ПОЧЕМУ НУЖНО МЕШАТЬ ГЕНЫ 

Размножение, создание себе подобных — одно из главных свойств живых организмов. Создавать почти идентичные копии себя умеют и одноклеточные дрожжи, и колонии коралловых полипов, и травы с ползучими усами, у которых один организм занимает площадь в десятки и сотни квадратных метров. Однако не все потомки выглядят точь в-точь как их предки: например, мы отличаемся от родителей, да и от братьев и сестёр обычно тоже. Почему так получается? Дело в том, что условия жизни могут меняться со временем. Родитель жил в одних обстоятельствах, а ребёнок может оказаться совсем в других. Чтобы иметь шанс на выживание в изменчивом мире, потомство должно отличаться от родителей — тогда есть шанс, что оно приспособится к новым условиям. Для этого нужно не передавать детям гены как есть, а изменять их. Есть несколько способов это сделать: слияние клеток двух разных особей и мейоз. Во время мейоза в пределах одной клетки хромосомы с одноимёнными генами на них сцепляются и обмениваются участками — это называется кроссинговер. Затем одна клетка делится на две, и в каждую попадает уникальный набор генетического материала. Так обычно получаются гаметы — специализированные половые клетки. Гаметы родителей, сливаясь, дают начало потомству с новыми генетическими характеристиками.

Половое и бесполое размножение 

Бесполое размножение, в отличие от полового, происходит без участия гамет, при помощи простого деления клеток. Достаточно одного родителя. Этот способ даёт больше потомков за единицу времени, поскольку клетки делятся, а не сливаются, но все потомки получаются одинаковыми — это хорошо в стабильных условиях, но плохо в изменчивой среде. При половом размножении приходится искать партнёра, который поделился бы гаметами. Это требует затрат энергии, но потомству, отличаю щемуся от родителей, пусть и не такому многочисленному, будет проще выжить в новых условиях.

КАК РАЗМНОЖАЮТСЯ БАКТЕРИИ

Пол и половое размножение возникли 1,6–2,1 млрд лет назад, когда в клетках образовалось оформленное ядро, то есть возникли эукариоты. У бактерий нет оформленного ядра, поэтому они делятся иначе. Правильнее говорить, что у них половой процесс, а не половое размножение. Обычно бактерии делятся напополам (это называется бинарное деление), но некоторые могут отращивать половые пили — нитевидные структуры, по которым они могут передавать другим клеткам фрагменты своей ДНК. Таким образом, например, одна клетка, приобретя устойчивость к антибиотику, передаёт эту способность сородичам.

ПОЧЕМУ ОСОБИ ОТЛИЧАЮТСЯ 

Итак, гаметы нужны для того, чтобы потомство, полученное с их участием, генетически отличалось от родителей. Но при чём тут пол? Иными словами — зачем особям одного вида быть непохожими друг на друга? 

     Может произойти так, что один организм выпустит во внешнюю среду свои гаметы, а они начнут сливаться между с собой. В этом нет смысла, поскольку набор генов в них, в общем-то, одинаковый. Нужно сделать так, чтобы гаметы одной особи друг с другом не соединялись. Например, заставить их вырабатывать какие-нибудь молекулы, которые блокируют слияние с «родственниками». Тогда можно будет избегать «своих» и выбирать «чужих». 

     Так и возникает пол — способность организма производить гаметы какого-то одного вида. Теоретически полов может быть сколько угодно. У некоторых грибов их десятки, но большинству животных, растений и прочих достаточно двух, чтобы найти подходящую гамету-партнёра. 

    Для создания разных гамет нужны разные условия, а они задаются тем, что окружает будущие половые клетки — остальными клетками организма. Поэтому когда появляется анизогамия, начинают накапливаться и различия во внешнем и внутреннем строении между самками и самцами — или представителями любых других полов, характерных для данного вида. Различия называют общим термином половой диморфизм. У каких-то видов он сильнее (есть глубоководные рыбы Caulophryne jordani, у которых самец прирастает к крупной самке и становится её маленьким выступом), у каких-то слабее (не всегда кота издалека можно отличить от кошки, да и с мышами и белками так сразу и не скажешь).

СЛИЯНИЯ ГАМЕТ

ИЗОГАМИЯ 

Гаметы организмов разных полов выглядят одинаково. Для кого характерна: зелёная водоросль хламидомонада.

АНИЗОГАМИЯ 

Гаметы подвижны, отличаются друг от друга размерами — женские немного крупнее. Для кого характерна: некоторые мхи и зелёные водоросли.

ООГАМИЯ 

Форма анизогамии, когда женские гаметы неподвижны и значительно крупнее мужских; женская гамета в таком случае называется яйцеклеткой. Для кого характерна: позвоночные животные, высшие растения (споровые и семенные), диатомовые водоросли.

ПОЧЕМУ ХРОМОСОМЫ РАЗНЫЕ 

Один из самых распространённых вариантов определения пола — с помощью специализированных половых хромосом. Как организм некоторые отдельные клетки-гаметы «посвящает» половому размножению, так и отдельные хромосомы накапливают гены, нужные для создания половых органов и клеток. 

   Как правило, получается два вида половых хромосом. Нередко на одной остаётся больше генов, чем на другой. У одного из полов в каждой клетке тела (кроме гамет, так как у них один набор хромосом, а не два, как у остальных) будет две разных половых хромосомы, у другого — две одинаковых. 

    Половые хромосомы называются либо X и Y, либо Z и W, либо U и V. Выбор названия зависит от того, у кого половые хромосомы различаются — у самца или самки. В первом случае они отличаются у самцов (XY), но одинаковые у самок (XX). Так определяется пол у человека и большинства млекопитающих, рыб, дрозофил, земляники (да, у растений тоже есть половые хромосомы!). Во втором случае одинаковые половые хромосомы, наоборот, у самцов: в их клетках две Z-хромосомы, а у самок Z и W. Так пол определяется у птиц, рептилий, многих бабочек и у растения гинкго билоба. Система UV встречается реже. Ей пользуются примитивные наземные растения печёночники. У них есть чередование полового и бесполого поколений, и только в половом растение, собственно, имеет пол: в его клетках либо половая хромосома U («женская»), либо V («мужская»). В остальное время в каждой клетке печёночника присутствуют обе половые хромосомы.

ПОЧЕМУ ВАЖНО ЧИСЛО ХРОМОСОМ 

У пчёл и некоторых других общественных насекомых клетки тела самцов содержат одинарный набор хромосом, а у самок — двойной. То, какие у них при этом половые хромосомы, не столь важно, имеет значение в первую очередь количество. Самцы получаются из неоплодотворённых женских гамет, а самки — из оплодотворённых. 

     Ещё страннее получается у червецов и щитовок. Этих насекомых вы могли видеть на заболевших комнатных растениях. У них самцы умеют летать, а самки мало двигаются и похожи на скопления щитков. Как и у пчёл, клетки особей мужского пола у щитовок несут по одному набору хромосом, женского — по два. Но и те и другие получаются в результате слияния гамет. Дело в том, что мужские эмбрионы, пока в них совсем ещё мало клеток, избавляются от набора генов, полученного от одного из родителей. Его либо «выключают», либо вообще разбирают на отдельные нерабочие фрагменты

Troides rhadamantus — билатеральный гинандроморф (левая половина тела — самка, правая — самец)

     Не всегда все клетки тела имеют одни и те же половые хромосомы. У птиц, ракообразных и бабочек каждая клетка самостоятельно определяет, что в ней активно — Z или W (при условии, что обе эти хромосомы в ней есть). Таким образом, часть клеток в организме имеет мужские характеристики, а часть — женские. Это называется гинандроморфизм. Иногда получается даже чёткое деление тела на самцовую и самочью половины. Получаются билатеральные гинандроморфы.

Почему трёхцветные только кошки? 

Когда пол определяется специальными хромосомами, одна из них часто становится меньше другой и несёт на себе меньше генов. В таком случае у особей пола с разными хромосомами (например, самцов XY) копий некоторых генов меньше, чем у самок. Чтобы устранить это неравенство, одна из половых хромосом у особей пола с одинаковыми хромосомами теряет активность. Это явление называется дозовой компенсацией. У женщин в каждой клетке так делает одна из X-хромосом: она конденсируется и становится тельцем Барра. По его наличию можно определить пол существа (например, будущего ребёнка) по нескольким его клеткам. Инактивация одной из X-хромосом происходит случайным образом и независимо в каждой клетке. Поэтому те признаки, которые кодируются генами на X-хромосоме, в разных частях орга низма могут проявляться неодинаково. Это причина, по которой некоторые кошки черепахового окраса, а не какого-то одного цвета. Инактивация половых хромосом может быть причиной гинандроморфизма.

ПОЧЕМУ ВАЖНА ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА 

Ещё один фактор, влияющий на пол организма, — внешние условия, чаще всего температура, при которой формируется эмбрион. Такое определение пола часто встречается у крокодилов и черепах, а также костистых рыб. Как правило, при более высокой температуре из яиц или икринок вылупляются самки, а при более низкой — самцы. У болотной черепахи при +30 °C все в кладке будут самками, при +25 °C все будут самцами, а при промежуточных значениях в потомстве появятся и самки, и самцы. Видимо, дело в том, что фермент ароматаза, который отвечает за образование мужских и женских гормонов, при разных температурах неодинаково активен. 

     Для таких животных глобальное потепление представляет особую угрозу. Если не останется мест, где они смогут выводить потомков обоих полов, они не смогут размножаться, так как женские гаметы будет некому оплодотворять. 

     Некоторые животные, в частности губаны, бычки и австралийские сцинки рода Niveoscincus, используют одну из нескольких систем определения пола в зависимости от условий. Если условия постоянно меняются, лучше, чтобы число самок и самцов определялось хромосомами, в противном случае представителей какого-то пола может совсем не остаться. А в стабильной обстановке эти организмы переходят на температурное определение пола.

Кто выйдет из яйца рептилии, самка или самец, зависит от температуры, при которой развивался зародыш. По вертикальной оси показан процент самцов в потомстве в зависимости от температуры у миссисипского аллигатора, красноухой черепахи и грифовой черепахи. У всех он тем ниже, чем жарче — то есть из-за глобального потепления в какой-то момент самцов может совсем не остаться.

У человека признаки пола появляются на шестой неделе внутриутробного развития. К этому моменту у плода формируются женские или мужские органы для производства гамет — яичники или семенники.

ПОЧЕМУ СУЩЕСТВУЮТ ГЕРМАФРОДИТЫ 

Один организм может производить гаметы разных полов, то есть быть гермафродитом. Так делают многие высшие растения, брюхоногие моллюски, плоские черви. Это неплохой выход на случай, если на много километров вокруг нет особей того же вида: теоретически могут слиться разноимённые половые клетки гермафродита. 

     В остальных случаях гермафродитизм уже не так полезен: партнёра всё равно приходится искать (ведь он послужит источником новых комбинаций генов, а без него придётся бесконечно тасовать одну и ту же собственную ДНК), а потом выбирать, кто сыграет роль самки, а кто — роль самца. Самкой быть невыгодно в том плане, что она гораздо больше ресурсов тратит на размножение. Поэтому порой между гермафродитами случаются битвы, где проигравший становится донором яйцеклеток, а победитель — донором менее энергозатратных сперматозоидов. 

     Почему же тогда гермафродитизм совсем не исчез? Скорее всего, дело в том, что он возникал многократно независимо в разных группах организмов — и продолжает возникать. А в эволюции много случайных процессов, так что это у многих происходит «просто так». 

     Гермафродит — это не обязательно тот, кто может производить разные гаметы одновременно. Существует и такое явление, как последовательный гермафродитизм, когда часть жизни особь одного пола, а часть — другого. У таких видов самки могут становиться самцами и наоборот. Так часто делают рыбы, например рыбы-клоуны (те самые, что стали звёздами мультфильма «В поисках Немо»). Вид живёт стаями, в который доминирует самка. Если она пропадает из стаи, то самкой становится сильнейший самец. Так что отец Немо после исчезновения своей подруги должен был стать маленькой рыбке матерью.

Гермафродиты бывают и среди растений. Существуют растения с обоеполыми цветками (в них есть и мужские тычинки, и женские пестики), а кроме них — однодомные растения, у которых мужские цветки (с тычинками) и женские (с пестиками) находятся в одном «дому» — на одной особи.

Пол — это изменчивая характеристика. Даже у очень близких видов он может определяться по-разному и порой меняться в течение жизни. Такое многообразие механизмов отлично иллюстрирует то, что у эволюции бесчисленное количество возможностей — и многие из её ходов случайны.