Эволюция игрека

Таким образом, основные причины «разрастания» генома – это накопление «мусорной» ДНК и полиплоидизация, то есть кратное увеличение количества хромосом. Иногда это делает геном стабильнее, в том числе и в эволюционном плане, ведь в нем в неактивном состоянии могут сохраняться (и постепенно мутировать) гены, которые потом, в новых условиях среды окажутся полезными.

Зачем вообще все это нужно? Плодились бы дочерние клетки митозом, рожали бы собственные копии, и никаких проблем – ни любви, ни сбежавших невест, ни падения Трои… Все дело в рекомбинации, то есть перемешивании разного генетического материала: оно дает новые генотипы, которые могут оказаться более приспособленными к условиям среды, чем их предки. Рекомбинация – это материал для отбора, эволюции. Именно поэтому злак, растущий на лугу в относительно стабильных условиях, высевающий сотни семян каждый год, может иногда позволить себе размножаться без скрещивания. А животные, дающие мало потомства, ведущие активный образ жизни, прямо-таки обязаны скрещиваться, искать себе лучшую, а порой просто чем-то неведомым им приглянувшуюся пару.

Однако простого объединения хромосом отца и матери природе оказалось мало – нужно же еще все перемешать. Это тоже происходит в мейозе, на стадии пахитены. В цепочках ДНК двух хромосом происходят разрывы, и нити ДНК из одной хромосомы сливаются с другой. Здесь хромосомы уже достаточно толстые, чтобы быть видимыми в световой микроскоп, но все еще имеют вид длинных нитей, которые у многих видов напоминают бусы. Рисунок этих бус уникален – мы можем идентифицировать каждую хромосому по рисунку ее пахитены и даже создать пахитенную карту хромосом.

Почти все хромосомы в организмах имеют пару, это так называемые гомологичные хромосомы, они практически одинаковы, и именно они расходятся в мейозе в две стороны. Половые же хромосомы порой отличаются очень сильно. Так человек имеет две половые хромосомы – довольно крупный X и маленький Y (он меньше «икса» почти вдвое). Они тоже расходятся в мейозе – каждой половой клетке достается или Y, или X. Мужчина, имеющий в геноме один «икс» и один «игрек», образует два типа сперматозоидов – несущих X- или Y-хромосому. Женщины не имеют Y-хромосомы, поэтому пол потомства зависит от того, какой сперматозоид оплодотворит яйцеклетку. Именно на маленькой Y-хромосоме находятся гены, запускающие развитие организма «по мужскому сценарию». 

Половые хромосомы (и вообще пол) возникали и исчезали множество раз на протяжении эволюции как животных, так и растений. Человеческие хромосомы произошли, скорее всего, от гоносом древних млекопитающих. Пол у птиц, млекопитающих и змей, вероятно, образовался независимо, причем из разных пар неполовых хромосом (аутосом). А у рептилий, как и у современных крокодилов, пол определялся температурой, при которой развивалась особь.

Y-хромосома человека – одна из самых маленьких в его кариотипе. Она не рекомбинирует с X-хромосомой, что не позволяет «мужским» генам оказаться на «женской территории». Всем этим мы похожи со многими другими раздельнополыми организмами, например, с плодовой мушкой дрозофилой или хмелем обыкновенным. Дело в том, что мужская Y-хромосома изначально была только гомологом «икса» и лишь с развитием системы наследования пола постепенно стала отличаться. Таким образом, маленькая, нерекомбинирующая Y-хромосома, несущая небольшое число генов, является признаком стабильной, прошедшей длительную эволюцию системы наследования пола.

При развитии пола по «классическому» сценарию, согласно модели эволюции половых хромосом, выдвинутой R. Ming, на определенном этапе на Y-хромосоме начинают накапливаться транспозоны и повторяющиеся последовательности. Вначале это может даже увеличить ее размеры, но впоследствии ведет к деградации, то есть постепенной потере ДНК. Причина в том, что, собственно, ничто не мешает хромосоме деградировать. Потеря какого-то куска ДНК не приводит к негативным последствиям, так как мужской пол уже несет X-хромосому – а на ней присутствуют все гены, которые есть на Y. Естественный отбор особей с отсутствием каких-то генов на «игреке», таким образом, ослабляется. А физическая деградация, то есть уменьшение размера, происходит в результате исчезновения повторяющихся последовательностей. 

К чему все это может привести? Вариантов два. Первый – все останется как есть. Y-хромосома уже уменьшилась до неких крайних пределов и сейчас достаточно стабильна, а те гены, что остались на ней, необходимы для функционирования организма, так что на них действует постоянный положительный отбор. По-видимому, они необходимы именно на Y, потому и не происходит их случайное перемещение. Кроме того, около 25 % длины хромосомы составляют крупные палиндромные последовательности, препятствующие ее дальнейшей деградации.

Второй, также возможный вариант – исчезновение Y-хромосомы. При этом женщины будут иметь по-прежнему два «икса», а мужчины – лишь один «икс», без «игрека». Это, однако, чрезвычайно сложно с точки зрения системы наследования пола, так как потребуется ее принципиальная перестройка: ген Sry, запускающий программу развития генома по мужскому типу, находится именно на «игреке».

В принципе, можно вообразить и третий вариант развития событий: постепенное необратимое исчезновение Y без образования новой системы половых хромосом, что должно привести к исчезновению человека как биологического вида – в связи с отсутствием мужчин. Но этот сценарий маловероятен в силу гигантского (для млекопитающих) размера человеческой популяции. Либо всегда будут люди с сохранившейся Y-хромосомой, либо со временем появятся мужчины, у которых пол развивается без участия Y.