Высокоэнергетический образ жизни привел к эволюции полов

Ученые из Университетского колледжа Лондона приблизились к объяснению одной из главных загадок современной биологии: почему существуют мужской и женский пол?

Исследование показало, что наследуя определенный набор генов только от одного родителя, клетки видов с половым размножением могут эффективнее производить необходимую для выживания энергию.

«Два — это не эволюционно оптимальное число полов или типов спаривания для популяции, — говорит ведущий автор исследования, аспирантка Зена Хадживасилиу. — Вы оказываетесь способны спариваться только с 50% популяции, поэтому должна быть причина, по которой это распространилось».

Ключевое различие

Ученые изучили ключевое различие между полами: при размножении мужчины передают только гены из ядра клеток. Женщины же передают все клеточные компоненты, включая ядерные гены и небольшой дополнительный набор генов в митохондриях — крошечных структурах, вырабатывающих энергию.

Митохондрии, снабжающие клетку энергией, содержат несколько генов, которые должны работать согласованно с ядерными генами для контроля процесса производства энергии.

Математическая модель

Используя математическую модель, команда обнаружила, что если одному родителю запрещено передавать митохондриальные гены потомству, оставшимся митохондриальным и ядерным генам легче координировать свою деятельность в процессе эволюции на протяжении поколений. В результате клетка функционировала эффективнее. В конечном итоге это способствовало эволюции двух полов, только один из которых (женский) передает свои митохондрии.

Модель также показала, что хотя преимущество двух полов было невелико у простых одноклеточных организмов, оно становилось более выраженным в клетках с большим количеством митохондрий. Это особенно характерно для организмов с высокими энергетическими потребностями, состоящих из многих триллионов клеток, таких как люди.

Суть различия

У многих видов с половым размножением половые клетки — яйцеклетки и сперматозоиды — различны. Но даже у видов без явных различий между половыми клетками ключевым маркером остается то, что только женские особи передают свои митохондрии и содержащиеся в них гены потомству.

Именно это небольшое различие изучали Хадживасилиу и коллеги, чтобы проверить, перевешивает ли оно недостаток возможности спариваться только с половиной популяции. Их гипотеза: если организм наследует два разных набора митохондрий (от каждого родителя), ядерный геном не сможет эволюционировать для эффективной работы с обоими. В результате такой организм будет менее здоровым, чем особи того же вида, унаследовавшие только один набор митохондрий.

Результаты моделирования

Математическая модель позволила сравнить влияние на приспособленность популяции одноклеточных организмов наследования митохондрий от одного родителя с наследованием от обоих.

Результаты четко показали, что популяции, в которых митохондрии наследовались только от одного родителя, в целом были более приспособленными.

Более приспособленные особи, как правило, успешнее размножаются, поэтому со временем становятся большинством, позволяя распространиться эволюции двух полов. За миллиарды лет эволюции эти преимущества сохранились, что привело к знакомому нам сегодня половому разделению.

Исследование опубликовано в Proceedings of the Royal Society B.