наследования от одного родителя. Не происходит смешения неродственных митохондрий в результате слияния двух похожих (но неродственных) половых клеток; вместо этого один пол снабжает потомство всеми своими митохондриями, а другой совсем не передает митохондрий. Таким образом, различие между полами эволюционировало из-за необходимости избежать конкуренции между митохондриями.
Эта теория, скорее всего, справедлива в некоторых аспектах, но не может объяснить ситуацию в целом по двум причинам. Во-первых, мутации, вызывающие наследование от одного родителя, являются благоприятными только в том случае, если «эгоистичные» митохондрии поджидают cвoeгo часа. А это маловероятно: любой организм, содержащий «эгоистичные» митохондрии, выживает и воспроизводится с меньшей вероятностью, чем надежно устроенный организм. Это все равно, что заставлять дряхлого старика с его разрушенными митохондриями соперничать с мужественным юношей за внимание дамы. На самом деле, организм с дефектными митохондриями, скорее всего, не сможет преодолеть даже этап эмбрионального развития. Подумайте о том, сколько супружеских пар не могут завести ребенка. По некоторым данным, развитие значительного числа эмбрионов останавливается на очень ранней стадии из-за дефектов митохондрий. Эта же проблема, возможно, является причиной многочисленных неудач при клонировании.
Во-вторых, некоторые виды организмов наследуют митохондрии от обоих родителей. Они каким-то образом решают проблему несовместимости митохондрий. Возможно, в какой-то степени это справедливо и для нас: как мы только что обсуждали, судьба митохондрий сперматозоидов до конца не ясна. Некоторые исследователи объясняют их кажущееся исчезновение просто эффектом разбавления, и исключить эту возможность мы не можем. В человеческом сперматозоиде содержится от 40 до 60 митохондрий, а в человеческой яйцеклетке — свыше 100 тыс. Таким образом, фактор разведения составляет не менее 1000, что ниже предела обнаружения многих методов анализа митохондриальной ДНК. Эксперименты на мышах с привлечением более чувствительных методов показывают, что мужские и женские митохондрии передаются в соотношении от 1:1000 до 1:10 000. Вопрос этот еще не исследован до конца, но я уверен, что вскоре мы получим окончательный ответ.
Эти два обстоятельства не позволяют объяснить эволюцию двуполой системы размножения с помощью теории «эгоистичных» митохондрий, но факт остается фактом: некоторые животные применяют удивительные ухищрения, чтобы не допустить передачи мужских митохондрий следующему поколению. К примеру, некоторые виды дрозофил в процессе развития прячут митохондрии сперматозоидов в кишечнике личинок, а вылупившиеся насекомые сразу выводят их из организма. Это удивительно. Передача митохондрий фактически определяет разницу между полами на уровне половых клеток. Почему это так? Ответ, на мой взгляд, был высказан биологом Джоном Алленом из Университета Лунда (Швеция) в статье, опубликованной в 1996 г. в журнале Journal of Theoretical Biology. Этот журнал отличается удивительной эрудицией своих авторов и разнообразием идей — от тончайших до нелепых. Аллен пытается объяснить эволюцию двух полов, используя логику митохондриальной теории старения. Он считает, что мужские митохондрии не передаются следующему поколению, поскольку представляют собой бомбу замедленного действия: они непоправимо испорчены кислородом, и их наследование повлечет за собой рождение преждевременно постаревших детей. Дыхание кислородом требует наличия двух полов. В таком случае именно кислород стал причиной появления двуполого способа размножения.
Основная идея Аллена заключается в следующем: если митохондрии повреждают свою ДНК путем поглощения кислорода и не могут систематически вычищать свой геном с помощью полового процесса или бинарного деления, единственный способ предотвратить передачу поврежденной митохондриальной ДНК следующему поколению заключается в остановке митохондриального дыхания. Другими словами, единственный способ сохранения целостности митохондрий состоит в их отключении. Эта идея имеет несколько следствий, многие из которых, безусловно, справедливы, и все поддаются проверке. В таком случае детали механизма полового размножения могут подтвердить справедливость митохондриальной теории старения.
Чтобы проанализировать идею Аллена, нужно обратиться к рассмотрению одной из проблем полового размножения — проблеме поиска подходящего партнера. C ней сталкиваются как одноклеточные существа, так и люди, пытающиеся найти свою половину, и способ решения для всех практически один и тот же. Когда два человека перемещаются в поисках друг друга, эффективность поиска не выше, чем когда один ищет, а другой ждет: на этом основана деятельность службы знакомств. В случае половых клеток одна клетка должна двигаться в поисках подходящего партнера, но вероятность встречи не повышается, когда движутся обе клетки. Одна клетка может оставаться на месте и должна только подавать сигнал присутствия или готовности. У нас с вами и у многих других животных сперматозоид подвижен, а яйцеклетка нет. На самом деле, словом «самец» принято обозначать пол, производящий большое количество мелких подвижных гамет, а словом «самка» — пол, производящий небольшое количество крупных неподвижных гамет.
Для движения, очевидно, требуется активное митохондриальное дыхание, что и приводит к повреждению митохондриальной ДНК. Поскольку важно не передать потомству поврежденные митохондрии, логично предположить, что сперматозоиды не должны передавать митохондрии следующему поколению. И если они не передаются именно по причине повреждения, также можно предположить, что митохондрии сперматозоидов должны быть повреждены и разрушены. Справедливость этой идеи подтверждается некоторыми наблюдениями. В 1999 г. Питер Сутовски и его коллеги из Орегонского университета науки и здоровья опубликовали в журнале Nature статью, в которой показали, что митохондрии самцов крупного рогатого скота помечаются белком убиквитином. Он обычно используется для маркировки поврежденных белков, направляющихся на расщепление и реутилизацию. Получается, что митохондрии сперматозоидов помечаются как негодные и уничтожаются уже на ранних этапах эмбрионального развития. В более поздних работах Сутовски подтвердил этот результат, по крайней мере в отношении крупного рогатого скота. Таким образом, дискриминация между мужскими и женскими митохондриями, по-видимому, осуществляется на основании повреждений, как и предсказывает теория Аллена[79].
Второе предсказание касается времени созревания половых клеток. Поскольку рекомбинация хромосом при половом процессе вычищает ядерные гены, а новые комбинации подвергаются естественному отбору, следовательно, не имеет значения, когда точно образуются новые половые клетки. Нет никаких причин, ограничивающих образование обоих типов половых клеток на протяжении всей жизни. Тогда почему же сперматозоиды действительно производятся на протяжении всей жизни, а яйцеклетки — только на ранних этапах развития, а потом используются на протяжении половины жизни? Может быть, причина в митохондриях? Митохондрии сперматозоидов не передаются следующему поколению. Совершенно не важно, повреждены ли они, если они все еще способны доставить сперматозоиды к яйцеклетке. Именно такая ситуация наблюдается в человеческом организме на протяжении большей части жизни: митохондрии повреждены, но все еще функциональны. Единственное условие заключается в том, чтобы ядерная ДНК была защищена антиоксидантами от выделяющихся из митохондрий свободных радикалов. И это условие соблюдается. Тело сперматозоида, где содержатся митохондрии, заключено в оболочку из селенсодержащих белков. В сперматозоидах содержится больше селена, чем во всех остальных клетках тела. Недостаточность селена в рационе питания жителей некоторых peгиoнов мира является весьма распространенной причиной бесплодия. Один из селеновых белков — вариант глутатионпероксидазы, расщепляющей пероксид водорода. Вероятно, глутатионпероксидаза не защищает митохондрии от повреждения, но не дает пероксиду водорода проникнуть в ядро, где он мог бы вступить в реакцию с железом с образованием гидроксильных радикалов.
А что происходит в яйцеклетке? Митохондрии яйцеклетки должны передаваться потомству. Если яйцеклетки формируются на протяжении всей жизни, постепенно их митохондрии накапливают все больше и больше повреждений. Ядерная ДНК омолаживается в процессе полового размножения, а митохондриальная нет. Одно возможное решение заключается в отделении неповрежденных митохондрий на самых ранних этапах развития, их отключении, включении в яйцеклетку и сохранении яйцеклетки в спящем состоянии до подходящего момента. Фактически так и происходит в жизни, и это подводит нас к третьему предсказанию: митохондрии яйцеклетки должны быть отключены.
Самый простой путь отключения митохондрий заключается в остановке синтеза белков дыхательной цепи. Представьте себе комнату, заполненную выстроенными в ряд костяшками домино. Если вы не хотите, чтобы упал весь ряд, нужно его проредить, чтобы падение одной костяшки не повлекло за собой падение следующей. Так и с дыхательной цепью: если из цепи удалено несколько стратегических белков, дыхание невозможно. Отсутствующие стратегические белки — это белки, кодируемые митохондриальными генами, что было показано в экспериментах с мышами и африканскими шпорцевыми лягушками Xenopus laevis. В яйцеклетке и в раннем эмбрионе мыши митохондриальный геном практически неактивен. У Xenopus обнаружены белки, связывающиеся с митохондриальными генами и ингибирующие их транскрипцию. Таким образом, в некоторых известных примерах митохондрии яйцеклетки действительно выключены.
Если такое ингибирование митохондриального дыхания является общим правилом, как следует из наших рассуждений, яйцеклетка неспособна обеспечивать себя энергией за счет дыхания. Отсюда проистекает последнее предсказание Аллена: окружающие развивающуюся яйцеклетку фолликулярные клетки должны снабжать ее энергией в форме АТФ. Мы пока не знаем, так ли это, но морфологическая структура фолликулов позволяет сделать такое предположение.