В основном матери передают митохондрии — новая теория связывает это с первым половым конфликтом

Эволюционные интересы самцов и самок не всегда совпадают. Это известно как половой конфликт: адаптации самцов, позволяющие им больше размножаться, иногда вредят самкам, и наоборот.

Например, самцы плодовых мушек вводят партнершам во время спаривания токсичные вещества. Эти токсины уничтожают сперму предыдущих партнеров самки, повышая его шансы стать единственным отцом ее потомства. Но токсины также ухудшают здоровье самок и сокращают их продолжительность жизни. Самки, в свою очередь, развили защитные механизмы против этих веществ, иногда в ущерб успеху самцов.

Биологи полагают, что половые конфликты уходят корнями в размер и количество половых клеток — яйцеклеток и сперматозоидов. Самцы обычно производят большое количество сперматозоидов, способных оплодотворить множество яйцеклеток. Самки же производят небольшое количество крупных половых клеток и, следовательно, вкладывают больше энергии и ресурсов в каждую.

Наша команда эволюционных биологов из Университетского колледжа Лондона выявила другой тип полового конфликта, относящийся ко временам, когда самыми сложными организмами были одноклеточные, возможно, до 1,5 миллиардов лет назад. Этот древний половой конфликт — еще до появления двух полов — был связан с тем, чьи митохондрии передадутся потомству.

Чьи митохондрии будут переданы?

Мы изучали наследование генов, расположенных в митохондриях — структурах внутри наших клеток, которые осуществляют дыхание и производят энергию. У многих животных и растений при оплодотворении яйцеклетки выживают только материнские митохондриальные гены, а митохондрии отца теряются.

Это происходит не случайно: самки развили множество механизмов для распознавания митохондрий партнера, попадающих в яйцеклетку. После обнаружения посылается армия ферментов, чтобы их переварить. Предыдущие исследования показали, что избавление от отцовских митохондрий — это способ сохранить митохондриальные гены потомства свободными от мутаций. В долгосрочной перспективе наследование здоровых материнских митохондрий полезно для потомства.

Но существует множество необъяснимых исключений. У некоторых видов отцовские митохондрии остаются непереваренными, как если бы отец нашел способ защитить их от обнаружения. Еще страннее, что у таких организмов, как плодовые мушки и многие растения, именно самец уничтожает большинство собственных митохондрий во время производства спермы.

Если материнское наследование так выгодно, как показывают предыдущие исследования, почему существует так много исключений?

Долгосрочная или краткосрочная перспектива

В нашем новом исследовании мы показываем, что эти исключения возникают из-за полового конфликта за контроль над наследованием митохондрий.

Используя математическое моделирование, мы обнаружили, что эволюция у самок стремится фокусироваться на долгосрочных эффектах. Уничтожение отцовских митохондрий облегчает отсев вредных мутаций в будущем, но этот эффект раскрывается на протяжении многих поколений. Эта стратегия хорошо работает у самок, потому что один и тот же здоровый набор материнских митохондрий передается по женской линии снова и снова.

Но у самцов в этом случае нет долгосрочного эволюционного горизонта. Поскольку большинство их митохондрий заменяется материнскими в начале каждого поколения, эволюция не может обнаружить долгосрочные выгоды от митохондриальных генов самцов. Из-за отсутствия долгосрочной связи они могут получить пользу только в ближайшем будущем, и это часто означает передачу части своих митохондрий прямо сейчас. Поэтому самцы стремятся повысить приспособленность своего потомства в краткосрочной перспективе, даже если долгосрочные эффекты вредны.

Именно эти разные интересы самцов и самок могут привести к эволюционной гонке вооружений, поскольку отбор у двух полов действует в противоположных направлениях. Эволюция у самок стремится сохранить будущие поколения свободными от мужских митохондрий, в то время как самцы прилагают все усилия, чтобы включить часть своих.

«Снова и снова самцы находили способы саботировать уничтожение их митохондрий самками, — сказал мой соавтор, генетик Эндрю Помианковски. — Поэтому самкам пришлось разрабатывать новые способы блокировать мужские митохондрии. Наша модель хорошо объясняет, почему существует так много разных механизмов исключения мужских митохондрий и почему самцы иногда делают это сами».

Все дело в контроле над наследованием митохондрий — и для самцов лучше быть за рулем, чтобы решать, сколько митохондрий они внесут в смесь, чем быть полностью исключенными.

Половой конфликт, который привел к появлению полов

Есть свидетельства, что этот конфликт восходит ко временам, когда все организмы были одноклеточными. Мужского и женского пола не существовало, потому что все половые клетки были одного размера.

«Одна из стратегий, которую организм может использовать для победы в этом конфликте, — это просто иметь больше митохондрий, чем у партнера, например, увеличивая размер своих половых клеток, — сказал Эндрю Помианковски. — Поразительно, но это могло быть толчком к эволюции двух полов в первую очередь». Более крупные половые клетки — будущие яйцеклетки — получили преимущество в битве за наследование митохондрий, просто подавляя меньшие половые клетки — предшественники сперматозоидов, — у которых было меньше митохондрий для передачи.

Большинство биологов в настоящее время считают, что два пола эволюционировали через разделение труда — так называемая теория «дизруптивного отбора». Крупные женские половые клетки могут выживать дольше, но не могут много двигаться, в то время как более мелкие сперматозоиды хрупки, но двигаются быстрее и могут найти больше партнеров для спаривания.

Наша гипотеза о происхождении полов, если она верна, добавляет новый угол к этой истории происхождения, прослеживая ее до древнего конфликта из-за наследования митохондрий. Самки могли выиграть эту древнюю битву, просто производя более крупные половые клетки, набитые митохондриями, обеспечивая тем самым эффективную одностороннюю передачу митохондрий (и получая долгосрочные преимущества для приспособленности). Но в конечном счете, как и со всеми научными гипотезами, эта должна будет выдержать проверку тщательной экспериментальной верификацией.