Нам предстоит найти ответ еще на один вопрос, который может подтвердить или опровергнуть все сделанные выше заключения. Я говорил, что митохондриальное дыхание нас убивает. Но сначала митохондрии губят самих себя. Если повреждаются все митохондрии, как же содержащие митохондрии организмы умудряются сохраняться из поколения в поколение? Как получается, что дети родятся молодыми?
Эта ситуация напоминает мне об упадке и гибели Византийской империи. Если верить историку XVIII в. Эдварду Гиббону, империя находилась в состоянии упадка на протяжении 1000 лет. Некоторым императорам удавалось на время ее оживлять, но «испорченность» греков вела к тому, что падение империи было лишь вопросом времени. Такая же «испорченность» присуща митохондриям: уничтожение собственных хозяев для митохондрий — лишь вопрос времени, даже если этот процесс длится 1000 поколений. Но в природе не происходит катастрофы, аналогичной падению Константинополя. Как же нам удается преодолеть свою «испорченность»?
Позвольте описать ситуацию подробнее. Для функционирования любого организма необходима неповрежденная митохондриальная ДНК. Половые клетки должны передавать следующему поколению новые митохондрии, так что митохондриальная ДHK каким-то образом должна обновляться. Но дело в том, что митохондрии копируют свою ДНК неполовым путем. Мы уже видели, что половое размножение позволяет обновить гены, но как митохондриальный геном возобновляется без полового размножения? Как биологические часы возвращаются на ноль в организме новорожденного ребенка? Свободноживущие бесполые организмы, такие как бактерии, сохраняют генетическую целостность на протяжении поколений за счет сочетания быстрого воспроизведения и строгого естественного отбора. Однако такой способ отбора митохондриям не подходит, иначе они бы реплицировались с такой же скоростью, как раковые клетки, и мы превратились бы в митохондриальные опухоли. Необъяснимый на первый взгляд парадокс заключается в том, что митохондрии регенерируют без помощи полового процесса или строгого отбора (обходят так называемый храповик Мёллера
[78]). Так как же поступают митохондрии?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно проанализировать судьбу митохондрий в половом процессе, особенно судьбу митохондрий сперматозоидов. Хвостатые человеческие сперматозоиды — излюбленный сюжет телевизионных передач, всем известна их невероятная сила и выносливость. Однако, как выясняется, в этом вопросе существует серьезная путаница и недопонимание. Считается, что сперматозоиды слишком малы, чтобы содержать митохондрии. На самом же деле, в средней части (теле) сперматозоида сосредоточено от 40 до 60 митохондрий. Митохондрии сперматозоида проникают в яйцеклетку вместе с телом, но долго не живут. Точно неизвестно, что с ними происходит, но потомство наследует митохондрии только от матери. Это справедливо как для человека, так и для подавляющего большинства организмов, размножающихся половым путем, включая растения.
Некоторые самые выдающиеся биологи пытались понять, почему мужские митохондрии не передаются по наследству. Наиболее распространенная версия была предложена Джоном Мейнардом Смитом и Эорсом Шатмари в книге «Происхождение жизни». Суть вот в чем. Наследование митохондрий от обоих родителей могло бы стать предпосылкой для эволюции «эгоистических» органелл. При делении клетки происходит репликация ядерной ДНК, которая распределяется пополам между двумя дочерними клетками. Они имеют идентичный набор генов, так что между ними не возникает неравенства и конкуренции. Но с митохондриями дело обстоит иначе, поскольку они имеют собственную ДНК, которая реплицируется независимым образом. В результате состав популяции митохондрий в клетке зависит от скорости репликации (и распада) отдельных митохондрий, а это опасно. Любая мутация митохондриальной ДНК, повышающая скорость репликации митохондрий, приводит к тому, что именно эти митохондрии занимают доминирующее положение в клетке и в клетках потомства, даже если эта мутация снижает эффективность дыхания (на самом деле, особенно если снижается эффективность дыхания, поскольку в результате митохондрии меньше повреждаются). Мутация митохондрий половых клеток представляет опасность для всего растущего организма. В соответствии с «эгоистической теорией» размножению эгоистических митохондрий препятствует механизм наследования от одного родителя. Не происходит смешения неродственных митохондрий в результате слияния двух похожих (но неродственных) половых клеток; вместо этого один пол снабжает потомство всеми своими митохондриями, а другой совсем не передает митохондрий. Таким образом, различие между полами эволюционировало из-за необходимости избежать конкуренции между митохондриями.
Эта теория, скорее всего, справедлива в некоторых аспектах, но не может объяснить ситуацию в целом по двум причинам. Во-первых, мутации, вызывающие наследование от одного родителя, являются благоприятными только в том случае, если «эгоистичные» митохондрии поджидают cвoeгo часа. А это маловероятно: любой организм, содержащий «эгоистичные» митохондрии, выживает и воспроизводится с меньшей вероятностью, чем надежно устроенный организм. Это все равно, что заставлять дряхлого старика с его разрушенными митохондриями соперничать с мужественным юношей за внимание дамы. На самом деле, организм с дефектными митохондриями, скорее всего, не сможет преодолеть даже этап эмбрионального развития. Подумайте о том, сколько супружеских пар не могут завести ребенка. По некоторым данным, развитие значительного числа эмбрионов останавливается на очень ранней стадии из-за дефектов митохондрий. Эта же проблема, возможно, является причиной многочисленных неудач при клонировании.
Во-вторых, некоторые виды организмов наследуют митохондрии от обоих родителей. Они каким-то образом решают проблему несовместимости митохондрий. Возможно, в какой-то степени это справедливо и для нас: как мы только что обсуждали, судьба митохондрий сперматозоидов до конца не ясна. Некоторые исследователи объясняют их кажущееся исчезновение просто эффектом разбавления, и исключить эту возможность мы не можем. В человеческом сперматозоиде содержится от 40 до 60 митохондрий, а в человеческой яйцеклетке — свыше 100 тыс. Таким образом, фактор разведения составляет не менее 1000, что ниже предела обнаружения многих методов анализа митохондриальной ДНК. Эксперименты на мышах с привлечением более чувствительных методов показывают, что мужские и женские митохондрии передаются в соотношении от 1:1000 до 1:10 000. Вопрос этот еще не исследован до конца, но я уверен, что вскоре мы получим окончательный ответ.
Эти два обстоятельства не позволяют объяснить эволюцию двуполой системы размножения с помощью теории «эгоистичных» митохондрий, но факт остается фактом: некоторые животные применяют удивительные ухищрения, чтобы не допустить передачи мужских митохондрий следующему поколению. К примеру, некоторые виды дрозофил в процессе развития прячут митохондрии сперматозоидов в кишечнике личинок, а вылупившиеся насекомые сразу выводят их из организма. Это удивительно. Передача митохондрий фактически определяет разницу между полами на уровне половых клеток. Почему это так? Ответ, на мой взгляд, был высказан биологом Джоном Алленом из Университета Лунда (Швеция) в статье, опубликованной в 1996 г. в журнале Journal of Theoretical Biology. Этот журнал отличается удивительной эрудицией своих авторов и разнообразием идей — от тончайших до нелепых. Аллен пытается объяснить эволюцию двух полов, используя логику митохондриальной теории старения. Он считает, что мужские митохондрии не передаются следующему поколению, поскольку представляют собой бомбу замедленного действия: они непоправимо испорчены кислородом, и их наследование повлечет за собой рождение преждевременно постаревших детей. Дыхание кислородом требует наличия двух полов. В таком случае именно кислород стал причиной появления двуполого способа размножения.
