Гаплодиплоидная детерминация пола
Механизм наследования пола у перепончатокрылых. Самка диплоидная, то есть имеет двойной набор хромосом ( 2n). Она может отложить неоплодотворенное яйцо с одинарным набором хромосом (n), из которого выведется гаплоидный самец. Если же яйцо будет оплодотворено, то его хромосомный набор будет двойным, и из него выведется самка. Самка получает половину хромосом от матери, половину – от отца. Самец получает от матери половину ее хромосом, а отца у него нет. Такой механизм наследования пола называется гаплодиплоидным.
В действительности все несколько сложнее. Кроме сестер есть еще и братья‑трутни, которые имеют со своими сестрами лишь 25 % общих генов (если смотреть со стороны сестры) или 50 % (с точки зрения брата). Однако рабочие самки выращивают и братьев тоже (хоть и недолюбливают их). Мы не будем вдаваться в эту довольно сложную теоретическую область, тем более что приматы, которые нас интересуют, не являются гаплодиплоидами. Но у общественных перепончатокрылых есть (или было в эволюционном прошлом) еще одно важное свойство, резко повышающее вероятность развития альтруизма под действием родственного отбора. Это свойство – моногамия.
Потомки моногамных диплоидных родителей имеют в среднем по 50 % общих генов (R = 0,5). У потомков самки, спаривающейся со многими самцами, средняя величина R стремится к 0,25 (если самцов достаточно много). Для родственного отбора это очень серьезная разница. При R = 0,5 достаточно любого пустяка, чтобы склонить чашу весов в сторону предпочтения сестер и братьев. При R = 0,25 свои дети однозначно дороже. Очень важно, что моногамия свойственна термитам – второму отряду насекомых, в котором эусоциальность получила широкое распространение, причем без всякой гаплодиплоидности. У термитов работают не только самки, но и самцы (они диплоидные, как и их сестры).
|
|
|
Как мы помним, моногамия, вероятно, была свойственна древним гоминидам. Это могло стать мощным стимулом для развития под действием родственного отбора братской (и сестринской) взаимовыручки, внутрисемейной кооперации и альтруизма. И еще, конечно, отцовской любви, а заодно и преданности детей обоим родителям, а не только матери. Возможно, всю эту гамму альтруистических чувств родственный отбор смог поддержать у наших предков именно потому, что они были – хотя бы отчасти – моногамными.
Обманщики
Кроме родственного отбора существуют и другие механизмы и факторы, помогающие или, наоборот, препятствующие эволюции альтруизма. Главной помехой является проблема так называемых «обманщиков», проблема социального паразитизма.
Вспомним, например, социальную жизнь бактерии Pseudomonas fluorescens, о которой говорилось в книге «Рождение сложности». Эта бактерия – удобный объект для изучения эволюции в пробирке.
|
|
|
В жидкой среде бактерии Pseudomonas развиваются сначала как одиночные клетки и постепенно занимают всю толщу бульона. Когда в среде становится мало кислорода, получают преимущество бактерии‑мутанты, которые выделяют вещества, способствующие склеиванию клеток. Такие бактерии после деления не могут «отклеиться» друг от друга. Фокус тут в том, что одиночные клетки плавают в толще бульона, а склеившиеся всплывают на поверхность, где кислорода гораздо больше. Производство клея – дело дорогостоящее, однако общая награда (кислород) с лихвой покрывает расходы.
Возникновение таких колоний – само по себе большое достижение. Но до настоящей социальности, а тем более до настоящего многоклеточного организма тут еще очень далеко. Эти колонии недолговечны, потому что естественный отбор в такой колонии благоприятствует размножению клеток‑«обманщиков», то есть мутантов, которые перестают производить клей, однако продолжают пользоваться преимуществами жизни в группе. В этой системе нет никаких механизмов, которые препятствовали бы такому жульничеству. Безнаказанность ведет к быстрому размножению обманщиков, и колония разрушается. Дальнейшее развитие кооперации в такой системе оказывается невозможным из‑за социального паразитизма.
|
|
|
В этом и состоит главное препятствие на пути эволюции кооперации и альтруизма. Таково общее правило: как только начинает зарождаться кооперация, тут же появляются всевозможные обманщики, нахлебники и паразиты, которые могут лишить кооперацию всякого смысла.
Чтобы социальная система могла развиваться дальше, ей необходимо выработать механизм борьбы с обманщиками. Иногда такие механизмы действительно вырабатываются. Часто это приводит к эволюционной «гонке вооружений»: обманщики совершенствуют способы обмана, а кооператоры совершенствуют способы борьбы с обманщиками.
Вот еще один пример из жизни микробов. Для бактерий Myxococcus xanthus характерно сложное коллективное поведение. Например, иногда они устраивают коллективную «охоту» на других микробов. Охотники выделяют токсины, убивающие «добычу», а затем всасывают органические вещества, высвободившиеся при распаде погибших клеток.
При недостатке пищи миксококки образуют плодовые тела, в которых часть бактерий превращается в споры. В виде спор микробы могут пережить голодные времена. Плодовое тело формируется путем самосборки за счет согласованного поведения множества индивидуальных бактерий. При этом лишь часть бактерий получает прямую выгоду, а остальные жертвуют собой ради общего блага. Дело в том, что не все участники коллективного действа могут превратиться в споры и передать свои гены следующим поколениям. Многие особи выступают в роли «стройматериала», обреченного умереть, не оставив потомства.
|
|
|
Как мы уже знаем, где альтруизм, там и паразиты‑обманщики. Среди миксококков обманщики тоже есть: это генетические линии (штаммы) миксококков, не способные к образованию плодовых тел, но умеющие пристраиваться к чужим плодовым телам и образовывать там свои споры.
Были проведены интересные эксперименты со смешанными культурами бактерий‑альтруистов и бактерий‑эгоистов. Такие культуры медленно, но верно деградируют, потому что доля паразитов неуклонно растет и в конце концов альтруистов остается слишком мало, чтобы обеспечить себя и других плодовыми телами. Но оказалось, что у миксококков в результате случайных мутаций может развиваться устойчивость к нахлебникам, то есть способность не позволять им занимать выгодные позиции в плодовом теле. Причем иногда для появления такой устойчивости достаточно одной‑единственной мутации (Fiegna et al., 2006 ).
Проблема обманщиков хорошо знакома и более сложным одноклеточным организмам, таким как социальные амебы Dictyostelium. Как и некоторые общественные бактерии, эти амебы при недостатке пищи собираются в большие многоклеточные агрегаты (псевдоплазмодии), из которых затем образуются плодовые тела. Те амебы, чьи клетки идут на построение ножки плодового тела, жертвуют собой ради товарищей, которые получают шанс превратиться в споры и продолжить род.
Как и общественные бактерии, амебы страдают от социального паразитизма. У них тоже встречаются штаммы обманщиков и нахлебников. Эксперименты показали, что вероятность развития устойчивости к обманщикам в результате случайных мутаций у диктиостелиума тоже довольно высока, как и у миксококков (Khare et al., 2009 ).
Жизненный цикл и социальный паразитизм у Dictyostelium.Темным и светлым обозначены два штамма (разновидности) амеб – “обманщики” и “честные”. а – при избытке пищи амебы живут поодиночке, растут и размножаются бесполым путем (делением); половое размножение у них тоже иногда происходит, но на схеме оно не показано. б – в – при недостатке пищи амебы собираются в большие скопления. г – в результате образуются многоклеточные агрегаты длиной в несколько миллиметров, которые могут некоторое время ползать на манер слизней; их так и называют – slugs. д – ж – в конце концов многоклеточный агрегат превращается в “плодовое тело” на ножке; при этом около 20 % клеток жертвуют собой, образуя ножку, а 80 % превращаются в споры и получают шанс продолжить свой род. Видно, что темные клетки (“обманщики”) захватили почти все лучшие места в плодовом теле и превратились в споры, предоставив всю неблагодарную работу по созданию ножки светлым клеткам (“честным”). По рисунку из Kessin, 2000.
В природе идет постоянная борьба между альтруистами и обманщиками. Поэтому геномы таких организмов «настроены» естественным отбором так, что случайные мутации с большой вероятностью могут приводить к появлению защиты от той или иной разновидности обманщиков. Скорее всего, у них есть специализированные молекулярные системы «обмана» (помогающие проникать в чужие плодовые тела, не строя своих) и системы «защиты от обмана» (позволяющие опознать обманщика и не пустить его в плодовое тело). Между этими системами идет эволюционная гонка вооружений. Когда у какой‑то амебы возникает полезная мутация в системе обмана, такая амеба дает начало новому штамму эффективных обманщиков. Когда у другой амебы возникнет полезная мутация в системе защиты, она даст начало штамму, защищенному от новых обманщиков. И так далее. Это очень похоже на нескончаемую гонку вооружений, идущую между патогенными микробами и генами иммунной защиты.
Создается впечатление, что эволюция неоднократно «пыталась» создать из социальных бактерий или простейших, умеющих собираться в плотные скопления, многоклеточный организм, но дело почему‑то не пошло дальше плазмодиев и довольно просто устроенных плодовых тел. Все по‑настоящему сложные многоклеточные организмы формируются иным путем – не из множества индивидуальных клеток со своими особенными геномами, а из потомков одной‑единственной клетки. Это гарантирует генетическую идентичность всех клеток организма. Величина R становится равной единице, что создает идеальные условия для родственного отбора.
Некоторые социальные системы, основанные на альтруизме и при этом вроде бы не защищенные от социальных паразитов, ухитряются выживать за счет разных маленьких хитростей. Недостойных, прямо скажем, высокого звания альтруиста.
Например, в популяциях дрожжей одни особи ведут себя как альтруисты: они производят фермент инвертазу, расщепляющий сахарозу на легко усваиваемые моносахариды – глюкозу и фруктозу. Дрожжи могут поглощать и не‑расщепленную сахарозу, но моносахариды усваиваются ими легче (то есть используются более эффективно). Некоторые дрожжевые клетки, однако, не производят инвертазу, хотя с удовольствием поедают глюкозу, добытую чужими трудами. Ведь инвертаза расщепляет сахарозу не внутри клетки, а снаружи, поэтому получившиеся моносахариды становятся доступны не только той клетке, которая произвела фермент, но и всем окружающим.
Дрожжи в последние годы стали излюбленным объектом ученых, занимающихся поведением социальных систем (на рисунке видны круглые шрамы, остающиеся на месте отпочковавшихся дочерних клеток).
Теоретически это должно было бы приводить к полному вытеснению альтруистов эгоистами. Но в реальности численность альтруистов не падает ниже определенного уровня. Дело в том, что альтруизм дрожжей при ближайшем рассмотрении оказался не совсем бескорыстным: дрожжи‑альтруисты помогают всем окружающим, но 1 % произведенной ими глюкозы они все‑таки берут себе сразу, в обход общего котла. За счет этого однопроцентного выигрыша они, как выяснилось, могут мирно сосуществовать с эгоистами. Когда численность «эгоистов» достигает определенного (достаточно высокого) уровня, количество доступной глюкозы в популяции снижается настолько, что быть «альтруистом» становится просто‑напросто выгоднее, чем эгоистом. Альтруисты начинают размножаться чуть быстрее эгоистов, и их количественное соотношение стабилизируется. Начинает работать так называемый частотно‑зависимый отбор (он действует, когда приспособленность генотипа – в данном случае генотипа «альтруистов» – растет по мере снижения его частоты: ген выгоден, пока редок).
Но если альтруизм выгоднее эгоизма, то это уже как будто и не совсем альтруизм. Да и можно ли на таких мелких хитростях вроде жевания печенья под подушкой построить серьезную, сложную кооперативную систему?
Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 366; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!