Открытие Сеттона
В последней четверти девятнадцатого века внимание ученых было обращено на клетку, в частности на главную и наиболее сложно устроенную часть ее — ядро. Техника микроскопирования в это время значительно усовершенствовалась, и уже никто подобно Гартсёкеру не мог «разглядеть» в головке спермия скрючившегося человечка, но зато обнаружили тончайшие структуры, о существовании которых и не подозревали.
Особым вниманием исследователей пользовались хромосомы. Они представлялись им то нитями, то палочками, то спиралями, но во всех случаях интенсивно красились специальными красками, за что и получили свое название: «хромосома» означает «окрашенное тело».
А потом наступил момент — и связан он был с именем ученого Бовери, — когда выяснилось, что нити, палочки и спирали — это разные стадии, разные этапы существования хромосом. Исследователь подметил, что маленькие окрашенные тела ведут сложный, на редкость упорядоченный образ жизни. Казалось бы, палочкой меньше или палочкой больше — не все ли равно? Но Бовери установил: в жизни клеток, в изменениях, происходящих с их хромосомами, все подчинено нерушимым законам, а направлены эти законы на то, чтобы ни одна «палочка», ни единый кусочек ее не исчезли, чтобы все в целости перешло от материнской клетки к дочерней.
Покоящееся ядро выглядит шариком, в котором просвечивает сеточка окрашенного вещества хроматина. Кстати, тут же скажу: узаконенный в учении о клетке термин «покоящееся ядро» нужно понимать условно — именно в этой стадии происходят сложнейшие биохимические превращения, действуют гены.
Но для микроскописта ядро в данный момент в покое. Однако приходит время клетке делиться, и ядро ее постепенно превращается в клубок нитей. Четко видны хромосомы, из которых ядро состоит. Вот они уже не окружены ядерной оболочкой и, кажется, беспорядочной кучкой лежат в клетке. Затем они выстраиваются по клеточному экватору, точно спортсмены, выровненные перед забегом на старте, и уже ясно, что каждая из них разделилась продольно, число их удвоилось. Потом, подхваченные тончайшими нитями белкового веретена, хромосомы начинают растаскиваться к полюсам клетки: разбегаются со старта в разные стороны, будто стояли до этого спиной друг к другу. У каждого из полюсов образуется новое, дочернее ядро, точь-в-точь такое же, как ядро материнское, из которого образовались дочерние ядра.
Клеточное деление кариокинез.
Англичанин Сеттон, девятнадцатилетний студент, наблюдал эту картину и удивлялся: очень точно подметил все Бовери, действительно упорядоченность, но для чего она нужна? Было о чем задуматься.
Но еще больше заставили его задуматься деления, происходящие при образовании половых клеток. Их тоже изучал Бовери.
При образовании половых клеток, если не вдаваться во все подробности, происходит почти то же самое, что и при обычных делениях, но… Вот это-то «но» и занимало больше всего Сеттона… Перед делением здесь нет удвоения хромосом. Они выстраиваются на старте, на экваторе, и тут видно, что и без деления каждая из них имеет партнера и эти партнеры становятся друг к другу «спиною», чтобы принять старт в разные стороны. В результате такого деления в каждой из половых клеток оказывается в два раза меньше хромосом, чем в любой другой клетке тела! И вполне понятна эта, как говорят биологи, редукция — уменьшение числа хромосом. Ведь в дальнейшем происходит оплодотворение, слияние двух половых клеток. Каждая из них несет по половине хромосомного набора… И здесь, при размножении, все направлено к сохранению свойственного организму хромосомного набора. Только теперь половина его — материнская, а половина — отцовская. Что-то очень знакомое напоминало ему это…
Мейоз — образование половых клеток.
Оплодотворение.
Раздумья его пришлись в ту пору, когда всех биологов занимали вновь открытые законы Менделя. И кому покажется странным, что однажды, чертя схемы клеточного деления, Сеттон, быть может и машинально, написал: АА X аа — > Аа + Аа.
Вот что он изобразил. (См. схему стр. 51.) Это одно из блистательнейших обобщений: гипотеза Сеттона — Бовери. (Имя Бовери здесь стоит не зря — он проследил движения хромосом, ход клеточных делений.) Суть гипотезы в том, что движение хромосом в ходе редукционного деления и оплодотворения полностью соответствует движению генов в менделевских скрещиваниях. Отсюда сам собой напрашивается вывод: гены находятся в хромосомах, они — участки хромосом.
Схема Сеттона. Путь генов по Менделю (слева) и путь хромосом в поколениях. Внизу обозначены и гены и хромосомы.
Каждый вид животных и растений имеет свой совершенно определенный набор хромосом. Этот набор характеризуется не только определенным числом хромосом, все его хромосомы имеют совершенно определенную «внешность». Потеря хотя бы одной хромосомы или лишняя хромосома — почти всегда болезнь, и часто тяжелая.
Наши домашние животные имеют такое число хромосом:
крупный рогатый скот: 60
свинья: 38
овца: 54
коза: 60
собака: 78
кошка: 38
норка: 30
утка: 80
курица: 78
кролик: 44
Как видите, у домашних животных число хромосом довольно большое. Во всяком случае, по сравнению с хорошо изученной генетиками мушкой дрозофилой, у которой хромосом всего восемь, причем каждая из четырех пар легко различима. Однако количество хромосом не препятствие для их изучения. И если крупный рогатый скот генетиками изучен хуже, чем дрозофила, то не из-за того, что у него имеется 60 хромосом. Домашнее животное — трудный объект для исследования. Корова рождает одного теленка, да и много времени пройдет, пока он стянет взрослым. А у дрозофилы самка откладывает сотни яиц, и взрослой эта мушка становится в десять дней.
В хромосомном наборе каждого домашнего животного, кроме пчелы, выделяется одна пара хромосом — половые. В отличие от них, все остальные хромосомы называют аутосомами. Если в аутосомах оба партнера, составляющие пару, одинаковые, то в половых хромосомах не так. У млекопитающих половые хромосомы самки образуют так называемые Х-хромосомы («икс» латинское). У самцов одна Х-хромосома, а вторая хромосома пары, как правило, иная по форме и длине. Это У-хромосома («игрек» латинское). Таким образом, формула самки у млекопитающих XX, формула самца — ХУ; самка гомозиготна по половым хромосомам, самец гетерозиготен.
Обратная картина у птиц. У них гомозиготны самцы, самки же имеют разные половые хромосомы.
Фантазии, фантазии…
Предсказать пол ребенка или детенышей у животных люди пытались давно. И сколько теорий они создали! Однако какой бы странной и нелепой ни казалась нам теория сегодня, все равно предсказания сбывались не менее чем в 50 процентах случаев — родился либо мальчик, либо девочка. 50 — не малый процент совпадений, и он придавал уверенность авторам иной раз самых нелепых выдумок.
А среди них были люди, известные всему миру. Аристотель, например, полагал, что рождение мальчика связано с холодными северными ветрами, а девочки, напротив, появляются под влиянием южных зефиров… Но если Аристотелю, философу древнего мира, вроде бы и простительна подобная «легкомысленность» в суждениях, то Сторкуэтору, ученому прошлого века, вряд ли можно простить «теорию», внесшую разлад во многие семьи: он считал, что пол ребенка противоположен полу того из супругов, чьи человеческие качества выше…
До момента открытия половых хромосом было высказано… более пятисот гипотез образования пола. И хотя все они оказались ошибочными, это не действовало отрезвляюще на любителей скороспелых обобщений.
Современное представление о полообразовании опирается на данные генетики. В самом деле, если формула самки XX, а самца ХУ, то гаметы самки будут X и X, а гаметы самца X и У. Мысленно комбинируя эти гаметы, мы получим 50 процентов особей с формулою XX и 50 процентов — ХУ. То есть половину самцов и половину самок.
Но если пол потомка зависит от того, каким спермием — X или У — будет осеменена яйцеклетка, то нельзя ли искусственно разделить спермиев? Заманчиво у молочных пород крупного рогатого скота получить 100 процентов телок, а у мясных — преобладание бычков, они вырастают более крупными.
Управление численным соотношением полов волнует многих ученых. Первым, кто добился в этом деле ощутимых результатов, была советская исследовательница В. Н. Шредер. Поместив сперму кролика в поле постоянного электрического тока, она обнаружила, что при температуре в 10–15 градусов от спермы, концентрирующейся у катодов, получается 83–88 процентов самцов. При температуре в 25 градусов катодная сперма дала всего лишь 20 процентов самцов. От анодной спермы при 10 градусах было получено 83 процента самок. Цифры обнадеживающие.
В природе без всяких специальных воздействий численные соотношения полов не всегда равны 1: 1. В этом отношении лучше всего изучен человек. По записям родильных домов, обработанных статистически, установлено, что мальчиков всегда рождается больше девочек. Цифры эти колеблются от 102 до 106 мальчиков на каждые 100 девочек. А перед войной и во время войны, как и при других общенародных бедствиях, число мальчиков возрастает… И тут уж не уйдешь от вывода, что это численное соотношение зависит от каких-то условий среды. Однако от каких? Вот этот-то вопрос и остается до сих пор не решенным.
У крупного рогатого скота на каждую сотню телят рождается 52 бычка, но зато при сравнительно редких двойнях число бычков сокращается до 49. У свиньи на сотню детенышей приходится 52 кабанчика, а у собак терьеров — 55 кобельков.
Итак, идет поиск.
Исследовательница Э. Кинг вела селекцию у крыс, подбирая линии, где родилось больше самцов или самок. Шесть поколений отбора привели к тому, что в одной из линий на сотню самок рождалось 122,3 самца, в другой 81,8. Эти отличия оказались стойкими, прослежено было 25 поколений.
Американец И. Узйр в 1962 году сообщил, что, ведя селекцию на разный уровень кислотности в крови (разный рН), он одновременно получил линии мышей, различающиеся по численным соотношениям полов. В линии с высоким рН на 100 самок приходилось 114 самцов, а в линии с низким рН — лишь 67.
Увы, эти многообещающие результаты пока одиноки. Значительно большему числу исследователей не удавалась селекция, которая изменяла бы численные соотношения полов.
Но вот данные опытов на свиньях. Они опубликованы в 1968 году советскими исследователями Е. М. Владимирской и П. А. Харченко. Сперму хряка подвергали воздействию 40-процентного раствора хлористоводородного гистидина. В результате сперма делилась на две фракции. Неустойчивые к этому воздействию спермин опускались в нижний слой жидкости, более устойчивые держались вверху. Спермой из верхнего яруса было осеменено 26 свиноматок. Из 236 поросят 75 (32 процента) оказалось самцов и 161 самка (68 процентов). Нижнюю фракцию спермии тоже использовали для осеменения. Родилось 222 поросенка — 128 самцов и 94 самки.
Авторы предполагают, что в этом опыте произошло разделение спермиев, несущих X и У хромосомы.
Очень важный результат, он может иметь большое практическое значение.
Гемофилия
Раз есть половые хромосомы, значит, есть и гены, которые через них наследуются.
Например, ген, вызывающий гемофилию. Это наследственное заболевание, очень распространенное среди княжеских, королевских, царских фамилий. Болел гемофилией и наследник последнего русского царя Алексей.
Гемофилия — болезнь страшная. Как правило, она поражает мальчиков, и большинство их гибнет в возрасте до 5 лет. Очень редко случается, что больной доживает до 40-летнего возраста. Вот, собственно, и все, что было бы известно об этом заболевании, не болей гемофилией еще и собаки. На королях ставить генетические эксперименты затруднительно, собака же и здесь — в который раз! — оказала человеку существенную услугу.
При гемофилии кровь утрачивает нормальную способность к свертыванию. Симптомы гемофилии появляются у щенят в возрасте трех недель. Больные щенки хромают, так как у них возникают кровоизлияния в конечностях, под кожей часто появляется припухлость, нередко наступает паралич одной или нескольких лап. Малейшая царапина вызывает большие, часто невосполнимые кровопотери. Однажды щенок-гемофилик погиб из-за того, что у него прорезался зуб. Бывает, что наступает смерть, когда такого щенка берут на руки, повреждая при этом какой-либо мелкий сосудик. Если у нормальных собак для свертывания крови требуется от двух до шести минут, то у больных гемофилией от 22 до 40 минут. За это время животное может потерять много крови. То же наблюдается и у больных людей. Поэтому цесаревича Алексея так берегли, что во время «прогулки» не разрешали ходить. В двенадцать лет его носил на руках огромный детина.
Родословная терьеров с гемофилией.
Щенки-гемофилики обычно не доживают до половой зрелости, поэтому рождение их наблюдается от гетерозиготных по гемофилии сук. Ген гемофилии передается через Х-хромосому. Следовательно, скрещивание в данном случае будет выглядеть так:
♀ ХХг × ♂ ХУ
Хг — здесь Х-хромосома с «зловредным» геном.
Гетерозиготная самка образует гаметы типа X и Хг. Гаметы самца X и У. Потомки от такого скрещивания будут такими:
♀ XX, ♀ ХХг, ♂ ХУ, ♂ ХгУ
Коварность гена заключается в том, что он не проявляется у гетерозиготных самок. Будь он доминантным и поражай самок генотипа ХХг, ген выбраковывался бы сразу же после возникновения мутации. Но он может из поколения в поколение передаваться в гетерозиготе от самки к самке, поражая тех самцов, к которым попадает хромосома Хг. Это наблюдалось и у людей. Королева Англии Виктория была здорова, однако она родила гемофилика и, кроме того, наградила геном гемофилии русскую и испанскую правящие фамилии.
Но, к сожалению, гемофилия поражает не одних королей, от нее страдают и простые смертные. По данным 1950 года, в США насчитывалось около 40 тысяч гемофиликов. Около 57 процентов больных умирало до 5 лет, а 5 процентов доживало до 40.
Полосатость пера и ранний отбор по полу
В куроводстве очень важно как можно раньше распознать пол цыпленка. Хозяйства, специализирующиеся на получении яиц, хотели бы получить на инкубаторной станции почти исключительно курочек, а хозяйства, специализированные по откорму, предпочтут петушков.
Петушок или курочка?
Метод раннего — в однодневном возрасте — предсказывания пола цыпленка еще в 1922 году предложил советский генетик профессор А. Н. Серебровский. После этого Пеннет приступил к работе по созданию пород, у которых различия видны уже в однодневном возрасте. Он вывел несколько таких пород, однако они не выдержали конкуренции по яйценоскости с леггорнами. А метод, который был предложен Серебровским, и сейчас применяется в практике.
В птицеводстве ценят гибриды первого поколения от скрещивания красного род-айленда с полосатым плимутроком. Их ген полосатости, сцепленный с полом, позволяет в однодневном возрасте отличать петушков от курочек. Рассмотрим это скрещивание.
У род-айлендов окраска красная, а у плимутроков выбранной нами породы перо, как у кукушки — черное с белыми полосами. У кур самцы гомозиготны по половой хромосоме, а у самок она одна. У-хромосома у птиц пока не найдена. Генов, которые вызывают полосатость перьев, у петухов два, у кур один. И уже по этому можно определить пол цыплят — у петухов белые полосы на пере шире.
Для скрещивания мы возьмем самку полосатого плимутрока и самца род-айленда. Гаметы курицы будут двух типов. Один из них несет доминантный ген, другой не несет. Гаметы петуха, напротив, однотипны: все они несут рецессив полосатости. От оплодотворения яйцеклетки, несущей доминантный ген, образуется петушок, от оплодотворения другой яйцеклетки, без доминантного гена, а значит, без Х-хромосомы, образуется курочка. У цыплят нет пера — тело покрыто пухом. Однако уже в однодневном возрасте петушки отличимы от курочек: у них на затылке белое пятно. В дальнейшем же петушки приобретают полосатую окраску, курочки же оказываются красными.
Скрещивание: самец род-айленд и самка полосатый плимутрок.
В сельскохозяйственной практике ограничиваются именно этим скрещиванием и никогда не доводят его до второго поколения. Но генетики получали и F2. В этом случае оказывалось поровну кукушкоперых и красноперых петухов, кукушкоперых и красноперых кур (см. рис.).
Если взять не петуха род-айленда, а курицу и скрестить ее с петухом — полосатым плимутроком, результаты скрещивания будут иными. Рассмотрите рисунок и напишите генетические формулы первого и второго поколений… Ответьте на такие вопросы: чем полученное от такого скрещивания 3: 1 отличается от обычного менделевского? Почему окраску род-айленда во втором поколении получат только куры?
В этом скрещивании участвуют петух полосатый плимутрок и курица род-айленд.
Этот тип наследования животноводы называют наследованием крест-накрест. Если признак в F1 от самца переходит к самкам, а от самок к самцам, значит, он сцеплен с полом, то есть ген его находится в Х-хромосоме.
А в У-хромосоме гены обнаружены лишь у одного домашнего животного — рыбки гуппи. Здесь в У-хромосоме самцов множество генов окраски. Их легко проследить и выявить. Для этого самца достаточно скрестить с самкой из другой породы. Все пятна, штрихи и точки, которые сыновья унаследуют от отца, зависят от генов У-хромосомы.
Наследование через У-хромосому у гуппи.
У домашнего животного бабочки-шелкопряда в У-хромосоме генов нет, однако генетики пересаживают их туда. Самцы шелкопряда наматывают на кокон значительно больше шелка, чем самки, поэтому выгоднее выкармливать только личинок самцов. Но как их определить?
Яички (грена) шелкопряда крошечные и все одинаковые. Однако есть линии, у которых яички темные. Ген темной окраски локализован в аутосомах. Действуя лучами рентгена, ученые вызвали поломки хромосом, затем они отобрали насекомых, у которых кусочек аутосомы с геном темной окраски «переселился» на У-хромосому. Так была создана линия, где яички, из которых образуются самки, темные. Далее пришла на помощь техника. Сконструировали машину, которая с помощью фотоэлемента мгновенно сортирует грену. Шелководство получило новые большие возможности.
Задачи
1. В помете восемь щенков, половина из них самцы. Один очень рано обнаружил признаки гемофилии. Сколько щенков, рассуждая теоретически, могут еще заболеть? Сколько щенков ни в коем случае не заболеют? Сколько окажутся носителями гемофилии?
2. Создайте схему скрещиваний, при помощи которой можно с большей вероятностью отобрать носителей гемофилии среди собак из предыдущей задачи.
3. Одновременно в двух гаметах возникли мутации, рецессивная аутосомная и рецессивная, сцепленная с полом. Какая из этих мутаций имеет больше шансов быстрее проявиться в зиготе? Обоснуйте свой ответ.
4. Были обнаружены индейки, которые проявляют странное дрожание. Если такого «вибрирующего» индюка скрещивали с нормальными индейками, в потомстве проявляли дрожание только самки. С какой хромосомой связан ген, который вызывает дрожание?