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]. 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 %.
Все это действительно так, но только в среднем. Столь же верно утверждение, что если вы бросите пару кубиков, то выпавшая сумма будет примерно равной семи. Однако в каком-то отдельном броске у вас могут выпасть две единицы. После того как мейоз перемешает ДНК между парными хромосомами, может случиться так, что в яйцеклетках окажется больше ДНК от отца женщины, чем от ее матери; иной же раз картина обратная. Братья и сестры, появившиеся из этих яйцеклеток, получат больше ДНК от маминого отца, чем от ее матери. А для других детей может быть все наоборот. Таким образом, мейоз делает одних братьев и сестер генетически более близкими, чем других.
Когда у ученых появилась возможность прочитывать последовательность ДНК, они применили ее для сравнения генетической схожести обычных людей. В 2006 г. генетик Питер Вишер из Квинслендского института медицинских исследований (Австралия) и его коллеги исследовали 4401 пару братьев и/или сестер, изучив несколько сотен генетических маркеров у каждого[364]. Часто у братьев и сестер было несколько одинаковых сегментов хромосом, которые они унаследовали от одного из родителей. Ученые обнаружили, что в среднем у братьев и сестер примерно половина всей ДНК состоит из одинаковых участков. Однако различие между многими парами не было равным точно 50 %. Максимальное значение общей ДНК, которое зарегистрировали исследователи, оказалось 61,7 %, минимальное – 37,4 %. Другими словами, среди всего разнообразия наследования братья и сестры в ряде пар были ближе к однояйцевым близнецам, а в некоторых других – к кузенам и кузинам.
Первые эукариоты, у которых появилась наследственность, подчиняющаяся закону Менделя, передали ее своим потомкам. В большинстве родословных она сохраняется и по сию пору. Уже примерно 2 млрд лет тарантулы используют мейоз, чтобы соединить хромосомы и перемешать аллели. То же делают колибри, розы и бледные поганки. Однако при всех стойких преимуществах мейоза в определенных обстоятельствах он может затухать и исчезать.
К примеру, у некоторых видов растений процесс мейоза нарушается[365]. Их яйцеклетки-семязачатки образуются из клеток-предшественниц без перемешивания ДНК и последующего расхождения хромосом. Наоборот, такие растения часто образуют семязачатки с помощью обычного деления. Материнская клетка с парными хромосомами делится на две дочерние с точно такими же парными хромосомами.
Хотя эти растения в процессе эволюции отказались от мейоза, они все еще цепляются за пережитки своей прошлой жизни, в которой было половое размножение. У некоторых из них семязачаток может сформироваться, только если на цветок попала пыльца и принесла с собой правильные молекулярные сигналы. Все, что нужно от пыльцевого зерна, – именно эти сигналы. Мужская ДНК здесь не используется.
Ястребинка, которую Мендель выбрал для изучения после гороха, оказалась одним из таких странных растений[366]. У гороха мейоз происходит стабильно, давая соотношение доминантных и рецессивных признаков у потомства, равное трем к одному. Было ошибкой для поиска такого же соотношения выбрать ястребинку – растение, эволюционно отошедшее от подобного способа наследования. Когда Мендель нанес пыльцу на цветок ястребинки, он запустил процесс образования семян, которые содержали полностью материнскую ДНК, а ДНК из пыльцы в них не было. И только когда генетики научились отслеживать передачу генов от одного поколения ястребинки к другому, они осознали великое невезение Менделя.
Растения, как и другие эукариоты, утрачивают мейоз, когда его эволюционная польза перестает перевешивать затраты на него. В определенных ситуациях организмы смогут размножаться более эффективно, если будут просто удваивать свою ДНК, а не объединяться с противоположным полом, разрывая связи между своими генами.
Есть и другие способы нарушить закон Менделя. Иногда отдельные гены обманывают наследственность ради своей эволюционной выгоды.
Такие молекулярные хакеры стали известны в 1920-х гг., когда были обнаружены мухи, приносящие в потомстве преимущественно дочерей. Однажды советский биолог Сергей Гершензон отправился в лес, чтобы отловить вид мух
Гершензон заметил, что у двух из этих линий было что-то особенное. Обычно кладка яиц
В поисках истинной причины исследователь провел серию экспериментов со скрещиванием. Особенность рождать больше дочерей может передаваться как простой признак, имеющий свою генетическую основу. В результате Гершензон выяснил, что определяющий ген находится на X-хромосоме. Но при этом ученый не понимал, как именно этот ген сдвигает соотношение полов в сторону дочерей. Гершензон осознал, что, каким бы ни был этот особенный способ, он находит лазейку в законе Менделя.
Обычно у мух вероятность родиться самцом или самкой составляет 50 %, потому что сперматозоид имеет 50 %-ный шанс получить как X-, так и Y-хромосому. В результате нормальный аллель гена, лежащий на X-хромосоме самца дрозофилы, унаследует примерно половина его потомков. Для мух Гершензона расчеты получались другие. Если у самца появляется та самая таинственная мутация, которую открыл Гершензон, то большинство потомков – да едва ли не все – получат его X-хромосому и почти никто не унаследует Y-хромосому. Эти мухи могут передать ген, отвечающий за рождение дочерей, своим потомкам и дальше. В целом вероятность для мухи унаследовать мутацию, отвечающую за преимущественное рождение дочерей, будет выше 50 %. В результате мутация закрепляется в популяции.
Гершензон пришел к выводу, что «это и позволяет ему распространяться»[370].
Сначала открытие Гершензона показалось странным исключением из правил наследственности. Но прошло не так много времени, как ученые стали находить и другие случаи, когда гены подправляли вероятности Менделя в свою пользу[371]. Весь комплект подобных исключений получил название генного драйва. Этот генный драйв настолько силен, что вызывает, можно сказать, эпидемию распространения аллеля гена сквозь поколения, пока он не начнет преобладать в популяции. Сегодня в списке генных драйвов уже много пунктов, причем не только у мух, но и у растений[372], грибов[373], млекопитающих[374] и, возможно, даже у людей.