета, в преддверии трудных времен, наступает сезон полового размножения. Мы же можем здесь вспомнить плесневой грибок из шестой главы: он переходит к сексу только после того, как съест все самое вкусное на своей чашке Петри. Это же справедливо и для многих одноклеточных организмов: чтобы побудить их к половому размножению, надо как-то намекнуть им, что жизнь есть боль, а не фунт изюма (например, лишив их питания).

Второй пример Уильямса — «кораллы и земляника». Разнообразие поможет, если потомкам предстоит отселиться в новые, неизведанные места. Кораллы образуют для расселения подвижные личинки-планулы, а земляника осваивает ближайшие окрестности с помощью усов, то есть бесполого размножения, а для более широкой экспансии обращается к сексу, в результате которого образуются семена.

Наконец, третий вариант, согласно Уильямсу, — «устрицы и вязы». Устрицы живут тесными колониями на отмелях, а семенам вязов придется прорастать в густом подлеске. Нелегко вписаться в и без того тесно заселенную среду, и этим организмам страшно повезет, если удастся отжать себе новую нишу.

Первые два случая обычно объединяют под общим именем «лотерейных гипотез». Собственно, в первом случае вращение лотерейного барабана — непредсказуемую смену условий — обеспечивает время, а во втором — пространство. Третий вариант, когда в окружающей среде ничего не меняется, но, чтобы как-то втиснуться в нее, индивидууму требуется изобретательность, более известен как «гипотеза заросшего берега». Это название придумал все тот же Грэм Белл, позаимствовав образ из дарвиновского «Происхождения видов».

Из столь краткого пересказа может сложиться упрощенное представление об этой достопамятной научной дискуссии: будто бы Джордж Уильямс воображал разные гипотетические ситуации, в которых секс может дать организму преимущество, а Грэм Белл придумывал им смешные названия. Это явная недооценка вклада Белла: он провел огромную работу, собрав данные о том, какие существа чаще размножаются половым путем. Если верны кораллово-земляничные или тле-коловраточные идеи Уильямса, таких должно быть больше в суровых, переменчивых местах обитания: например, не в море, а в пересыхающих пресноводных водоемах, не в южных долинах, а в северных высокогорьях. Однако данные показали совершенно противоположную картину: секс оказался куда более востребован в уютных, тесно заселенных местах. Таким образом, по мнению Белла, «лотерейные гипотезы» не выдерживают критики, а вот «гипотеза заросшего берега» вроде бы не слишком противоречит фактам.

Однако и у «заросшего берега» есть свои проблемы. Из этой гипотезы следует, что каждому новому поколению устриц или вязов, чтобы завоевать себе место в жизни, надо приобрести какие-то ценные качества, которыми прошлые поколения похвастаться не могли. Однако ни вязы, ни устрицы так быстро не меняются: моллюски, заселяющие сегодня атлантические отмели вокруг французского Аркашона, ничем вроде бы не отличаются от тех, которыми лакомился Пушкин или которые веком позже были поданы на балу у Сатаны в романе «Мастер и Маргарита». Это подтвердят и палеонтологи: слои раковин накапливались на морском дне миллионы лет, и нередко невозможно найти никакие различия между раковинами, захороненными в самой нижней и самой верхней частях слоя. Они как будто бы совершенно не менялись — а ведь именно способность меняться, согласно идее «викария из Брея», должен был обеспечить им секс. Потом, конечно, что-то происходило в истории Земли — и вот уже в новом слое откладываются совершенно другие ракушки. Однако, если бы секс был нужен для того, чтобы позволить организму преодолеть этот рубеж между эпохами, он бы точно не возник и не сохранился. Существовать миллионы лет, не меняясь, живые существа могут и без всякого секса.

Или все-таки не могут?

В самом начале нашего рассказа, во второй его главе, мы упоминали Кертиса Лайвли, экспериментально доказавшего «двойную цену» секса. Сделал он это, сравнивая расы новозеландских улиток, которые либо размножаются половым путем (ради этого рождая в каждом поколении какое-то количество самцов), либо предаются партеногенезу. В определенный период своей научной карьеры Лайвли уделил внимание и «гипотезе заросшего берега», надеясь подтвердить или опровергнуть ее с помощью тех же самых улиток. Эту историю описывает в своей книге «Паразиты: тайный мир» замечательный популяризатор Карл Циммер. Лайвли занимался примерно тем же, чем и Грэм Белл в своем статистическом исследовании: подсчитывал число самцов, то есть долю полового размножения, в популяциях улиток, населяющих озера, и сравнивал его с числом улиток из ручьев. Озера — стабильные и «густонаселенные» улитками ареалы, вполне соответствующие «заросшему берегу» Белла, а вот ручьи — быстро меняющаяся и довольно опасная среда, и, если в них самцов больше, это серьезный аргумент в пользу «лотерейных теорий». Но самцов в них было, наоборот, существенно меньше. Вроде бы «берег» опять выигрывает по очкам. Однако дадим слово Карлу Циммеру:

«Лайвли совершал вылазки к горным озерам и бродил по ним со своей сетью. Он собирал улиток и определял их пол, ломая раковину, вскрывая улитку и пытаясь обнаружить пенис за правым щупальцем. Однако улитки преподнесли ему сюрприз: они оказались набиты чем-то, что показалось ему похожим на гигантские спермии. «К несчастью, я вздумал показать их университетскому паразитологу, — рассказывает Лайвли, — и услышал от него: „Это не спермии, идиот. Это глисты“». Паразитолог объяснил Лайвли, что это трематоды-сосальщики, которые кастрируют улиток, размножаются в них, а потом попадают к окончательному хозяину — уткам. В некоторых местах улитки битком набиты сосальщиками, а в других свободны от паразитов».

В озерах, где было больше самцов, и паразитов было больше. Напрашивается простой вывод: возможно, все дело не в расплывчатом «поиске своего места в густозаселенной экологической нише», а в банальных глистах? И именно от них помогает секс?

К тому моменту, как Лайвли опозорился перед коллегой-паразитологом, эта гипотеза уже была высказана и стремительно набирала популярность. На самом деле идея о том, что паразиты могут быть важным фактором в формировании генетического облика живых существ, была сформулирована Джоном Холдейном еще в 1949 году: он полагал, что генетический полиморфизм — то есть наличие в популяции более одного варианта каждого гена — должен играть важную роль в устойчивости к инфекционным заболеваниям. Несколько глав назад речь у нас шла о палочниках рода Timema, на примере которых биологи наглядно увидели, что одно из неприятных последствий отказа от секса — это как раз уменьшение полиморфизма. Идея Холдейна зрела еще два десятилетия и в 1970-х внезапно вышла на первый план: о ней громко заявили сразу несколько биологов-теоретиков, в том числе и Грэм Белл, один из главных героев этой главы. Однако самым ярким из них оказался Уильям Гамильтон (1936–2000), и с его именем обычно связывают «паразитарную теорию» происхождения секса, в свое время невероятно успешную.

Вообще говоря, странно было бы, если бы такая теория не возникла: стоит внимательно всмотреться в любую деталь большой картины жизни на Земле, и вы непременно заметите, как там кто-то на ком-то паразитирует. Если все ваши теории не очень хорошо работают и при этом вы все время выносите за скобки одно досадное, вечно все запутывающее обстоятельство — как Кертис Лайвли, обнаруживший внутри улитки глистов вместо грезившихся ему спермиев, — рано или поздно вас посетит мысль, что, возможно, в этом обстоятельстве и состоит разгадка тайны.

Уильям Дональд (Билл) Гамильтон был харизматичным и очень проницательным человеком, с которым связано сразу несколько важнейших идей в истории биологии ХХ века. В частности, он создал теорию родственного отбора, объясняющую, как мог закрепиться среди пчел и муравьев ген, предопределяющий превращение в рабочую особь и тем самым лишающий своего носителя шансов на размножение. Гамильтон внес вклад в теории генетического конфликта, которые еще не раз появятся в этой истории (например, в той ее части, где речь пойдет о половых хромосомах). Наконец, Гамильтона цитируют все, кому приходится рассуждать о происхождении альтруистического поведения. Именно благодаря Гамильтону «паразитарная гипотеза» происхождения секса обрела на какое-то время головокружительную популярность. А чтобы придать этой истории сюжетную цельность, автор гипотезы и сам пал жертвой паразитов: Гамильтон заразился малярией во время экспедиции в Конго и умер в начале 2000 года на пике своей научной карьеры.

Гамильтон доказывал свою идею с помощью компьютерных симуляций: населял свой компьютер выдуманными популяциями существ, способных размножаться как с помощью секса, так и без него. Разумеется, любители секса не могли выдержать конкуренции и быстро исчезали. Но все менялось, когда в картину добавили паразитов. Автор модели предположил, что у них есть гены вирулентности, а у хозяина, соответственно, гены устойчивости. В каждом поколении выживали те, кто был устойчивее к паразитам. Соответственно, среди паразитов успех сопутствовал тем, кто оказался самым заразным, то есть мог подобрать ключи к самой распространенной комбинации генов устойчивости. Хорошие гены устойчивости быстро распространялись, но затем соответствующим образом менялись гены вирулентности, и те, кто еще недавно был самым устойчивым, оказывались уязвимыми. А выживали те, кто сохранил от прежних поколений «старый» ген, когда-то почти бесполезный — поскольку прежние поколения паразитов знали, как его нейтрализовать, — но в новых условиях неожиданно опять обеспечивающий неплохую защиту. Вот как сформулировал свою идею Гамильтон: «Чтобы противостоять паразитам, хозяин должен все время менять комбинацию генов. Вопреки предположениям мутационной теории, вид хозяина должен сохранять не один идеальный генотип, а целый набор». Таким образом, половое размножение из поколения в поколение проверяет разные комбинации генов, ожидая, когда они снова окажутся выигрышными.

Итак, и хозяин, и паразит в каждом поколении вынуждены лихорадочно меняться, однако эти перемены никуда не ведут: пройдет несколько поколений, и идеальным снова окажется вариант, уже испробованный предками. Эта картина удивительным образом соответствует тому, что мы видим в природе: организмы влачат свое земное существование в постоянной борьбе, но при этом ухитряются не меняться десятки или даже сотни миллионов лет.

Я откладывал этот момент, насколько мог, но теперь он все-таки наступил. Придется упомянуть о Красной Королеве. Или о Черной? Никакая книжка о сексе не может обойтись без этой королевы, однако, когда один автор за другим пишет одно и то же, глупее всех выглядит тот, кто ступил на этот путь последним. Так что, если уж совсем без королев обойтись не получится, попробуем рассказать о них чуть-чуть по-новому.