Конкурс «Био/Мол/Текст»-2024/2025

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2024/2025.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Что такое половое размножение?

Представьте: Земля, около миллиарда лет назад. Жизнь на нашей планете молодая и состоит из простых одноклеточных организмов. Но как эти организмы размножались? Очень просто — клонированием. Материнская клетка удваивалась с образованием двух дочерних клеток. При этом весь генетический материал без изменений передавался потомкам. Это выгодно и приятно. Во-первых, ты остаешься в биологической истории без изменений. Во-вторых, раз исходная клетка смогла выжить, то выживут и ее клоны, по крайне мере, в текущих условиях. Но есть и минус. Если условия поменяются, то все клоны дружно погибнут. Добро пожаловать в вымирание!

Чтобы такого не произошло, нужна изменчивость. Тогда в популяции всегда будет разнообразие и, в случае чрезвычайного происшествия, будет хоть кто-то приспособленный к новым условиям. Один из способов формирования изменчивости — мутации. Но это медленный (и опасный) путь. Нужно ждать, пока произойдет сбой и дочерняя клетка «родится» слегка непохожей на материнскую.

Совершенно другое дело — половое размножение. Его суть заключается в том, что клетки начинают делиться новым способом — мейозом. В результате получаются «половинчатые» по набору генетической информации клетки — гаметы. Если эти «половинки» от двух родителей сольются, то получится «целый» организм. И, что самое приятное, он будет с новым набором генетической информации!

Как показала эволюция, такой подход крайне эффективен для выживания потомства. Это поистине самый интригующий момент полового размножения! Два независимых организма, которые обычно «думают» только о себе, решают скооперироваться, синхронно приложить огромные усилия для создания гамет и сформировать новую жизнь, быть может, более совершенную, чем ее предки. И пускай в случае полового размножения потомок уже не будет точной копией родителей, но половину генетического материала они все же сохранят.

Герои не нашего времени

Активным исследователем механизмов полового размножения был Эдуард Ван Бенеден — бельгийский зоолог и иностранный член-корреспондент Российской академии наук 19-го века (рис. 1). Эдуард родился в династии биологов. Его отец был известным палеонтологом, так что неудивительно, что сын пошел по аналогичному пути. Уже в 24 года он стал профессором в университете родного города, а в 1883 году показал, что в результате деления половых клеток образуются гаметы с «половинным» набором хромосом. Следовательно, хромосомы потомства происходят в равной степени от обоих родителей. Это стало прорывом в исследовании наследственности и репродукции [1].

Удивительно, но изначально родители друг от друга не отличались. Не было разделения на отцов и матерей. Участники полового размножения были удивительно сплочены и единообразны в своем стремлении создать потомство. Но в ходе эволюции эта картина кардинально поменялась.

Один из родителей решил, что он хочет делать очень много гамет: пусть они будут везде плавать и сливаться с другими клетками, тогда у него будет много потомков. Таким образом появились сперматозоиды. После этого за мужским полом закрепилась роль доставщика генетического материала, а сперматозоиды стали маленькими и быстрыми. Женский пол выбрал иной путь: пусть будет мало гамет, зато в каждой будет много питательных веществ, тогда у потомков будет больше шансов выжить в нашем жестоком мире. Так появились яйцеклетки, а за женским полом закрепилась роль накопления питательных веществ для потомства. Яйцеклетки стали крупными и неподвижными (рис. 2).

С тех пор появилось разделение на отцов и матерей, а мы можем говорить о половом размножении в общеизвестном смысле слова. Наука, которая изучает закономерности размножения, называется репродуктивная биология.

Бесплодие

У полового размножения, несмотря на все преимущества, есть важный недостаток. Оно может не получиться. Речь о бесплодии. В нашей прошлой статье о гигантских сперматозоидах дрозофил мы уже рассуждали об этой проблеме и возможных путях ее решения, но уделили внимание только мужскому бесплодию, связанному с дефектными сперматозоидами. Теперь поговорим о бесплодии шире.

Вообще, бесплодие — это не болезнь в обычном понимании слова, это не симптом и не состояние, мешающее физическому благополучию бесплодной пары. По определению это отсутствие беременности после долгих попыток зачатия [3]. При этом, желание иметь детей может быть исключительно сильным по биологическим или социальным мотивам. Целые империи рушились из-за отсутствия наследников. Впрочем, проблемы бесплодия присущи не только людям, но и животным. Особенно ему подвержены обитатели зоопарков и представители редких видов. Почему? Давайте начнем с курьезного примера.

В 30-х годах в одном из зоопарков США, в Чикаго, умерла любимица публики — самка большой панды Су Лин (именно этот вид находится на логотипе Всемирного фонда дикой природы). Ей нашли замену — молодую самку Мей Мей, а чтобы панды наращивали свою популяцию в стенах зоопарка, к ней подселили молодого самца по кличке Мей Лан (рис. 3). От этой пары ожидался приплод, однако ожидание сильно затянулось. Проверялись многие теории: от неправильного питания или метаболизма, до индивидуальных поведенческих особенностей. Но разгадка была на поверхности: оба медведя оказались самцами [4], [5].

Стоит пояснить, что панд действительно проблематично различать по полу, поэтому без должной подготовки легко перепутать самца и самку [6]. Но данный пример демонстрирует нам, что причины бесплодия животных могут быть самыми неожиданными и, вместе с тем, банальными. К тому же, этот случай лишний раз доказывает, что для разведения редких видов требуется детальное понимание особенностей их репродукции.

Как в Китае сохранили панд?

Швейцарский биолог, Хайни Хедигер был директором нескольких зоопарков до Второй мировой войны, во время нее и после. И за годы практики сформулировал некое правило: если животные под опекой человека размножаются лучше, чем в дикой природе, то зоопарк делает все правильно. Если этого не происходит, зоопарк где-то допускает ошибку [7].

Теперь вернемся к пандам. Существует забавный миф, якобы они очень милы и просто не умеют спариваться (рис. 4а). Естественно, это не так. В действительности, спаривание панд — очень тонкий процесс, понимание которого пришло через десятилетия практики. А нехватка знаний о репродукции данного вида долгое время препятствовала эффективному разведению панд в неволе. Но в последние годы все изменилось. Например, в 2019-м году Московский зоопарк получил из Китая двух взрослых панд, а уже в 2023-м — родился детеныш панды, которого назвали Катюша (рис. 4б). Это первый случай рождения панды в России! А в 2016-м году Всемирный фонд дикой природы (WWF) сообщил радостную новость. Большая панда сменила свой статус. Ранее в Красной книге она значилась как вид «под угрозой исчезновения», а теперь — «в уязвимом положении». Так как же удалось понять механизмы размножения панд и превратить этот вид в редкий пример возрождения, а не упадка?

Разберем некоторые примеры, связанные с репродуктивной биологией. В журнале Nature Communications в 2015-м году было опубликовано исследование характеров панд и вероятности их спаривания. Оказалось, что для размножения панд крайне важен правильный выбор партнеров. Имеют значения такие параметры, как агрессивность, боязливость и активность панд. Примеры хороших сочетаний: боязливая самка и бесстрашный самец или агрессивный самец с мирной самкой. Таким образом, если пара сошлась характерами, то вероятность зачатия сильно выше, чем в случае неправильного выбора партнера. В 2017-м году это направление получило продолжение, подтверждающее первые результаты [8], [9]. Очевидно, у редких видов дела с выбором партнеров обстоят туго, поэтому на первых порах даже на их родине, в Китае, было очень сложно добиться размножения панд.

Кроме того, у панд очень маленькое окно фертильности — период, в течение которого может произойти зачатие потомства. Например, у лабораторных мышей, окно фертильности открывается каждые 4 дня. У людей окно фертильности открывается на несколько дней каждый 28-дневный цикл. Естественно, это среднее значение. У панд же, окно фертильности невероятно «узкое», они могут забеременеть только в течение 1–2 дней в году! Кроме того, этот период очень сложно предсказать и отследить, поэтому смотрителям зоопарков приходится всегда быть начеку.

Независимо от того, забеременела ли панда, после овуляции (т.е. выхода в половые пути яйцеклетки, которая ожидает оплодотворения сперматозоидом), поведение и гормональный статус у панды будет одинаков, что мешает определению удачности спаривания или искусственного оплодотворения. Панды в любом случае начинают больше спать, становятся чувствительны к шуму, но это может оказаться не беременность, а «псевдобеременность» (состояние, когда по физиологическим параметрам мы не можем отличить беременную самку от небеременной) [10]. Подготовка к зачатию у панды проходит практически как у человека. Ей требуется специальная диета, а момент овуляции отслеживается по уровню гормонов в моче. Дальше самка меняет свое поведение, трется о деревья, издает призывные крики, а в случае, если самец ей не понравится, то прогоняет его неприятными криками (послушать «речь» панд и прочитать о предполагаемом значении издаваемых звуков можно тут). Но несмотря на все сложности размножения панд, совместные усилия работников зоопарков и эмбриологов по «сватовству» пушистых пар приносят свои плоды. На свет все чаще и чаще появляются маленькие панды.

Естественное размножение — единственный способ увеличить численность?

В случае, если «сосватать» пару не получается, для панд активно применяют искусственную инсеминацию — одну из вспомогательных репродуктивных технологий, которая заключается во введении спермы в половые пути самки.

Вспомогательные репродуктивные технологии — это комплекс методов, осуществляемых вне организма, или как говорят, in vitro, позволяющих достигнуть дальнейшей беременности пациентки, а в нашем случае — самки панды. Такие технологии используются при бесплодии и могут быть довольно разнообразными.

Метод искусственной инсеминации, или, как его чаще зовут, ВМИ (внутриматочная искусственная инсеминация) очень удобен, поскольку можно использовать сперму высокопродуктивного самца. Кроме того, сперму можно заморозить и использовать спустя многие годы [11].

Метод, когда гаметы, клетки и ткани организма сохраняют долгое время в жидком азоте, называется биобанкинг. Этот подход имеет огромный потенциал в сохранении и селекции диких видов, находящихся под угрозой исчезновения. Сохраненные биологические образцы можно извлечь и использовать для различных вспомогательных репродуктивных технологий. Но для их эффективного применения весь комплекс, состоящий из зоопарков, заповедников, научных лабораторий и биобанков должен работать слаженно и точно.

Яркий пример — программа реинтродукции северного белого носорога (один из подвидов белого носорога, Ceratotherium simum ssp. Cottoni). На данный момент он внесен в список видов, находящихся под угрозой исчезновения Международным союзом охраны природы. Сейчас осталось только две особи северного белого носорога, и обе они — самки. Последний самец умер в 2018-м году. По сути, данный вид уже вымер. Но человечество стремится исправить свои ошибки и… для его повторного внедрения был создан международный научный консорциум.

Пару слов о самом носороге. Тривиальное название этого вида имеет интересную историю. В русском языке оно является дословным переводом с английского white rhinoceros, однако последнее возникло не из-за белого цвета животного, а в результате «трудностей перевода». Англичане заимствовали название из первых описаний, сделанных голландцами. Те называли носорога называли wijd (широкий), а на английский это ошибочно перевели как white (белый).

Вернемся к вопросам «воскрешения». В настоящее время в заповеднике Ol Pejeta в Кении проживают две последние в мире самки северного белого носорога: Наджин (30 лет) и Фату (19 лет). Возраст Наджин и патологические поражения репродуктивных путей Фату поставили под угрозу их естественную способность к размножению [12]. Чтобы спасти северных белых носорогов от вымирания, консорциум решил внедрить процедуры вспомогательных репродуктивных технологий, отработанных на более многочисленных южных белых носорогах, чтобы произвести жизнеспособное потомство от этих двух самок до того, как они станут слишком старыми [13]. Эмбрионы, полученные с помощью экстракорпорального оплодотворения (ЭКО; т.е. оплодотворения вне тела матери), кажутся единственным реалистичным способом получения потомства северных белых носорогов в ближайшее время.

ЭКО — это еще один способ репродуктивных технологий. В стандартном протоколе пациентке вводят гормоны, которые вызывают созревание сразу множества яйцеклеток. Далее к ним добавляются сперматозоиды, которые самостоятельно делают свое дело. Иногда, эмбриолог вручную делает ICSI (intracytoplasmic sperm injection — интрацитоплазматическая инъекция сперматозоида) — аккуратное введение отобранного сперматозоида прямо в яйцеклетку с помощью микроиглы. В результате есть вероятность получения множества здоровых эмбрионов, которые уже на 3–5 сутки можно перенести в матку матери для дальнейшего вынашивания.

Но в случае с северным белым носорогом осуществить это на практике оказалось непростой задачей. У обеих самок проблемы с тем, чтобы формировать свои собственные зрелые яйцеклетки, даже под действием ряда специальных половых гормонов, добавленных извне. Но в яичниках носорогов все еще находятся маленькие незрелые ооциты — предшественники яйцеклеток. Поэтому ученые из сферы репродуктивной биологии решили использовать модифицированный метод ЭКО, который называется IVM (in vitro maturation — созревание в пробирке) (рис. 6). Вначале необходимо получить как можно больше незрелых ооцитов. Для этого из ткани яичника самок северного белого носорога были отобраны незрелые ооциты, которые дальше в лабораторных условиях in vitro созревали до яйцеклеток в среде с добавлением гормонов.

Полученные ооциты были доставлены в Италию. Туда же транспортировали криоконсервированные сперматозоиды этого подвида носорогов из биобанка зоопарка Чешской Республики. Затем провели процедуру ИКСИ путем введения сперматозоида внутрь яйцеклетки, а полученные эмбрионы подвергли криоконсервации для дальнейшего «подсаживания» к суррогатным самкам южного белого носорога. Страшная правда в том, что каждый этап несет огромные потери: из 19-ти собранных незрелых яйцеклеток удалось получить только три жизнеспособных эмбриона (рис. 7) [14].

Носороги Фату и Наджин не способны сами выносить эмбрион, поэтому было необходимо прибегнуть к суррогатному материнству. Весь проект сопряжен с риском, поэтому, чтобы проверить саму возможность суррогатного материнства для носорога, эмбриологи получили бластоцисты южного белого носорога — это ранние стадии развития эмбрионов, которых они затем перенесли суррогатной матери того же подвида по имени Курра. Операцию провели в заповеднике Ol Pejeta в сентябре 2023 года. Для того, чтобы отследить время овуляции самки (т.е. самое удачное для подсадки эмбриона время), использовали стерильного самца по кличке Оуван. Такой метод позволяет исследователям понять лучшее время для переноса эмбриона без риска естественного зачатия, ведь отец стерилен, но при этом умеет лучше, чем человек, «чувствовать» удачное время для полового контакта с самкой. Томас Хильдебранд, руководитель проекта BioRescue, описал этот процесс как «неизведанную территорию», где процедуры, протоколы, методы и оборудование разработаны с нуля (рис. 8) [2].

К несчастью для проекта, Курра и Оуван были найдены мертвыми в ноябре того же года. Предполагается, что пара заболела из-за тяжелой бактериальной инфекции развившейся после чрезвычайно сильных дождей, затопивших вольер. Однако выяснилось, что Курра была беременна 70-дневным плодом мужского пола. Ткань, взятая у плода, подтвердила, что беременность наступила в результате переноса эмбриона.

Следующим шагом исследовательской программы будет имплантация эмбриона северного белого носорога к новой суррогатной матери южного белого носорога. Остается только затаить дыхание…

Заглянем в будущее

Из 23 пойманных в дикой природе особей северного белого носорога, содержавшихся в неволе с 1949 года, родилось всего шесть детенышей — один гибрид северного и южного подвидов, один мертворожденный, один самец и три самки. Наджин и Фату — одни из них. Все роды произошли в зоопарке Dvur Kralove в Чешской Республике от четырех особей-основателей. Ситуация удручающая, но ее улучшит применение репродуктивных технологий и суррогатное материнство, которые мы обсуждали выше. Но можем ли мы как-то исправить колоссальный эффект бутылочного горлышка, который будет неизбежен для данного подвида из-за малого числа родительских особей? Каковы будущие шаги по спасению северного белого носорога?

Для того, чтобы заглянуть в будущее, нам нужно вспомнить прошлое. Помните Нобелевскую премию по медицине 2012-го года? Ее получил Синъя Яманака за «разработку метода получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток». Достаточно сложная формулировка, давайте разберемся, что она означает. А означает она то, что человечество получило «молодильные яблочки» для клеток взрослого организма. Теперь зрелую клетку, с устоявшимся набором функций можно «сбросить до заводских настроек» и направить по новому пути развития. Например, омолодить клетки из криоконсервированной кожи носорога и направить их развитие по пути превращения в половые клетки. По всей видимости, будущее белых носорогов именно за этой технологией, поскольку образцов кожи сильно больше, чем криоконсервированных гамет.

В 2022-м году была опубликована работа, демонстрирующая подвижки в этой области. Из кожи северного белого носорога удалось получить клетки, похожие на половые [15]. Но насколько мы стали близки к африканским просторам, заселенными тысячами белых носорогов после этого достижения? Ответ зависит от того, удастся ли эти клетки превратить в фертильные (способные к формированию эмбриона) мужские и женские гаметы. Так что борьба за выживание северного белого носорога еще не окончена.

Заключение

Все мы хоть раз задумывались, а что, если бы не вымерли динозавры, на Земле остались мамонты, в воздухе летали гигантские насекомые юрского периода? К сожалению, пока воскресить этих животных мы не можем. Но это только пока. Сейчас мы уже смогли предотвратить исчезновение больших панд, скоро восстановим популяцию северного белого носорога. Мы уже умеем замораживать и размораживать гаметы и эмбрионы, а получение искусственных половых клеток из замороженной кожи совсем не за горами. Так давайте снова зададим вопрос «А что, если?...». А что, если мы найдем замороженные ткани вымерших животных? А что, если эти клетки получится разморозить живыми? А что, если мы сможем спасти тех, кого нет? Полет Гагарина стал символом освоения космоса, возможно спасение северного белого носорога от вымирания станет символом для сохранения исчезающих, и «воскрешения» вымерших видов.

Литература

1. Barresi M.J.F., Gilbert S.F. Developmental Biology (12th Edition). Oxford: Oxford University Press, 2020. — 792 p.;
2. Brahmasani S.R., Sontakke S., Ghosh S., Mallapur G., Yadav S., Vasudevan K. An Introduction to Genetic Resource Banks for Wildlife Conservation. Hyderabad: Laboratory for the Conservation of Endangered Species, 2021. — 64 p.;
3. Бесплодие. (2024). Всемирная организация здравоохранения;
4. Croke V. The Lady and the Panda: The True Adventures of the First American Explorer to Bring Back China's Most Exotic Animal. NY: Random House, 2005. — 400 p.;
5. LIFE. Vol. 10, No. 26. NY: Time Inc, 1941. — 55–56 pp.;
6. Smith A.T., Xie Y., Hoffmann R.S., Lunde D., MacKinnon J., Wilson D.E. et al. A Guide to the Mammals of China. New Jersey: Princeton University Press, 2010. — 576 p.;
7. Hediger H. Wild Animals in Captivity. Oxford: Butterworth–Heinemann, 1950. — 218 p.;
8. Meghan S. Martin-Wintle, David Shepherdson, Guiquan Zhang, Hemin Zhang, Desheng Li, et. al. (2015). Free mate choice enhances conservation breeding in the endangered giant panda. Nat Commun. 6;
9. Meghan S. Martin-Wintle, David Shepherdson, Guiquan Zhang, Yan Huang, Bo Luo, Ronald R. Swaisgood. (2017). Do opposites attract? Effects of personality matching in breeding pairs of captive giant pandas on reproductive success. Biological Conservation. 207, 27-37;
10. Kirsten S. Wilson, Jella Wauters, Iain Valentine, Alan McNeilly, Simon Girling, et. al. (2019). Urinary estrogens as a non-invasive biomarker of viable pregnancy in the giant panda (Ailuropoda melanoleuca). Sci Rep. 9;
11. Yan Huang, Desheng Li, Yingmin Zhou, Qiang Zhou, Rengui Li, et. al. (2012). Factors Affecting the Outcome of Artificial Insemination Using Cryopreserved Spermatozoa in the Giant Panda (Ailuropoda melanoleuca). Zoo Biology. 31, 561-573;
12. IUCN Ceratotherium simum ssp. cottoni: Emslie, R. — IUCN;
13. Thomas B. Hildebrandt, Robert Hermes, Silvia Colleoni, Sebastian Diecke, Susanne Holtze, et. al. (2018). Embryos and embryonic stem cells from the white rhinoceros. Nat Commun. 9;
14. Thomas Bernd Hildebrandt, Susanne Holtze, Silvia Colleoni, Robert Hermes, Jan Stejskal, et. al. (2023). In vitro fertilization program in white rhinoceros. Reproduction. 166, 383-399;
15. Masafumi Hayashi, Vera Zywitza, Yuki Naitou, Nobuhiko Hamazaki, Frank Goeritz, et. al. (2022). Robust induction of primordial germ cells of white rhinoceros on the brink of extinction. Sci. Adv. 8.