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 жвумя организмами.

Зачем вообще меняться генами?

Для начала приведем 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:

Как реконструируют ход эволюции?

Ход эволюции изображают в виде деревьев

Важнейшей задачей биологии является реконструкция хода эволюции. Данных палеонтологии катастрофически не хватает, а все, что у нас есть кроме нее, это ныне живые организмы. Пути эволюции изображают в виде деревьев жизни, или филогентических деревьев, показывающих, в каком порядке разошлись эволюционные пути различных организмов. Филогенетическими они называются потому, что процесс эволюционной истории организма называется филогенезом.

Сейчас деревья имеют множество важных применений. Как чисто фундаментального характера, например, чтобы узнать особенности строения организмов, живших миллиарды лет назад. Так и более прикладных. Они используются при сборках геномов, поиске генов, важных для патогенности возбудителей болезней, и многого другого.

Как и многое в эволюционной биологии, первое филогенетическое дерево построил Дарвин, когда путешествовал на корабле Бигль (на картинке именно оно), однако, тогда это была лишь концепция, иллюстрировавшая идеи о том, что в ходе эволюции один вид разделялся на несколько. 

Как понять, какое дерево нам подходит?

Допустим, у нас есть 4 организма. Корова, свинья, человек и ящерица, и мы хотим узнать их эволюционную историю. Как понять, какое дерево нам нужно? Ведь можно построить несколько вариантов их эволюции.

Универсального ответа на этот вопрос нет. Один из ответов является местным вариантом бритвы Оккама. Нужно выбрать дерево, где одни и те же мутации возникали только один раз (или, наименьшее число раз). У каждого вида есть какие-то признаки, по которым его можно сравнить с другими. Например, можно рассмотреть наличие копыт. У свиньи и коровы копыта есть, а у человека и ящерицы, очевидно, нет. Есть несколько вариантов расположения этих четырех видов на дереве. Мы разберем всего два из них, но для большего числа деревьев принцип точно такой же.

Допустим, мы построили два дерева и хотим узнать, какое из них лучше соответствует действительности.

Для первого дерева достаточно предположить, что копыта возникли один раз у общего предка свиньи и коровы. То есть достаточно было произойти одному изменению.

Для второго же дерева копыта либо были у общего предка всех четырех организмов и дважды, в линиях человека и ящерицы, утрачивались, тогда нужно, чтобы произошло два изменения для объяснения этой модели. Либо копыт у общего предка не было, и, тогда, они должны были возникнуть независимо в линиях коровы и свиньи, что, опять же, требует двух изменений.

Значит, мы считаем первое дерево лучше второго. Конечно, не всегда все так просто, и иногда есть несколько равносильных деревьев, и, сказать, какое из ни лучше, в рамках этого метода нельзя. Но, изучая не один признак, а множество, можно разрешить этот вопрос. 

Какие признаки брать и при чем тут ДНК?

Раньше деревья строили на основе особенностей развития организмов, внешнего и внутреннего строения и, позднее, биохимических особенностей, из-за чего они часто получались неточными, грубыми и, самое главное, сильно зависели от мнений и предпочтений, господствовавших в голове их создателей.

Сейчас имеется гораздо более надежный и объективный метод. Если мы посмотрим на молекулу ДНК, то мы увидим, что это полимерная цепь, состоящая из мономеров четырех типов, последовательность которых, как раз, и является генетическим кодом. Иначе говоря, ДНК можно представить как текст, написанный четырехбуквенным алфавитом (которые в биоинформатике называют A, T, G и C). И, каждую позицию на ДНК можно взять в качестве признака, который может принимать значения любой из четырех букв, или, быть выпавшим. 

При каждом делении клетки происходит копирование этого текста и иногда при копировании происходят ошибки. Соответственно, чем больше раз тексты копировались независимо друг от друга, тем больше между ними различий. Однако, сравнивать полные геномы не имеет смысла из-за того, что постоянно встречаются такие мутации, которые невозможно описать современными алгоритмами постройки деревьев. Хромосома может разделиться на несколько, две могут сливаться в одну. Вирусы могут встраивать в ДНК клетки свой генетический материал. Гены могут удваиваться или теряться. Список подобных мутаций весьма обширен, так что обычно сравнивают небольшие участки ДНК, про которые известно, что в них происходили лишь небольшие мутации, такие, как замены единичных букв или небольшие удаления и вставки. Такими участками ДНК могут, например, быть одинаковые гены разных видов. Также часто строят деревья по белкам, но различия между методами построения по белкам и по ДНК чисто технические, и для понимания сути не важны. Деревья, отражающие эволюцию целых организмов, обычно, делают на основе множества таких деревьев, построенных по небольшим участкам ДНК, или, по отдельным генам, про которые заранее известно, что их эволюция совпадает с эволюцией организмов.

Как строят деревья?

Есть три принципиальных способа постройки дерева. Первый — это перебор всех возможных деревьев, которые можно построить для данных организмов. Не всех правдоподобных, а всех вообще. Но даже для дерева с двадцатью листьями такой перебор уже слишком сложен, а часто необходимо строить деревья намного большего размера. Вторая — это выращивание дерева. При таком подходе сначала строится маленькое простое дерево, а затем к нему добавляется по одной ветви так, чтобы в итоге получилось правдоподобное дерево, и третье — это эвристические методы, при которых дерево строится сразу все по определенному алгоритму. Описанный ранее метод оценки качества дерева, как раз и нужен, например, для ответа на вопрос, какое из построенных деревьев лучше, или, куда поставить новую веточку при выращивании дерева.

В конце хотел бы рассказать об интересном применении деревьев. Посмотрим на эту карту расселения человечества по земле.

Если подумать, это не что иное, как дерево, нанесенное на карту земли, где листьями являются разные народы, а стрелки и их ветвление показывают, кто когда с кем разошелся. Эту карту так и сделали. Прочитали ДНК разных народов, построили дерево, приняли во внимание места исконного обитания и учли археологию. А время расставили, во-первых, по данным археологов, а во-вторых, зная, что у человека на поколение происходит около 80 мутаций и, зная число различий между ДНК разных народов, прикинули, сколько времени назад разделились их эволюционные пути.

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.

Еще есть теория 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.

И еще по теме одна из серий фильма об эволюции, которая как раз посвящена роили секса в развитии живых организмов:

Эволюция. Битва за жизнь. Секс.