Embedded Files
В далеком 1859 году Чарльз Дарвин опубликовал свой великий труд – «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» – который, по большому счету, не теряет своей актуальности и по сей день. В данной книге Дарвин удивительно точно предсказал наличие закономерностей наследования признаков организмами в живой природе, не зная законов генетики, и развил теорию об эволюции организмов, хотя во время его жизни не было способов доказать многие вещи, так как в те времена не существовало молекулярной биологии и генетики как таковой. Все, что могли делать люди – это скрещивать организмы и наблюдать за исходом эксперимента.
Из всего огромного труда Чарльза Дарвина по описанию происхождения видов, я хотела бы обратить внимание на IX главу, которая посвящена гибридизации и, в частности, стерильности гибридов – рассказать об основных теориях Дарвина на этот счет и о достижениях современной биологии в этой области.
В наши дни наука шагнула далеко вперед: ученые разработали множество молекулярных, генетических, биохимических, цитологических методов, что помогает современным исследователям в изучении организмов, их генотипов и кариотипов. Конечно же, во времена Ч.Дарвина о подобном даже и не догадывались. Но, несмотря на это, Дарвин предсказал многие вещи, которые подтвердились в будущем, так, например, он предположил, что бесплодие межвидовых гибридов непременно обусловлено какими-то сложными законами на уровне отдельных организмов. В этой главе Дарвин описывает наблюдения экспериментов по скрещиванию видов в неволе, в большей степени растений и делает предположение, что на возникновение стерильности оказывает влияние много факторов: это и условия содержания организмов, и наличие одомашнивания, и различие в половых элементах, и, непосредственно, само условие того, что скрещивание происходит в неволе. Дарвин подробно описывает результаты некоторых экспериментов, как с растениями, так и с животными, и, ввиду такого большого списка возможных причин развития стерильности, делает вывод, что «некоторая степень бесплодия, как при первом скрещивании, так и у гибридов, является весьма распространенной, но при теперешнем состоянии наших знаний ее нельзя считать абсолютно всеобщей». Вследствие этого Дарвин задается вопросами: «от чего зависит возникновение стерильности?», «подчиняется ли она каким-то законам?», и «передается ли от родителей потомству?»
Описывая эксперименты, Дарвин сталкивается с проблемой: он не может четко отделить виды от разновидностей путем установления фертильности потомства. Также он приходит к выводу, что продолжительное одомашнивание способствует преодолению стерильности. При объяснении причины возникновения бесплодия, Дарвин утверждает, что это ни в коем случае не произошло в ходе естественного отбора, поскольку это ничем не выгодно для особей обоих видов, скорее всего бесплодие является побочным результатом различий между скрещивающимися организмами.
Прошло уже много лет с момента публикации теорий Дарвина. Как же изменились представления о гибридах и стерильности в биологии спустя такое количество времени? Сегодня мы знаем, что животные разных видов, действительно, чаще всего не способны к скрещиванию. И тому есть ряд причин: начиная от видоспецифичности морфологии сперматозоида, как мы помним из курса эмбриологии, и, заканчивая различным строением хромосомного аппарата, о чем мы говорили, изучая генетику. Если скрещивание таки произошло, то, вероятнее всего, гибриды родятся нежизнеспособными и отсеются естественным отбором. Очень редко мы можем наблюдать появление потомства, к примеру, от тигра и львицы, от коровы и буйвола, или от зебры и осла. Но гораздо реже уже полученные гибриды оказываются фертильными, то есть способными дать потомство.
Может ли современная наука помочь избежать стерильности у гибридов? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте более подробно рассмотрим механизмы, из-за которых она возникает; а чаще всего, это нарушения в поведении хромосом при мейотическом делении клетки.
Дарвин, к сожалению, не располагал теми знаниями, которые в данный момент есть у нас. Он и не догадывался, что каждый организм имеет свой собственный генотип и кариотип, что вся наследственная информация хранится в ядрах клеток в хромосомах, что с хромосомами могут происходить различные спонтанные события (то есть хромосомные перестройки), начиная с делеций и дупликаций и заканчивая транслокациями и инверсиями. Механизм мейоза открыли еще в конце XIX века и, в отличие от Дарвина, нам известно, что, при образовании гамет, в ходе мейоза происходит двукратная редукция числа хромосом. Исходное число хромосом восстанавливается при слиянии мужской и женской половых клеток и образовании зиготы. Чтобы это произошло, необходимо правильное разделение пар гомологичных хромосом между гаметами. В противном случае возникает анеуплоидия — это явление нехватки или, наоборот, избытка хромосом. Этот дисбаланс приводит к гибели зародыша или тяжелым аномалиям развития (у человека к так называемым хромосомным болезням).
У растений стерильность гибридов научились преодолевать путем кратного увеличения числа хромосом (полиплоидия). В результате происходит нормальное разделение хромосом по клеткам в процессе мейоза, т.к. у каждой хромосомы есть гомолог. Также используют беккросс (возвратное скрещивание). С животными, к сожалению, дела обстоят сложнее. Возможен вариант, когда у гибрида происходит геномная мутация, вследствие чего хромосомы удваиваются – тогда с расхождением, так же как и в случае с полиплоидией, проблем нет; плюс такой гибрид способен размножаться, но не может скрещиваться с родительской формой.
Ученые выяснили, что географическая изоляция двух популяций приводит к появлению генетической несовместимости особей. Гибриды, полученные от скрещивания организмов из этих двух разных популяций, обладают пониженной жизнеспособностью или же являются стерильными. В генофонде каждой из популяций с течением времени накапливаются мутации. И как только хотя бы в одной популяции появляется мутация, несовместимая с генофондом другой, происходит генетическая несовместимость двух этих популяций. Это явление описано моделью Добржанского–Мёллера. Согласно которой, количество генов, отвечающих за генетическую несовместимость, должно нарастать пропорционально квадрату общего числа генетических различий, которые накопились между популяциями за время географической изоляции. Эта модель появилась около 70 лет назад, и точно проверить ее до сих пор никому не удавалось вследствие того, что существовали технические затруднения в том, чтобы найти эти самые «гены несовместимости». Сотрудники Чикагского университета, работая с дрозофилами, и сотрудники Мемфисского университета, которые проводили эксперименты с растениями рода Solanum, впервые подтвердили эту модель.
К вопросу об образовании новых видов: на основе симбиоза идей Дарвина и достижений современных биологических наук (главным образом в области генетики) возникла синтетическая теория эволюции, согласно которой основой видообразования является изменчивость, а ведущим фактором – естественный отбор. Учеными выделяется два способа видообразования: аллопатрическое (географическое) и симпатрическое (экологическое). Симпатрическое может происходить путем полиплоидизации, гибридизации с последующим удвоением числа хромосом и путем возникновения репродуктивной изоляции в результате возникновения разных хромосомных перестроек внутри одной популяции. Географическое видообразование приводит к появлению изолятов – популяций, которые первоначально возникли из одной, вследствие образования географического барьера между группами особей этой популяции.
Давайте рассмотрим немного подробнее, чем же сейчас занимаются ученые в области гибридизации. Например, в журнале PNAS в мае 2016 года была опубликована статья, в которой был описан эксперимент с дрозофилами, проведенный группой ученых из Гарвардского университета. Исследователи сделали функциональный анализ HMS1 третьей хромосомы Drosophila mauritiana - региона длинной 9.2kb, который при скрещивании с Drosophila simulans у мужских гибридов в гомозиготе обуславливает бесплодие. В этом регионе обнаружили два гена-кандидата в «гены несовместимости» - AGT и Taf1. Оба они кодируют два ДНК-связывающих белка, AGT – для алкилцистеин-S-алкилтрансферазы, а Taf1 для субъединицы фактора транскрипции TFIID, который выступает в качестве многофункционального регулятора транскрипции. Ученые оценили вклад каждого из этих генов в формирование мужской стерильности у гибридов и пришли к выводу, что вклад примерно одинаков. В этом опыте использовались линии, как с полными последовательностями данных генов, так и химерные конструкции. Результаты с химерными трансгенами показали, что гибридная несовместимость возникает вследствие взаимодействия нуклеотидных различий в последовательностях генов AGT и Taf1. Исследование вывело на новый уровень значимости роль последовательностей, кодирующих ДНК-связывающие белки, как класса генов, способствующих поддержанию постзиготической изоляции.
В 2015 году в журнале PLoS ONE была опубликована статья, написанная Дмитрием Дедухом, который возглавлял группу ученых. В статье сообщалось, что некоторые гибридные животные могут давать потомство. При этом они скрещиваются не с родительскими формами, как не странно, а с гибридами. К таким животным относится, например, съедобная лягушка – гибридный организм, полученный путем скрещивания озерной и прудовой лягушек. Когда приходит время образования половых клеток, организм этой гибридной лягушки удаляет копию хромосом одного из родителей, затем следует удваивание оставшихся, в результате чего в процессе мейоза образуются нормальные гаметы. Но самым интересным и, на мой взгляд, удивительным фактом является то, что удаление и удвоение хромосом у лягушек происходит далеко не всегда. И, благодаря тому, что в организме животного остается три набора хромосом, возникают различные формы гибридных лягушек, у которых сохраняется фертильность. Оказалось, что существование гибридных лягушек, имеющих как двойной, так и тройной набор хромосом в клетках, взаимно необходимо для развития этих гибридных популяций.
Помимо того, что ученые занимаются изучением проблем отдаленной гибридизации, они так же думают над тем, чем эта самая гибридизация может помочь проблемам современной биологии. По мнению исследователей, межвидовые гибриды можно успешно использовать для решения проблемы с исчезающими видами. Так в Институте Цитологии и Генетики СО РАН в секторе криоконсервации и репродуктивных технологий стибирские ученые проводят эксперименты, в ходе которых пытаются получить гибридных эмбрионов от дальневосточного лесного кота и домашней кошки. Лесной кот находится на грани исчезновения. Ученые СО РАН даже создали криобанк, где хранят генетический материал семейства кошачьих. В будущем, если вдруг возникнет угроза исчезновения вида, у исследователей останется возможность получить потомков-гибридов и тем самым сохранить некоторую часть генофонда вымершего вида.
В заключении хочется сказать, что невозможно оспаривать гениальность и ум Чарльза Дарвина. Обладая столь малыми, по сравнению с современными, научными данными, не говоря уж о методах, он смог описать процессы, происходящие в живой природе с организмами, и сделать предсказания, которые в будущем подтвердились с помощью молекулярно-генетических методов. Важно осознавать значимость написанного Дарвином «Происхождения видов…». Благодаря наличию большого числа фактов, подтверждающих теорию, его труд был принят общественностью и полностью изменил взгляд людей на ход эволюции. Теологическая идея эволюции сменилась органической, в которой имеет место естественный отбор, как движущий фактор. Время идет, в области биологии совершаются всё новые и новые открытия. Каждое поколение ученых вносит свой вклад в изучение окружающего нас мира. Давным-давно Чарльз Дарвин попытался объяснить эволюцию организмов, стерильность гибридов, возникновение признаков и их передачу от родительских форм потомкам, изменчивость и т.д. У него было много вопросов, но недостаточно ответов. Спустя почти 160 лет после публикации труда Дарвина, наука так и не нашла ответы на некоторые вопросы. Но кто знает, что будет завтра? Я думаю, что нам и нашим потомкам предстоит сделать еще много открытий, которые удивили бы не только Дарвина, но и нас самих.
Используемые источники
1. И.Ф. Жимулёв // ОБЩАЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА
2. Ч.Дарвин // ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВИДОВ ПУТЕМ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА
3. www.pnas.org
5. www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/
6. www.nkj.ru
7. www.strf.ru
Google Sites
Report abuse