Большинство животных на Земле имеют два пола, мужской и женский, которые комбинируют и смешивают свои гены при размножении. Мы настолько привыкли к такому положению вещей, что существование полностью женских видов, которые не занимаются сексом, а вместо этого размножаются путем клонирования, становится большим сюрпризом.
Красивый зеленый кузнечик Warramaba virgo — один из тех редких «партеногенетических» видов , у которых яйцеклетка может развиться в эмбрион без оплодотворения спермой. Он обитает в южных частях засушливой зоны Австралии, где в летнее время питается деревьями мульги и другими кустарниками и кустарниками.
Мы изучали этих кузнечиков в течение последних 18 лет, чтобы понять, как у них развилось бесполое размножение и как это изменение повлияло на их способность выживать и размножаться.
Наше новое исследование, опубликованное в Science , показывает, что W. virgo возникла около 250 000 лет назад в результате скрещивания двух разных видов кузнечиков, размножающихся половым путем, и отказ от секса, по-видимому, не имел для них никаких негативных последствий.
Загадка партеногенеза
Биологи, изучающие эволюцию, часто рассматривали редкость партеногенетических видов, таких как W. virgo, как большую загадку.
Это связано с тем, что секс требует больших затрат на воспроизводство животных. Во-первых, существует «двойная стоимость секса»: половина потомства существа (самцы) не в состоянии произвести собственное потомство в одиночку, поэтому их часто рассматривают как «эволюционные потери».
Более того, поиск партнера требует энергии, а спаривающиеся животные часто подвергаются большему риску нападения хищников. Отказ от самцов также устраняет эти недостатки.
Так почему секс вообще существует? Основная причина, по мнению биологов , связана со смешением или «рекомбинацией» генов вследствие пола. Это может ускорить скорость адаптации за счет объединения благоприятных комбинаций генов, а также помогает очистить популяцию от комбинаций плохих мутаций.
Партеногенетические виды не имеют этих процессов: вместо этого все представители вида имеют практически идентичные гены. Это означает, что они могут быть менее способны адаптироваться к изменениям окружающей среды. Более того, партеногены могут накапливать плохие мутации, снижающие их приспособленность.
Но реальны ли эти затраты? Приводят ли они к быстрому исчезновению каких-либо образовавшихся партеногенов?
В чем секрет W. virgo?
В течение последних 18 лет мы исследовали эти вопросы у W. virgo.
Впервые этот кузнечик был изучен в 1962 году выдающимся биологом-эволюционистом и генетиком Майклом Уайтом . Молодой сын Уайта Николас впервые обнаружил их недалеко от города Хиллстон в Новом Южном Уэльсе, когда заметил, что можно найти только самок определенного вида.
Затем Уайт показал, что тот же вид обитал на расстоянии 2000 км в Западной Австралии вместе с половым видом (недавно названным W. whitei).
Оказалось, что W. virgo имеет гибридное происхождение: скрещивание W. whitei и другого вида, W. flavolineata, многотысячелетней давности.
Партеногенетический вид может иметь преимущество, если его генетическое разнообразие увеличивается за счет повторяющихся гибридизаций между двумя родительскими видами, производящих целую армию различных клонов. Объединение геномов двух видов может также сделать партеногены более энергичными.
Такая «гибридная энергия» действительно встречается у некоторых животных, таких как мулы (помесь лошади и осла). Мул обладает гораздо большей силой и выносливостью, чем его родительский вид.
Могло ли случиться так, что гибридное происхождение W. virgo породило разнообразную армию клонов с особыми способностями по сравнению с его половыми родственниками или гибрид с высоким уровнем энергии?
Мало плюсов в отказе от секса, но и нет минусов
Ответы на эти вопросы были решительным «Нет»!
Мы исследовали более 1500 генетических маркеров W. virgo и не обнаружили почти никаких вариаций партеногенов по сравнению с родительскими видами.
Это ясно показало, что только одно гибридное скрещивание между W. whitei и W. flavolineata в первую очередь было ответственно за появление W. virgo. Основываясь на количестве и характере мутаций, произошедших у W. virgo, мы предполагаем, что спаривание произошло около 250 000 лет назад.
Мы также показали, что партеноген не имеет преимуществ перед своими родительскими видами по целому ряду физиологических признаков, включая толерантность к жаре и холоду, скорость метаболизма, количество яиц, которые они откладывают, размер их яиц, время, необходимое для их созревания, и то, как они развиваются, долго живут.
Между тем, W. virgo естественным образом произвела в два раза больше потомства женского пола, чем половые виды. Он сохранил свое двукратное преимущество перед половыми видами, несмотря на то, что в течение 250 000 лет у этого вида накапливались мутации с низкой приспособленностью.
Таким образом, вывод из нашего исследования состоит в том, что W. virgo стал партеногенным, но без каких-либо затрат. Он также успешно распространился от западной части страны до восточной, в отличие от своего родительского вида.
Почему все больше видов не отказываются от секса?
Так почему же мы повсюду видим половые виды, несмотря на их двойную репродуктивную стоимость? Мы подозреваем, что в первую очередь должно быть очень трудно развить партеногенез.
Действительно, мы пытались экспериментально скрещивать те же половые виды, которые дали начало W. virgo, и создали лишь несколько гибридов, ни один из которых не мог дать потомство. Гибридное состояние может нарушать нормальные процессы развития яйца в достаточной степени, чтобы сделать партеногенез чрезвычайно необычным явлением у животных в целом.
Мы считаем, что будущие исследования парадокса полового размножения должны быть сосредоточены на барьерах, препятствующих потере секса, а не только на преимуществах секса.
