воскресенье, 19 апреля 2015 г.

Почему существуют секс и разделение на мужчин и женщин?

Казалось бы, было бы так просто и логично, если бы не было в природе деления на мужской и женский пол. Зачем вообще нужно половое размножение, если можно прекрасно делиться одному организму до скончания веков? Ведь, на поиски полового партнера нужны время и силы. А, если ты никому не понравишься, или, вообще, никого не найдешь, то ты не размножишься вообще.



Биологическим смыслом секса является обмен генетическим материалом между двумя организмами.

Зачем вообще меняться генами?

Для начала, хочу провести несколько мысленных экспериментов.

Допустим, есть бактерия, которая размножается только делением. Конечно, она живет не одна, а она и ее ближайшие родственники образуют популяцию. Вдруг, у нашей бактерии появилась мутация. Эта мутация очень полезна и дает нашей бактерии преимущество перед всеми остальными членами популяции. Но в то же время у нее появилась другая мутация, вредная. И вред от этой мутации больше, чем польза от полезной. Получается, что, если эта бактерия и будет размножаться, то хуже остальных, и из популяции эта полезная мутация исчезнет.

Для следующего эксперимента нужна небольшая теоретическая справка. Дело в том, что полезные мутации появляются намного реже вредных. Интуитивно это можно понять так, что случайно меняя детали в чем-то, что работает, легче это что-то сломать, чем улучшить. Так вот, в той же популяции есть обычная, ничем не выделяющаяся бактерия. И, вдруг, у нее случилась вредная мутация. Если мутация не очень вредная то наша бактерия сможет размножиться, но вероятность, что в том же месте потом произойдет обратная мутация и исправит старую, ничтожная, а это значит, что теперь все ее потомки будут нести эту мутацию. В какой-то момент в линии потомков опять произошла мутация, и с очень большой вероятностью она тоже вредная. И это еще сильнее снизит приспособленность линии. Таким образом, от поколения к поколению бактерии будут чахнуть, и в популяции будут оставаться уже не те, у которых хорошие новые мутации, а те, кто загибается медленнее всех.

Если у двух разных организмов произойдут две полезные мутации, то мы никогда не получим организм, сочетающий их обе, потому что они не смогут обменяться ими.

Во всех случаях проблему можно было бы решить, если дать бактериям возможность обмениваться генами.

В первом случае бактерия с полезной и вредной мутацией могла бы заменить испорченный ген на нормальную версию от другой бактерии, а полезный ген раздать своим сородичам. Во втором случае при порче какого-то гена, работающую его версию можно было бы позаимствовать у сородичей, и, своевременно заменять плохо работающие гены на нормальные. В третьем случае два организма могли бы обменяться своими улучшенными генами и раздать их товарищам, от чего выиграла бы вся популяция.

И, действительно, все бактерии могут обмениваться участками генома. Это явление называется горизонтальный перенос генов(ГПГ). Бактерия просто берет и передает другой кусочек своего генома, а другая его принимает и использует как свой. Именно ГПГ ответственен за устойчивость бактерий к антибиотикам. Как только одна бактерия случайно приобретает устойчивость к лекарству, она очень быстро раздает эту устойчивость остальным.

Кстати, ГПГ между отдаленными организмами иногда спутывает все карты при реконструкции эволюции организмов.

Реализация у более совершенных организмов

Как видно, с помощью ГПГ эволюция может начать работать не с индивидуальными геномами, а с генофондами целых популяций, как с единым целым, комбинируя различные варианты геномов и отбирая лучшие. Но, у ГПГ есть некоторые принципиальные ограничения, которые заслуживают отдельной статьи, и с его помощью полноценно перемешивать геномы не получится, и эффективность этого процесса всегда будет низкой. А при слабом перемешивании геномов удаление вредных мутаций и комбинирование полезных всегда будет идти неэффективно, а, значит, появляются ограничения на сложность организмов. Именно из-за этого бактерии не смогли стать большими и сложными. Самые большие бактериальные геномы в 250 раз короче человеческого. А, значит, те организмы, которые смогли стать сложными и большими (типа нас с вами) изобрели способ перемешивания геномов получше. И этим способом стал половой процесс, или, проще говоря, секс.

Для начала уясню, что секс в биологии далеко не всегда связан с размножением, это именно процесс полного перемешивания геномов двух организмов, и существует несколько вариантов того, как он может происходить. Например, при сексе у инуфзорий две из них подходят друг к другу, обмениваются генами, и расходятся, и при этом не происходит никакого размножения. А делают это они в условиях голода или плохих условий жизни, когда имеет смысл попробовать новые сочетания генов.

Кстати, природа сделала много усилий для того, чтобы при образовании половых клеток гены отбирались случайно и независимо друг от друга. Но для генов, располагающихся рядом друг с другом, этого сделать часто не удается, и они передаются вместе чаще, чем те, что расположены далеко, и пионеры генетики определяли расстояние между двумя генами по вероятности их сцепленного наследования.

А почему у человека и всех других многоклеточных животных половой процесс происходит при размножении? Почему нет и не может быть такого варианта, чтобы, как у инфузорий, два организма могли бы встретиться, обменяться генами, и пойти дальше? Во-первых, возникает проблема донесения изменений в геноме до каждой из триллионов клеток в нашем организме, но, самое главное, что у них многие гены действуют на этапе развития, и, если мы хотим модифицировать какую-то большую структуру, например, глаз, то мы зачастую не можем переделать уже взрослый глаз, а необходимо, чтобы он заново развился по немного иной программе. Поэтому логично провести половой процесс перед началом развития организма, чтобы он уже полностью создавался по новой генетической программе.

А зачем существуют мужчины и женщины?

Ну, хорошо. Зачем нужно половое размножение, вроде, стало понятно. Ну, а зачем нужно, чтобы существовали мужчины и женщины? Ведь, получается, что только половина особей непосредственно производит потомство. Не было бы логичнее, если бы все оплодотворяли друг друга и беременели все? Размножались бы тогда вдвое быстрее.

Тут есть одна интересная гипотеза. Представим вид, который имеет половое размножение (то есть половой процесс, который происходит во время размножения) и, все представители которого гермафродиты, оплодотворяющие друг друга. Такие виды действительно есть, но их немного. Очевидно, что после секса представитель этого вида будет вынужден потратить много ресурсов на развитие потомков, для которых он является матерью. Вклад самца в потомство гораздо ниже вклада самки. Самец должен только произвести сперму, а самка должна потратить ресурсы на развитие потомков, пока они не будут способны сами питаться. Поэтому у таких видов можно иногда наблюдать борьбу за то, кто будет играть роль самца, ведь, каждому хочется передать гены, не напрягаясь.


на фото два плоских червя дерутся на пенисах за право играть роль самца

И, если все представители вида имеют обе репродуктивные системы, то, после каждого спаривания им придется потратить время и силы на выращивание потомства. Если же появится мутант, который будет иметь только мужскую половую систему, то он сможет оплодотворить много других организмов, затратив мало ресурсов, а, значит, у него будет много потомков и его «ген самцовости» быстро распространится по популяции. В какой-то момент гемафродитов станет мало, и, самцы уже начнут конкуренцию за них, а, поскольку роль самца они будут выполнять эффективнее, чем гермафродиты, то со временем последние станут самками.

P.S. В комментариях пишут по поводу теории происхождения пола, которая говорит, что природа «экспериментирует» на мужчинах, а женщины более генетически стабильны, но я не нашел авторитетных подтверждений этой теории, и, вообще, у нее есть много слабых мест. Например, она совершенно не объясняет, как появились самцы и самки, а, если в процессе эволюции что-то появилось, то «почему так устроено» равнозначно «как это появилось», а не «какая от этого польза», а, самое главное, вообще говоря, пол у многих организмов определяется не генетически, а под влиянием температуры, феромонов и черт еще знает чего. А у кого-то даже может меняться в течение жизни. Так что вариант про то, что «у самцов больше мутаций» тут вообще не работает.

P.P.S. Прежде чем писать «автор лох, все устроено по-другому» убедитесь, что у вас есть биологическое образование.
16611
56
baceolus 26,0

Комментарии (41)

+1
de1m#
Виген Артаваздович Геодакян вот тут очень хорошо свою теорию расказал. Если судить с позиции моих рудиментарных знаний в этой теме, то всё очень логично.
+1
baceolus#
На вопрос о происхождении полов точного ответа нет, но я спросил у Александра Маркова, и он советовал эту гипотезу. У гипотизы из видео же есть некоторые слабые моменты. Как я понял, тут совершенно непонятен механизм возникновения полов, а объяснение механизма — это довольно важная штука в биологии. Более того, такая теория довольно сомнительна с точки зрения эгоистичной ДНК(я про это собираюсь статью написать, а пока вот)
0
Disasm#
Только вот в итоге получилось, что уровень мутаций у мужчин гораздо больше, чем у женщин. Так что, в каком-то смысле, плохо быть мужчиной в плане отбора.
0
baceolus#
Я немного ошибся со статьей

www.nature.com/ng/journal/v44/n11/abs/ng.2418.html
он равен примерно 1,2*10^-8 мутаций на нуклеотид на поколение и не зависит от пола
+1
Disasm#
Фишка в том, что «поколений» у мужчин больше (~400 делений клетки против ~30 у женщин).
0
baceolus#
И что? Для создания каждого человека (и мужчины и женщины) нужны один сперматозоид и одна яйцеклетка, и, поэтому, даже, если у отца накопилось много мутаций, то вне зависимости от пола, ребенок получит их все.
+1
n00ker#
А как же конъюгация хромосом. «Ребенок» ведь получает случайную половину генома «отца», следовательно получает «их все», или «их половину», или «вообще их не получает». И почему разговоры о половом размножении опять сводятся к животному миру? Разве секс == половое размножение? Почему забыли цветковые растения, например? И партеногенез обошли стороной… Да и старика Менделя забыли тоже…
0
baceolus#
Думаю, так будет понятнее: И мальчик и девочка получают от отца половину своего генома и от матери тоже половину, поэтому, если у отца в 10 раз больше мутаций, то они одинаково передадутся как мальчику, так и девочке, а, если у человека произойдут мутации уже потом в половых органах, то на сформированный организм это уже не повлияет

И это уровень мутации на поколение человека, а не поколение клетки
+1
Disasm#
Что такое «поколение человека» в терминах делений клетки? Мутации — это процесс, происходящий во время деления. Поэтому общее количество мутаций непосредственно зависит от количества делений. А если пересчитывать это в «поколениях человека», то количество мутаций будет ещё и от возраста зависеть.

Количество переданных ребёнку мутаций зависит от числа имеющихся мутаций в половых клетках на момент передачи, это так. Но само это количество зависит от возраста, что добавляет трудностей отцу. Хочешь, чтобы потомство было наиболее здоровое, — размножайся как можно раньше.
–1
baceolus#
Да, количество мутаций (и риск генетических заболеваний) действительно зависит от возраста отца, но какое это имеет отношение к обсуждаемому вопросу?

Колчество мутаций на поколение человека — это число мутаций между родителями и детьми. Я же кинул ссылку на статью.

И, скажите, есть ли у вас биологическое образование? Не для того, чтоб поддеть, а, хотелось бы ввести более серьезные термины, чтобы объяснить свою позицию
+1
Disasm#
> но какое это имеет отношение к обсуждаемому вопросу?
Я же ответил вроде бы:
> Но само это количество зависит от возраста, что добавляет трудностей отцу. Хочешь, чтобы потомство было наиболее здоровое, — размножайся как можно раньше.

> И, скажите, есть ли у вас биологическое образование?
Нет, но я посмотрел первую часть Useful Genetics на coursera, так что какую-то терминологию я пойму, надеюсь.
0
baceolus#
Итак, поскольку речь идет о размножении, то соматические клетки для нас неинтересны, а интересны лишь клетки зародышевой линии. Клетки зародышевой линии у женщин совершают и в правду меньше делений, чем у мужчин. Допустим, в яйцеклетке, которая привела к появлению ребенка, было 10 нуклеотидных замен по сравнению с зиготой, из которой появилась мать, а у сперматозоида 50 по сравнению с зиготой, из которой появился отец, и, вне зависимости от того, какую половую хромосому несет сперматозоид, X или Y, в нем будет одинаковое число замен из-за того, что полимеразам насрать, какую они хромосому копируют и везде делают одинаковое число ошибок. То есть, в нашем случае, и у мальчика и у девочки будет 60 мутаций.

Если говорить о соматических клетках, то тут число мутаций у женщин и мужчин уж совсем точно примерно одинаковое, опять же, из-за того, что они используют одинаковые полимеразы, но это не имеет никакого отношения к числу мутаций между поколениями.
0
Disasm#
Да я согласен с этим! Сам по себе факт бОльшего числа мутаций ни на что не влияет, влияет лишь то, что число мутаций сильнее увеличивается с течением времени, чем у женщин.
+2
baceolus#
Это-то да. Правда, у женщин с возрастом, организм ветшает, и, с повышением возраста матери у ребенка тоже начинается много проблем. Например, сильно растет вероятность развития синдрома дауна. Так что до старости с рождением тянуть никому не стоит
0
n00ker#
Правда, у женщин с возрастом, организм ветшает, и, с повышением возраста матери у ребенка тоже начинается много проблем

это Вы серьезно? чем хуже женщина с остеохондрозом позвоночника в плане полового размножения? =) может быть вы имели в виду, что у людей женского пола депо яйцеклеток в процессе жизни не пополняется?
0
oleg0xff#
>>Так что до старости с рождением тянуть никому не стоит
Это ж не выбор человека — когда рожать. Все определяют внешние обстоятельства. Я например всю жизнь мечтал о детях, но так и не получилось — попал в отбраковку.
0
baceolus#
И, вообще говоря, пол у многих организмов определяется не генетически, а под влиянием температуры, феромонов и черт еще знает чего. А у кого-то даже может меняться в тесение жизни. Так что вариант про то, что «у самцов больше мутаций» тут вообще не работает
0
Disasm#
Дык я и не утверждал про самцов, я утверждал про мужчин.
0
baceolus#
Все, я понял. Я, просто, подумал, что вы поддерживаете теорию о том, что природа «экспериментирует» на самцах и приводите при этом странные аргументы. Ошибся. Виноват.
0
Disasm#
Нее. Природа слишком многогранна, вряд ли получится объяснить её полностью с помощью подобных теорий.
+1
valplo#
На самом деле — нет, эволюция так не работает. Просто у млеков — XY-система определения пола, и многие болячки бьют по Y-хромосоме.
+2
baceolus#
www.nature.com/nrg/journal/v13/n10/abs/nrg3295.html
нет, он одинаковый и равен примерно 5*10^-10 мутаций на нуклеотид на поколение
0
waterandice#
На мой взгляд можно предположить вот что: все дело в старении.
Все живые организмы стареют, и хотя точно не известно почему, но старение очевидно связано со скоростью деления клеток т.е чем клетка чаще делится тем сильнее она портится. Известно что например клетки на руках и лице делятся чаще других, клетки внутренних органов примерно раз в месяц, новые клетки же в мозге практически не делятся. Вероятно при делении клетки портится ее ДНК. Если принять эту точку зрения то однополое размножение приведет к старению вида, т.е новый организм через определенное число поколений будет рождаться испорченным изначально. Размножение с участием 2 особей позволяет скорректировать ДНК, т.е сравниваются 2 ДНК и если разница большая то размножение не происходит. Т.к ошибки в ДНК возникают в случайных местах, то подобная коррекция по идее сильно продлевает время жизни вида.
0
baceolus#
Вы говорите о выборе полового партнера. Но это уже более частная тема. Да, и, без этого испорченные организмы будут размножаться меньше, а неиспорченные больше. Так и работает естественный отбор
–2
nicuini#
Я не знаю почему организмы стареют и умирают, но на мой взгляд довольно очевидно зачем: чтобы избавлять популяцию от устаревших генов и освобождать ресурсы для более совершенных особей
+1
robofox#
Организмы стареют по той же причине, по какой портятся продукты: органические соединения не слишком стойкие.
+1
Sychuan#
? Этот тут к чему? Организмы живые как раз тем и хороши, что исправляют повреждения. Фрукты на дереве никуда не портятся.
0
robofox#
Если оставить фрукт на дереве дольше положенного срока, то он пожухнет, сморщится и, наконец, отвалится от своей веточки.
Да, организмы исправляют повреждения, но не могут делать это вечно. Сколько машину не таскай по автосервисам, рано или поздно придется продавать ;)
0
valplo#
Да не работает эволюция в терминах «совершенный», «устаревший». У вас ламаркизм чистой воды.
0
waterandice#
Предположим это так, но тогда непонятно почему скорость старения клеток связана со скоростью их деления. Если старение это встроенная программа то разве не было бы логично чтобы организм просто отключался в определенный момент?
–25
kriz10#
Тема для гиков, да…
Вырвалось, извините.
Минусуйте, плиз…
+3
Halt#
Чем генетическая программа принципиально отличается от таковой в компьютере?

Или вас устраивает позиция блондинки в стиле: «я ничего не понимаю и не хочу понимать в этом компьютерном хламе, мне вконтакик надо»?
0
namespace#
Сделал
+1
robofox#
Всё можно объяснить гораздо проще.
Как происходит процесс полового размножения: несколько самцов устраивают ритуальные поединки, а самка выбирает из них одного и спаривается с ним. Это позволяет самке определить, гены какого самца будут полезны в данных условиях. При этом один самец оплодотворяет множество самок, а остальные самцы уходят несолоно хлебавши.
Половой отбор нужен для увеличения вероятности того, что потомство получит «нужные» гены от сильного самца, которые помогут ему выжить. Самка — это генетический фильтр, у нее есть глаза, уши и «женская интуиция». Если бы особи просто обменивались генами в случайном порядке, от этого было бы на порядок меньше пользы.
+6
baceolus#
Интересно, а какие ритуальные танцы устраивают раздельнополые деревья?
+2
robofox#
Можно предположить, что ритуальные танцы устраивают пчелы, выбирая самые вкусно пахнущие (и богатые глюкозой) цветки. Но у животных процесс идет, конечно, веселее.
У растений половое размножение пассивное, а у животных активное. Поэтому животных на планете 7,8 млн. видов, а растений всего 300 тысяч.
0
baceolus#
К сожалению, биология это не та наука, где, руководствуясь только общими соображениями и здравым смыслом, можно выводить теории. Например, у многих животных очень слабо развиты органы чувств. Кто-то рандомно выбрасывает сперму в воду, надеясь, что она оплодотворит самку. Многие растения опыляются ветром. А те же инфузории, о которых я писал, что вы о них скажете? Естественно, тот эффект, о котором вы говорите, тоже имеет место, и открыт он 150 лет назад еще Дарвином, и называется половой отбор, но это далеко не причина полового размножения. И именно из-за него цветы такие красивые, а у павлина такие перья.
+2
robofox#
Если мы употребляем слово «причина», то единственной причиной существования чего-либо является то, что виды, у которых есть такой признак, выживали и размножались успешнее своих сородичей.
И конечно же не стоит подводить всех под одну гребенку, смешивая r и K стратегии, животных с растениями и высшие организмы с простейшими.
Половой отбор существует, потому что такая стратегия оказалось выигрышнее, чем другие возможные варианты, о многих из них мы даже и не узнаем никогда. Затем отбор животных оказался выигрышнее, чем отбор растений, и животные получили огромное преимущество (количество видов я уже приводил). А у животных наиболее выигрышная стратегия отбора — та, при которой самка производит активный отбор претендентов, а не просто выбирает кого попало.
Вы назвали статью «зачем нужен секс», а не «как растения опыляются ветром». Я и пояснил, зачем нужен секс. А у растений половое разделение чисто номинальное. С генетической точки зрения абсолютно не важно, какой пол у растения, если оно опыляется ветром.
0
baceolus#
Вы, судя по всему, под сексом понимаете выбор полового партнера и секс(в смысле совокупление), но я говорю именно о перемешивании геномов. Вышла путаница определений, вот, я и стал с вами спорить. Если говорить о вашем определении, тогда, конечно, вы правы.
–2
Mixim333#
Прошу не кидать камни, но с вот этим не соглашусь: «Самые большие бактериальные геномы в 250 раз короче человеческого. А, значит, те организмы, которые смогли стать сложными и большими (типа нас с вами) изобрели способ перемешивания геномов получше.», а именно с тем, что в геномном плане человек сложнее одноклеточного. Поясню: есть у нас казалось бы «просто одноклеточное». Эта одна клетка должна и питаться и размножаться, и выполнять еще кучу других биологических видов деятельности. ОДНА клетка! Теперь возьмем человека: сердце качает кровь, половые органы вырабатывают половые клетки, желудок — переваривает пищу и т.д. Т.е. получается, что в человеческом организме за каждую функцию отвечает свой орган (своя «клетка»), а у одноклеточного — все в одном!

Еще пример: возьмем ноутбуки и обычные ПК — что из них сложнее — ПК, из системного блока которого мы можем без проблем выдернуть любое комплектующее (HDD\ GPU\ CPU и т.д.) и заменить на что-то другое, или ноутбук — да, HDD выдернуть сейчас из него не проблема — два винта на корпусе и все, но попробуйте изъять CPU — у меня на снятие CPU с ПК уходит минуты 3-5, а на тот же процесс с ноутбуком понадобится, я думаю, не меньше 20 минут… Теперь посмотрим на вычислительные мощности: ежу понятно, что стационарный ПК явно быстрее ноутбука, но он не сложнее его!

Как-то давно читал книгу про «сложность\простоту» одноклеточных и многоклеточных (название не вспомню) и автор делал упор на то, что эволюция идет не по пути «от простого к сложному», а наоборот, «от сложного к простому» (пример с одноклеточным как раз из нее).
0
baceolus#
Увы, здесь нужны более подробные знания, а такими половинчатыми обойтись не получится. Самые большие геномы бактерий имеют на порядок меньше генов, чем люди, а система регуляции генной активности у людей несравнимо сложнее. Кроме того, может быть, каждой конкретной клетке нужно делать меньше всего, чем одной бактериальной, но, за счет специализации, появляется много возможностей для усложнения всего организма, которых у одноклеточных нет. А в геноме, как известно, закодирована информация обо всем организме.

Комментариев нет:

Отправить комментарий