с другом для нового полового цикла. Это не празднословие, а важная штука: у незатейливых организмов вроде дрожжей или тех же плесневых грибов мейоз происходит именно перед тем, как образуются споры. Грибы делают это в сложные моменты жизни, не думая о создании семьи. Если хотите заставить гриб[15] заняться мейозом, поставьте его в безвыходную ситуацию, и он сделает это. Споры переждут трудные времена, прорастут, вырастут в «грибницу» или колонию плесени, и лишь потом гриб задумается, не пора ли искать партнера. Есть основания считать, что именно так все было у нашего предка LECA: мейоз – споры – гаплоидный организм – в какой-то момент слияние клеток и ядер, и тут же новый мейоз.
Гаметофит и спорофит у растений – это просто две фазы жизненного цикла, гаплоидная и диплоидная. Мы-то с вами диплоиды и видим в этом состоянии массу преимуществ: например, мы можем позволить себе завести в одной из парных хромосом рецессивную мутацию, и она нас не убьет, потому что всю работу возьмет на себя здоровый ген из другой хромосомы. Казалось бы, нашим предкам было вполне естественно ухватиться за такой полезный гаджет. Но у диплоидности есть и темная сторона. Рецессивные мутации плохо видны отбору – вернее, совсем не видны, пока они не соединятся в одном геноме. В результате мутации не вычищаются из генофонда. В некотором смысле такие гены превращаются в паразитов, существующих за счет остального генома. То, что паразиты вредны, очевидно и без доказательств, и наличие гаплоидной фазы жизни как раз может решить эту проблему. О том, что иметь много копий хромосомы может быть полезно в краткосрочной перспективе, но губительно в более отдаленной, свидетельствует и компьютерное моделирование (в статье Александра Маркова 2016 года приводится на этот счет поучительная картинка).
Видимо, плюсы и минусы гаплоидности образуют некое равновесие, разное для разных организмов. Похоже, что у сложных созданий вроде нас с вами – с нашими маленькими размерами популяций – плюсы диплоидности перевешивают. Мхи и плауны застряли на перепутье в нерешительности, а грибы сделали выбор в пользу генетической чистоты, пожертвовав сиюминутной безопасностью. Лучше уж наделать побольше спор (мы помним, что продукт мейоза – это именно гаплоидные споры), и пусть отбор займется чисткой, чтобы проросли только избранные.
Но вернемся к трем (или четырем) главным этапам полового размножения. Из нашего списка пункты 2 и 3 входят в понятие мейоза, а первый пункт, слияние клеток, – это отдельная песня. При этом прокариотические организмы – бактерии и археи – вроде бы умеют только пункт 2, то есть рекомбинацию. Занимаются они ею совсем не так, как мы, и по другим поводам, однако сходство очевидно. Об этом речь пойдет дальше. Сейчас надо сказать пару слов о слиянии клеток.
Чтобы оценить (в эволюционном смысле) прелести полового размножения, нашему предку так или иначе пришлось для начала освоить слияние клеток, и вот вопрос: с чего бы ему этим заниматься, если вся последующая механика – узнавание гомологичных хромосом, редукционное деление и прочее – еще не разработана? А ее никак нельзя разработать, не соединив для начала две клетки. Есть ли в соединении клеток какой-то сиюминутный смысл, чтобы наш предок мог заняться этим, не заглядывая далеко вперед?
Как было сказано выше, смысл, конечно, есть: слившись, клетки могут объединить свои биохимические навыки и обеспечить себя веществами, которые каждая из них в отдельности синтезировать не могла. Некоторые делают это даже вне всякой связи с половым размножением. Возьмите два плесневых грибка аспергилла – чтобы один, например, нуждался для роста в аминокислоте аргинине, а другой – в триптофане. Для наглядности пусть у первого будут желтые споры-конидии, а у второго белые (и то и другое – мутации: в норме споры зеленые). Перемешайте споры и посейте на среду, в которой нету ни аргинина, ни триптофана. Вместо того чтобы смиренно умереть с голоду в отсутствие необходимых аминокислот, грибки начнут образовывать странные колонии, покрытые пестрым ковром из белых и желтых спор. Это дикарионы – грибы, в клетках (гифах) которых перемешаны два типа ядер. Ядра поддерживают друг друга: в одних есть ген синтеза аргинина, в других – триптофана, а вместе они обладают всем необходимым. Это, конечно, паллиативная мера: и желтые, и белые споры по-прежнему содержат только по одному ядру, и на голодной среде без аминокислот колонии из них не вырастут. Но хотя бы у них будет шанс дождаться лучших времен.
Итак, слияние клеток может быть полезным. Большинству бактериальных клеток мешает сливаться клеточная стенка: это довольно жесткая оболочка или даже скорлупка снаружи от клеточной мембраны, изолирующая бактерию от внешнего мира. Но клеточная стенка есть не у всех. Возможно, лишившись клеточной стенки, две бактерии могли бы слиться буквально сами собой – по неосторожности. Тем не менее считалось, что ни у каких бактерий и архей слияние клеток не является и никогда не являлось частью их повседневной жизни. Впрочем, недавние исследования показали, что это, возможно, совсем не так.
У самых разных эукариот есть ген HAP2, который кодирует белок, необходимый для вхождения спермия в яйцеклетку или слияния гамет. Сначала его нашли у растений, а потом похожие гены/белки стали находить у других организмов. Кстати, с названиями генов часто бывает так, что сначала у разных существ их называют по-разному, а потом, когда выясняется, зачем этот ген нужен, все его родственники постепенно приобретают одинаковое имя (заимствованное обычно у того организма, у которого этот ген лучше изучен или впервые обнаружен). Чтобы не путать читателя, мы не будем каждый раз объяснять, что, например, название ZIP взято у дрожжей, HIM – у червей, а с(3) G – у мух. Так что знакомьтесь: HAP2 из растения арабидопсиса, он же резуховидка, присутствует у разных эукариот и необходим для объединения мужской и женской гамет. Откуда он такой взялся?
HAP2 кодирует белок, принадлежащий к семейству фузексинов (fusexins). Эти белки умеют соединять две клеточные мембраны и перетасовывать их компоненты таким образом, что образуется соединяющая две мембраны трубка. Фузексины встречаются даже у вирусов, облегчая вирусной частице проникновение через клеточную мембрану. Впрочем, вирусы могли позаимствовать свои фузексины от других организмов.
В этой истории попытался разобраться Бенджамин Подбилевич из Израильского института технологий в Хайфе вместе с коллегами из Уругвая и еще пяти стран, о чем они и написали статью. Сравнив известные фузексины, они установили, как мог бы выглядеть предковый белок, то есть ген. Оказалось, что очень похожие гены есть в геномах архей (тех самых архей, которые, приютив внутри себя бактерию, дали начало эукариотам, то есть нашей ветке жизни). Что делал фузексин внутри архей – действительно ли помогал им сливать свои клетки? Ну, по крайней мере, мог бы. Чтобы доказать это, исследователи заставили реконструированный ген работать в культуре клеток млекопитающих, и эти клетки стали сливаться.
Вполне возможно, что фузексин помогал и продолжает помогать археям устроить что-то подобное половому процессу: к примеру, выстроить мостик от клетки к клетке, через который можно обменяться необходимыми генами. Но вот интересный поворот сюжета: у архей гены фузексинов находятся в геноме не где попало, а чаще всего в составе встроенных паразитических последовательностей, или «эгоистичных элементов», способных прыгать в хромосоме с места на место и размножаться быстрее, чем хозяйская клетка.
Если не обременять себя строгими доказательствами и оговорками, вырисовывается привлекательная гипотеза. Изначально фузексин был частью вооружения эгоистичного элемента, генетического паразита. И это очень полезное оружие: без него элемент мог прыгать с места на место только в пределах одной клетки, но если элемент мог заставить свою клетку слиться с другой, то перед ним открывалось блестящее поприще, целый новый геном, который предстояло освоить. Он фактически превращался в вирус. Или, возможно, все было наоборот: фузексин когда-то и был частью вируса, который затем избавился от лишних сложностей вроде белков оболочки вирусной частицы, но оставил себе последнее оружие, чтобы все-таки иногда заражать другие клетки.
О том, что некоторые археи могут выстраивать мостики между клетками и обмениваться через них кусочками ДНК, известно довольно давно (впрочем, этим ловко занимаются и бактерии). Затем оказалось, что при определенных условиях можно даже заставить две клетки архей по имени Haloferax volcanii слиться в одну. А когда эта глава уже была почти дописана, появилась научная статья, которая перевела всю эту историю из категории догадок в следующую категорию – «гипотезы в процессе подтверждения». Авторы статьи нашли клеточный скелет у археи из группы асгардархей. А это не просто одна из групп: считается, что из ныне живущих прокариот именно асгардархеи ближе всего к нашему общему предку. В частности, авторы увидели, как благодаря своему клеточному скелету, сделанному из белка актина (как и у нас), клетки этих существ ловко объединяются друг с другом и, очевидно, легко могут обменяться генетическим материалом. Тех, кто интересуется подробностями, отошлем к статьям Александра Маркова на «Элементах».
Как бы то ни было, археи, оказывается, имели все необходимое для слияния клеток задолго до того, как их потомки-эукариоты воспользовались этим инструментарием, чтобы заняться сексом. Это открытие – часть большого сюжета, который прямо сейчас разворачивается в биологии. Долгое время казалось, что множество признаков сложных организмов не встречаются ни у бактерий, ни у архей, – они как будто возникли на пустом месте после «великого симбиоза». Но постепенно один за другим появляются факты, свидетельствующие, что на самом деле все это уже было – и было чаще всего именно у архей, очень плохо изученной, в отличие от бактерий, группы организмов. Конечно, большинство наших генов мы получили в наследство как раз от бактерий – об этом подробно рассказано в книге Евгения Кунина «Логика случая». Но вот такие факты прямо-таки провоцируют меня по-дилетантски ляпнуть, что, по существу, все мы с вами, дорогие читатели, просто археи, сильно развившие свои природные дарования и нахватавшиеся кое-чего от бактерий, но придумавшие не так уж много нового.