2 июня 2022 года.
У большинства животных на Земле есть два пола, мужской и женский, которые объединяют и смешивают свои гены при размножении. Мы настолько привыкли к такому положению вещей, что существование полностью женских видов, которые не занимаются сексом, а размножаются путем клонирования, стало для нас большой неожиданностью.
Красивый зеленый кузнечик Warramaba virgo — один из этих редких «партеногенетических» видов, у которых яйцеклетка может развиться в эмбрион, не будучи оплодотворенной сперматозоидом. Он обитает в южных районах засушливой зоны Австралии, где в летнее время питается деревьями мульга и другими кустарниками и кустиками.
Мы изучали этих кузнечиков в течение последних 18 лет, чтобы понять, как у них развилось бесполое размножение и как это изменение повлияло на их способность выживать и размножаться.
Наше новое исследование, опубликованное в журнале Science, показывает, что W. virgo возникли около 250 000 лет назад в результате скрещивания двух разных видов кузнечиков, размножающихся половым путем, и отказ от секса, похоже, не имел для них никаких негативных последствий.
Загадка партеногенеза
Биологи, изучающие эволюцию, часто рассматривают редкость партеногенетических видов, таких как W. virgo, как большую загадку.
Это связано с тем, что секс налагает большие издержки на размножение животных. Во-первых, существует «двойная цена секса»: половина потомства существ (самцы) не в состоянии производить собственное потомство в одиночку, поэтому их часто рассматривают как «эволюционное расточительство».
Кроме того, поиск пары требует энергии, а спаривающиеся животные часто подвергаются большему риску нападения хищников. Отказ от самцов также устраняет эти недостатки.
Так почему же секс вообще существует? Главная причина, по мнению биологов, связана со смешением или «рекомбинацией» генов в результате секса. Это может ускорить процесс адаптации за счет слияния благоприятных комбинаций генов, а также помогает очистить популяцию от комбинаций плохих мутаций.
У партеногенетических видов эти процессы не происходят: вместо этого все представители вида имеют практически одинаковые гены. Это означает, что они могут быть менее приспособлены к изменениям окружающей среды. Более того, партеногены могут накапливать плохие мутации, которые снижают их приспособленность.
Но реальны ли эти издержки? Приводят ли они к быстрому вымиранию всех партеногенов, которые случайно образуются?
В чем секрет W. virgo?
В течение последних 18 лет мы изучали эти вопросы на примере W. virgo.
Впервые этот кузнечик был изучен в 1962 году выдающимся эволюционным биологом и генетиком Майклом Уайтом. Молодой сын Уайта Николас впервые обнаружил их в окрестностях города Хиллстон в Новом Южном Уэльсе, когда заметил, что встречаются только самки определенного вида.
Затем Уайт показал, что этот же вид обитает в 2000 км от него, в Западной Австралии, вместе с половым видом (недавно названным W. whitei).
Оказалось, что W. virgo имеет гибридное происхождение: скрещивание W. whitei с другим видом, W. flavolineata, произошедшее много тысяч лет назад.
Партеногенетический вид может иметь преимущество, если его генетическое разнообразие увеличивается за счет повторяющихся гибридизаций между двумя родительскими видами, в результате чего образуется целая армия различных клонов. Объединение геномов двух видов может также сделать партеногены более энергичными.
Подобная «гибридная энергичность» встречается у некоторых животных, например у мулов (скрещивание лошади и осла). Мул обладает гораздо большей силой и выносливостью, чем его родительский вид.
Может быть, гибридное происхождение W. virgo породило разнообразную армию клонов, обладающих особыми способностями по сравнению со своими половыми родственниками, или гибридов с высоким уровнем жизнеспособности?
У отказа от секса мало преимуществ, но нет и недостатков
На эти вопросы мы ответили однозначным «нет»!
Мы изучили более 1500 генетических маркеров W. virgo и не обнаружили практически никаких различий у партеногенов по сравнению с родительскими видами.
Это ясно показало, что только одно гибридное спаривание между W. whitei и W. flavolineata привело к появлению W. virgo. Основываясь на количестве и характере мутаций, произошедших в W. virgo, мы предполагаем, что это скрещивание произошло около 250 000 лет назад.
Мы также показали, что партеноген не имеет преимуществ перед родительским видом по ряду физиологических признаков, включая устойчивость к жаре и холоду, скорость метаболизма, количество откладываемых яиц, размер яиц, продолжительность их созревания и продолжительность жизни.
При этом W. virgo естественным образом производил в два раза больше женского потомства, чем половые виды. Он сохранил свое двукратное преимущество перед половыми видами, несмотря на то, что за 250 000 лет у этого вида накопились мутации с низкой приспособленностью.
Вывод из нашего исследования заключается в том, что W. virgo стал партеногенным, но без особых затрат. Кроме того, в отличие от своего родительского вида, он успешно распространился с западной части страны на восточную.
Почему больше видов не отказываются от секса?
Почему же тогда мы повсеместно встречаем сексуальные виды, несмотря на их двукратную репродуктивную стоимость? Мы подозреваем, что развитие партеногенеза должно быть очень сложным.
Действительно, мы пытались экспериментально скрестить те же половые виды, которые дали начало W. virgo, и получили лишь несколько гибридов, ни один из которых не смог произвести потомство. Гибридное состояние может нарушить нормальные процессы развития яйцеклетки настолько, что партеногенез станет крайне редким явлением у животных в целом.
Мы считаем, что будущие исследования парадокса полового размножения должны быть сосредоточены на барьерах, препятствующих утрате половой функции, а не только на преимуществах половой функции.
Авторы: Майкл Кирни, профессор кафедры экофизиологии и эволюционной биологии Мельбурнского университета, и Ари Хоффманн, профессор Школы биологических наук и Института Bio21 Мельбурнского университета.
