Почему организмы начали заниматься сексом, а не просто размножаются бесполым путем, как жизнь в течение миллиардов лет - и до сих пор это происходит, в случае одноклеточных организмов и некоторых растений и грибов - является загадкой. Половое размножение развивалось около миллиарда лет назад или больше, несмотря на дополнительную энергию и кажущееся препятствие на пути к поиску подходящего партнера. Преобладающие теории утверждают, что пол стал доминирующей формой размножения благодаря преимуществам большего генетического разнообразия, позволяя потомству приспосабливаться к изменяющимся условиям и держать вид на шаг впереди паразитов, которые развились, чтобы изводить родителей.
Но в новой статье в PLOS Biology группа ученых во главе с Университетом Монпелье во Франции и Университетом Дикин в Австралии предлагает еще одну причину, по которой жизнь началась и продолжала заниматься сексом: угроза трансмиссивных, злокачественных халявщиков.
«Мы предполагаем, что половое размножение развивается, чтобы предотвратить вторжение трансмиссивных эгоистичных неопластических мошеннических клеток, которые далее называются трансмиссивными раковыми клетками», - говорит Фредерик Томас, эволюционный биолог из Университета Монпелье и ведущий автор исследования, в электронном письме. «Насколько нам известно, этот избирательный сценарий для начальной эволюции секса через древо жизни является новым».
Рак не был проблемой для самых ранних форм жизни, прокариот или одноклеточных организмов, в которых отсутствует клеточное ядро, таких как бактерии и археи. Эти существа размножаются бесполым путем, делая копию своей особой хромосомы и по существу клонируя себя.
Но ситуация изменилась с развитием эукариот более 2, 5 миллиардов лет назад. Эти организмы содержат центральные ядра, охватывающие их геномы в наборе хромосом. Группы эукариот объединились, чтобы сформировать первые многоклеточные организмы - предшественники всей сложной жизни на Земле, от растений до насекомых и рептилий до млекопитающих. Когда эти организмы размножаются, генетический материал поступает от двух партнеров, создавая генетически уникальное потомство.
«Секс, по-видимому, сопровождал, непосредственно предшествовал или фактически отмечал переход к эукариотической жизни», - говорит Маурин Нейман, доцент кафедры биологии в Университете Айовы, которая изучает половое размножение, но не участвовала в новом исследовании. Большой вопрос в эволюционной биологии, говорит она, почему.
Секс действительно сложен и неэффективен. Многие организмы должны вкладывать биологические ресурсы в признаки, которые служат единственной цели привлечения партнера, такие как перья павлина. Даже сам акт совокупления несет риск. «Организмы часто буквально слипаются, и это не очень хорошая ситуация», - говорит Нейман. Идея о том, что существо, достаточно успешное для достижения репродуктивной зрелости, захочет возиться с генетической формулой, также странна. «Ты уверен, если повзрослел и добился успеха. Почему ты идешь и отличаешь ребенка от себя?
Путем смешения генетики половое размножение создает большее генетическое разнообразие в популяции, ограничивая передачу раковых клеток среди людей в популяции. (Thomas et al. / PLOS Biology 10.1371) Одна из ведущих теорий известна как гипотеза Красной Королевы. Идея предполагает, что по мере эволюции многоклеточной жизни паразиты и патогенные микроорганизмы, которые ее преследовали. Используя секс для создания потомства с уникальными генетическими чертами, некоторые из потомков могут приобретать устойчивость к клопам, которые в противном случае могли бы угрожать целым видам. Половое размножение служит способом оставаться на шаг впереди эволюционной гонки вооружений. (Название этой гипотезы исходит из заявления Красной Королевы Алисе в книге « Сквозь зеркало» Льюиса Кэрролла: «Теперь, видите ли, здесь требуется все, что вы можете сделать, чтобы оставаться на том же месте»). )
Новое исследование предполагает, что раковые клетки можно считать еще одной формой паразита. Поскольку ранние клетки объединились, чтобы сформировать единичные, эукариотические организмы, эти организмы должны были бы защищаться от клеток-членов, которые отказывались подчиняться себе целиком - «внутренним клеткам-мошенникам» или раковым клеткам. Ранние многоклеточные организмы также должны были бы разработать защиту против вторжения злокачественных клеток от других организмов или трансмиссивных раковых заболеваний.
Таким ранним иммунным системам было бы легче отличить здоровые клетки от злокачественных опухолей, утверждают исследователи, если бы половое размножение создавало потомство, генетически отличающееся от окружающих организмов. Ориентация на раковые клетки могла создать эволюционное давление для охвата секса, аналогичное давлению от паразитов и других патогенных микроорганизмов.
«Злокачественные клетки - по крайней мере, по нашему мнению - имеют такое же значение в эволюционной биологии и экологии, как и не-паразиты, и поэтому должны считаться такими же важными, как паразиты и микробиота», - говорит Томас. «Рак - это не только болезнь, это эволюционная сила».
По мнению Стива Джонсона, биолога, изучающего эволюцию взаимодействия пола и хозяина-паразита в Университете Нового Орлеана, эта идея может стать новым мощным способом мышления об эволюции. «Чем больше я думаю об этом, тем больше я верю, что это может быть очень важным новым подходом», - говорит он в электронном письме. «Мне особенно нравится, что они связывают моделирование Красной Королевы с идеей, что половое размножение уменьшает уникальный вид паразита, передаваемые раковые клетки».
«Вы можете думать о раке как об эгоистичном явлении, которое умирает вместе с человеком», - добавляет Нейман. «Но что, если это не так? Как это изменит эволюционный ландшафт? »
В статье Томас и его коллеги описывают некоторые изменения в эволюционном ландшафте, которые они ожидают увидеть, если их гипотеза верна. Например, передаваемый рак, вероятно, будет редким для видов, размножающихся половым путем, и это действительно так. Существует лишь несколько примеров, таких как тасманские повреждения лица дьявола и лейкемия у некоторых моллюсков.
Исследователи также предсказывают, что большинство бесполых видов будут относительно молодыми или специально приспособленными для борьбы с раком. И действительно, они обнаружили, что примерно половине известных бесполых линий, по оценкам, менее 500 000 лет. «Остальные 50 процентов линий состоят из эволюционно скандальных» организмов, о которых известно, что они устойчивы к мутагенам, говорится в новой статье. Такие организмы, говорит Томас, могли бы стоить изучения, чтобы узнать больше об их противораковой защите для медицинского использования.
Но есть причина, по которой происхождение пола считается сложной проблемой в эволюционной биологии. По оценке Неймана, есть элементы новой теории, которые не совсем складываются - по крайней мере, пока. Например, редкость передаваемых видов рака среди существ сегодня может не поддерживать эту новую теорию.
«Вселенная, в которой рак объяснял секс, потребовала бы, чтобы эти заразные раки действительно были довольно распространенными», - говорит Нейман. Она также задается вопросом об одном из центральных допущений теории, что генетическая особенность родителей и потомков фактически будет фактором успешной борьбы с раковой инфекцией. «Я не уверен, что это было хорошо проверено, и это очень важное предположение».
Томас признает, что гипотеза его команды должна быть подтверждена с помощью экспериментов, которых на данный момент не хватает. «Мы предлагаем в статье несколько направлений для этого, наиболее изящным было бы использование клонирования животных для оценки риска передачи раковых клеток, связанного с бесполым размножением», - говорит он. Если новая теория полового размножения верна, вероятность того, что мать передает раковые клетки своему потомству, должна быть выше, если эмбрион является имплантированным клоном матери, а не генетически отличным эмбрионом.
Команда также работает с клонированными гидрами, морскими организмами, которые могут размножаться как половым, так и бесполым путем в зависимости от условий окружающей среды. По словам Томаса Мэдсена, ученого из университета Дикин и соавтора нового исследования, цель состоит в том, чтобы «попытаться« заразить »здоровые клональные гидры раковыми клетками и исследовать их эволюционный ответ». Если новая теория секса верна, инфицированные гидры должны предпочесть половое размножение бесполому.
Но происхождение секса всегда было грязным, и Нейман считает, что так и останется. «Я думаю, что сложность и просто беспорядок в биологии часто требуют того, что мы называем плюралистическими или множественными объяснениями», - говорит она. «Я не думаю, что когда-либо будет общее, элегантное, простое решение».
