Конкурс «био/мол/текст»-2018

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2018.

---

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.

---

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

В следующий раз, когда вам будут заливать о непорочном зачатии, не поддавайтесь обману и не верьте... или верьте? Ведь в биологии много увлекательнейших примеров партеногенеза (нормального развития организмов из неоплодотворенных яиц). Страшно подумать: десятки видов позвоночных и сотни беспозвоночных пользуются им самым (и очень по-разному)! Но нам тут скучно по-школярски просто называть этот термин, поэтому давайте обсудим подробнее.

Очень уж хочу начать с любимого случая, который и вдохновил меня на копание в этой теме. Короче говоря, у нас первый гость.

Замечательное начало

Смотрите, какая милая девчоночка — серебристая амбистома (рис. 1) (амбистомы — такой симпатичный род саламандр, то есть амфибий). Так, стоп, почему я так уверен, что это «она», а не «он», и что на второй фотке (рис. 2) не «влюбленная» гетеро-парочка?

Да ведь все они — самки (да здравствует феминизм)! И (вернее, потому что) партеногенетики. Ну, не совсем привычные нам. В общем, судите сами...

Самки, потому что пол детерминирован генетически, а у партеногенетиков хромосомы потомкам передаются от женских особей. Подробнее об этом и других способах определения пола можно узнать из первой части статьи «Могут ли условия жизни птиц влиять на пол потомства?» [14] (еще ее можно продолжить читать и в итоге узнать много интересного о гендерах птиц). А в материале «Тайна зеленой черепахи: высокая температура делает черепах самками» [15] подробненько раскрывается вопрос детерминации пола условиями окружающей среды.

Обычно у сперматозоида две важные функции: он передает свой генетический материал и запускает развитие яйца, а значит, и дробление. Эти же девчонки могут похвастаться тем, что первая функция им без надобности: они сами производят яйцеклетки с полным диплоидным набором хромосомом (хотя обычно две гаметы объединяют свои гаплоидные наборы в диплоидный). Но вот облом: без сперматозоида активировать метаболизм совсем не выходит. Проблема: сперматозоид нужен, а сперматозоида нет... Ой, подождите же, есть!

И наши серебристые красотки коварно используют в своих целях сперматозоиды самцов амбистом Джефферсона (рис. 3) — они бисексуальные (это не то, о чем вы подумали, а наличие в виде обоих полов и всё вытекающее из этого — в общем, классика) [1].

Называется это гиногенезом (как вы поняли, это такой партеногенез, зависящий от спермы), и для меня он — самая забавная разновидность. Его сегодня и изучим. К слову, если взглянуть глобально, такая стратегия — пример клептогенеза (грубо говоря, воровства в биологическом смысле), то есть развития за счет пользования чем-либо «чужим».

Каково любить бисексуала

А теперь давайте обсудим милейшее исследование 2017 года [2]. Из него можно узнать о тоже однополой синепятнистой саламандре (рис. 4) (Ambystoma laterale), яйца которой так же не начнут развиваться без участия сперматозоидов той же амбистомы Джефферсона (везде ж успевает!). Причем эти синепятнистые очень избирательны в плане «донорства» спермы. По крайней мере, подмогой мужских гамет пятнистой саламандры (A. maculatum из того же рода на рис. 5) не пользуются категорически, даже когда они имеются в избытке, а амбистомы Джефферсона вообще отсутствуют. И в итоге в таких ситуациях понемногу вымирают.

И вот он — момент, когда воображение рисует сказочную love-story! Скажем, столько-то тысяч лет назад у A. laterale и A. jeffersonianum был условный общий предок, и вот что, по версии больного мозга, тогда произошло.

Но, как бы мне ни хотелось закончить на этом, сделать так было бы крайне неосмотрительно. И вот почему...

Разбираем древнейший беспредел

Все преображается, когда вы узнаёте реальную историю амбистом. Ведь, на самом деле, я немного слукавил. Популяции вида Ambystoma laterale обычные бисексуальные: есть и самки, и самцы. Но кто тогда партеногенетики?

В районе Великих Озер давным-давно процветают группы однополых и обычно полиплоидных гибридов между разными видами амбистом (рис. 6). И «давным-давно» — это вовсе не преувеличение. Они — самые древние однополые позвоночные: плодятся уже как пять миллионов лет (к примеру, род Homo появился раза в два позже — выкуси, человечишко)! Но давайте разбираться, как вообще у них происходит гиногенез [3].

Представим триплоидный гибрид A. laterale и A. jeffersonianum: пусть он имеет один хромосомный набор от A. laterale (обозначают его буквой L) и два от A. jeffersonianum (J соответственно). Тогда очевидно, что геном гибрида — LJJ (и понятно, что геномы тех двух видов: LL и JJ).

И вот отложит такая триплоидная дама свои яйца с этим же не прошедшим редукцию триплоидным набором хромосом LJJ. Но здесь все грязнее, чем у серебристой, ведь активировать развитие ее яиц могут сперматозоиды далеко не одного вида... А самцов целых пяти бисексуальных видов рода Ambystoma (но обычно этим занимаются A. laterale или A. jeffersonianum): новые для нас A. texanum (геном TT), A. tigrinum (геном TiTi), A. barbouri, ну и те два (рис. 7).

Ну и дальше все привычно — запуск развития яйца без оплодотворения.

Но иногда случается и оно! С повышением температуры среды, в которой находится яйцо [4]. Выходит, ситуация такая: видимо, мембраны сперматозоида и яйцеклетки в гиногенезе этих гибридов часто сливаются, и пронуклеус сперматозоида попадает в цитоплазму яйца; генетический же материал иногда может тоже объединиться, и индуцируется это элементарно более теплой погодой. Кстати, если сперматозоид самца A. laterale (то есть с гаплоидным L) и его пронуклеус таки сливается с пронуклеусом яйца (LJJ), то выходит организм с геномом LLJJ — тетраплоидный! Да, такие гибриды взаправду есть.

Ну и сочетания: LT, LTT, LJJT, LLTT, LTTT, LJJTi, LTTi, LTTTi... и еще с десяток–два подобных вариантов. Встречаются даже пентаплоидные (с пятью наборами хромосом)! И на филогенетическом древе разные гибриды вон сколько веточек заняли (рис. 8).

Если заметили, все группы однополых гибридов имеют хотя бы один хромосомный набор от A. laterale (все остальное может варьировать). И, чего таить, эти дамы очень умно устроились. Ведь если амбистома — самка одного из тех четырех бисексуальных видов, то ее яйца будут оплодотворяться самцами лишь своего вида, а значит, только на территории их обитания. А вот самка-гибрид может плодиться на площади, включающей в себя места обитания всех тех амбистом! (Надо сказать, ареалы проживания этих пяти видов обычно не совпадают или же перекрываются только немного.)

И здесь я должен снова уточнить. Дело в том, что амбистома, пережив зиму в каком-нибудь леске, по весне возвращается для размножения к одному и тому же водоему (в котором появилась на свет). Где бы она ни пробыла лето, будущей весной будет искать партнера на старом месте! И ради этого готова совершать непростые миграции.

Кажется, наступил момент, очень подходящий для возвращения в северную страну и освежения истории «любви» местных гибридов и амбистом Джефферсона.

Экологи снова паникуют

Если на территории США все наши амбистомы Джефферсона счастливо живут и плодятся, то в Канаде что-то с ними неладно: они даже занесены в ее Красную книгу (как исчезающий вид) [5]. Ну и понятно: раз у единственного на этой территории «донора» спермы some problems, то для гибридных групп, нуждающихся в ней, всё тоже не слишком радужно.

Так вот, ученые ковырялись на берегу аккуратно отмеченного на схемке (рис. 9) озерца — единственного в этой группе водоемов, где за последние годы наблюдений были замечены в сезон размножения A. jeffersonianum. Ну, масштабно так ковырялись: построили целое специальное ограждение и ловушки по всему периметру (рис. 10). А вообще, очень занятно читать греющие сердце описания всех особенностей методов гуманнейших поимки и исследования амбистом: для них даже специальная безвредная флюоресцентная краска и методика ее нанесения на тела есть, ловушки делают такими, чтобы пойманную амфибию никакой хищник не сожрал, готовят специальные анестезирующие ванночки...

Но тут я вынужден перейти к печальному: исследователи ни одной амбистомы Джефферсона (которые нужны для размножения) не обнаружили (в 2015 году). И спермы самцов этого вида — тоже (угу, они ковырялись в клоаках выборки пойманных гибридных самок на случай, если кого-то упустили). Это грустненько, поскольку можно уверенно сказать: бóльшая часть мигрирующих в сезон размножения амбистом в буквальном смысле прошла через их руки.

Ну а заговорил я об этом не просто так, ведь речь идет о гиногенезе. Мы обсудим экологические аспекты ниже, а сейчас важно иное. Раньше было выведено логичное, казалось бы, правило: если такой гибридный однополый организм здесь есть, то и тот, что обеспечивает его спермой, тоже проживает. Но уже несколько лет как амбистомы Джефферсона почти или полностью исчезли с этих территорий (данные на 2015 год). В то же время любой герпетолог, придя к этому водоему в апреле 2015 и хорошо покопавшись в нем, мог найти полиплоидного гибрида. Пусть за эти годы их численность страшно упала, тем не менее, они там еще есть (а «доноров» спермы нет). Значит, этот принцип, в котором наши однополые животные играют роль индикатора, работает не всегда. И это один из главных выводов исследования, касающийся экологии.

Ну а я уже привязался к девочкам-гибридам с их хитрой стратегией. К чести самцов тех бисексуальных видов надо сказать, что они не просто готовы залезть на любую саламандру, когда половые гормоны бьют в голову. Видимо, в течение этих миллионов лет они понемногу учились различать своих и не своих самок [6]. Но стоит заметить, что гибриды — с геномами LJJ, LLJ, LJJJ, LLJJ, LLJJJ (это только определенные исследователями в 2017-м [2]) — имеют габитус (внешний облик) средненький между двумя и без того весьма схожими видами (рис. 11).

«It is dark, brownish-grey salamander with small, pale blue flecks on the limbs and lower sides» — это формальное описание окраски амбистомы Джефферсона, и по нему особенно сильно очевидно, насколько она схожа с синепятнистой по внешнему облику (даже пятнышки синие тоже есть!) [5].

А наши гибридные дамы тоже не отставали — «выдумали» всякие хитрости на сезон размножения. Надо понимать, что есть некий основной промежуток времени, и в течение какого-то его куска амбистома будет ползать, ожидая принца или отыскивая принцессу, затем, если мама, отложит яйца и свалит. А теперь о хитростях. Чтобы понимать, чем они отличаются от стратегии обычной амбистомы, сравниваем гибридов с бисексуальным видом пятнистой саламандры, которые исследовались параллельно с партеногенетиками в это же время и этом же месте. В этой связи давайте предположим, что тоже бисексуальные амбистомы Джефферсона вели себя примерно так же.

Во-первых, гибридные самки околачиваются у водоема в ожидании «доноров» дольше, чем их конкурентки бисексуальных видов: в среднем примерно 10 дней против 6,5.

Во-вторых, как видите по схеме (рис. 12), они частично расходятся по времени. Заметно, что многие наши однополые стараются не упускать именно то время, когда пятнистые самки уже свалили, а самцы еще оголтело ищут, в кого бы еще кончить.

А еще многие однополые гибридные самки любят возвращаться к водоему: целых пять из них были пойманы учеными более одного раза, но ни одна пятнистая не появлялась там повторно.

Но это всё не помогает, A. jeffersonianum не феникс — возрождаться не собирается. А с пятнистыми парнями вообще ничего не выходит: исследователи неоднократно пробовали искусственно в лаборатории оплодотворить яйца их сперматозоидами, но на этом надежда оборвалась: хоть малое число таких начинало развиваться, они подыхали на ранних стадиях. Если добавить сюда отсутствие у пятнистых самцов острого желания соития с загадочной гибридной дамой (ну сами видели, что их по окраске отличить от пятнистых легко), то все становится еще грустнее.

Можно лелеять надежду, что единицы амбистом Джефферсона все-таки проползали в паре метров от исследователей, когда те чинили ограду, кое-где поломанную бурей (этот инцидент описан в статье). Особенно если учитывать, что в такую дождливую погоду амбистомы обычно и добираются до своих родных болотец. Но факт остается фактом: за последние шесть лет численность местных гиногибридов упала более чем вдвое! Возраст их не определяют, поэтому выяснить, есть ли среди них хотя бы одна молодая девочка или все они превратятся в детрит уже через пару лет (если считать от 2015, то уже сейчас), не получится.

Эффект Клэнтона, ты не прав

На какой-то территории по неким причинам вымирает популяция амбистомы Джефферсона. Ну какой эколог не бросится спасать бедных животных?! Меня не перестает забавлять, что до этих умилительных ребят никак не доходит: исчезновение видов и появление новых, разрушение экосистем и возникновение на их месте других — абсолютно нормальные процессы, которые происходили раньше и будут дальше протекать в природе (очевидно, что я сейчас не об изменениях, которые вызываются разрушительным действием человека на окружающую среду).

Как найти виноватого? Элементарно. Замечательный ученый Уэсли Клэнтон, вообще доказавший однополость и партеногенез гибридных амбистом (рис. 13), придумал одну гипотетическую модель. Согласно ей, в некоторый момент партеногенетики станут так сильно конкурентно вытеснять гетеросамок, что их бисексуальный вид тихонько вымрет (ну не любят женщины, когда их обделяют вниманием). Ну а, как следствие, — исчезновение партеногенетиков, зависящих от спермы сдохнувших самцов (короче, не плюй в колодец). Это и зовут эффектом Клэнтона [8].

Но так не работает. Хотя бы потому, что такая система устойчива во многих других местах да и вообще процветает уже как пять миллионов лет. К этому можно добавить, что самцы-амбистомы и так производят спермы больше, чем необходимо их боевым подругам. А в условиях, когда рядом есть заманчивые перспективы (передачи своих генов большему числу амбистом) в виде любезных самочек-партеногенетиков, вообще вырабатывают этой спермы в два раза больше обычного [9]! Короче говоря, замечательные гибриды в исчезновении амбистом Джефферсона не виноваты.

А теперь постоянная рубрика «НИНАЮ». Потому что никто не может уверенно говорить о конкретной причине вымирания A. jeffersonianum в этом месте. Фермеров вокруг куча, но, вроде, они достаточно осторожны, чтобы не навредить амбистомкам. Качество вод сельским хозяйством (стоками с полей) изменено незначительно, эти фермеры уверяют: мол, ничего не разрушали и никому не вредили. Было бы странным всецело верить их словам, но зато есть старые аэроснимки, по которым очевидно, что за последний век здесь масштабы земледелия не менялись.

На схеме местности (рис. 9) вы могли заметить, что группу водоемов разъединяет автомобильная дорога. Возможно, путешествуя вне сезона размножения по лесам и озерам, многие амбистомы умирали под колесами. В итоге из-за малого их числа они и могли вымереть (то самое снижение генетического разнообразия). Но ведь пятнистые как-то с этой трассой живут.

Думаю, что здесь, как часто бывает, происходит совпадение нескольких неприятных факторов. Например, в момент нестабильности из-за чего-то нехорошего окончательно подкосить амбистом Джефферсона мог тот же самый эффект Клэнтона.

В общем, видимо, вымирают амбистомы Джефферсона в этих местах по неким внутренним естественным причинам. И это нормально: попытки вернуть их туда будут глупыми хотя бы потому, что, скорее всего, это не удастся (новые пострадают от тех же причин). Да и не нужно.

Ну и зачем этот гиногенез?

И вправду. Кажется, понятно: обычный партеногенез без сперматозоидов позволяет быстро увеличивать число потомков и быть сильной независимой женщиной. Но гиногенез — та же зависимость от мужиков. Предполагают, что это может быть переходной стадией к привычному нам партеногенезу. Но мне кажется, что на это все остальные позвоночные-партеногенетики дружно и изумленно возразят: «Вы чем обкурились, мы тут за сотни (а кто и за десятки) тысяч лет доперли до нормального партеногенеза, а амбистомы, живущие так миллионы лет, — нет?». И я не смогу не согласиться с ними.

К примеру, тот симпатяга-геккон (рис. 14) обрел способность к партеногенезу в течение последних 300 тысяч (то бишь, скорее всего, еще позже) [10]. Так что, с моей точки зрения, возмутившиеся животные будут правы. Сложив два и два — самых древних позвоночных партеногенетиков амбистом и значительно более «юных» позвоночных с нормальным партеногенезом, — получим четыре: скорее всего, предположение о переходности этой стадии — ошибочное да еще и глупое (что гораздо хуже).

Но вынужден сообщить, что в публикации 1978 года подтвердили эту гипотезу: сказали, что на исследованном в озере Эри северном острове Басса (рис. 15) триплоидные самки (гибриды A. laterale c A. texanum) размножаются обычным партеногенезом. Ученые, обследовав остров, не обнаружили самцов и, основываясь на данном наблюдении, сделали такой вывод [11]. Ведь плевать же, что из ненахождения самцов настолько же хорошее доказательство, как из меня — баскетболист.

Но только позже (лишь в 2003-м) Джим Богарт (автор и обсуждаемой нами статьи 2017 года!) опроверг эту ерунду. Элементарно найдя сперматозоиды в клоаке гибридной самки этого острова [12]. Ага, вот так просто. «Да прибудет с нами наука» — скажем, отметя глупую версию о переходности гиногенеза.

Так зачем же он? Точного ответа нет. Одно можно сказать наверняка: полиплоидизация помогает выживать. Особенно когда у организма припасены гены от разных видов. Образно говоря, больше планов на случай какой-нибудь катастрофы. Видимо, это дает настолько более широкие возможности, что «перевешивает» проблемы, связанные с отсутствием рекомбинации («перемешивания» генов), которую обеспечивает обычный sex.

К слову, ненадуманность этой проблемы была снова подтверждена исследованием 2018 года, в котором сопоставляли линии асексуальных и обычных палочников (рис. 16). Доказали (пусть и очевидное), что отсутствие рекомбинации ведет к снижению полиморфизма (разнообразия), ускорению накопления вредных мутаций и другим гадким последствиям [13].

Просто обычно гибриды между разными видами позвоночных не выживают, поэтому мне нравится считать это свойство амбистом волшебным даром. А еще, уверен, это и появлялось случайно. Мало ли у кого с кем не выходило, а когда-то у каких-то амбистом-предков получилось такое чудо. Ну, не у одной пары, конечно же: ведь набор L, опять же, встречается в комбинациях с кучей разных вариантов.

Тут мне остается лишь предположить, что у A. laterale есть какой-нибудь фантастический, скажем условно, ген, который позволяет межвидовым гибридам выживать и удивлять нас. Хочу, чтобы, когда его откроют, назвали как-нибудь идейно и клево. Например, BSR (от breaking stupid rules).

Первая версия этой статьи опубликована в блоге автора в «ВК».

Литература

1. Thomas M. Uzzell. (1964). Relations of the Diploid and Triploid Species of the Ambystoma jeffersonianum Complex (Amphibia, Caudata). Copeia. 1964, 257;
2. Bogart J.P., Linton J.E., Sandilands A. (2017). A population in limbo: unisexual salamanders (genus Ambystoma) decline without sperm-donating species. Herpetol. Conserv. Biol. 12, 41–55;
3. Ke Bi, James P Bogart. (2010). Time and time again: unisexual salamanders (genus Ambystoma) are the oldest unisexual vertebrates. BMC Evol Biol. 10, 238;
4. J. Bogart, R. Elinson, L. Licht. (1989). Temperature and sperm incorporation in polyploid salamanders. Science. 246, 1032-1034;
5. Jefferson salamander (Ambystoma jeffersonianum): COSEWIC assessment and status report 2010. (2010). COSEWIC;
6. Ellen M. Dawley, Robert M. Dawley. (1986). Species Discrimination by Chemical Cues in a Unisexual-Bisexual Complex of Salamanders. Journal of Herpetology. 20, 114;
7. J P Bogart, J Bartoszek, D W A Noble, K Bi. (2009). Sex in unisexual salamanders: discovery of a new sperm donor with ancient affinities. Heredity. 103, 483-493;
8. Clanton W. (1934). An unusual situation in the salamander Ambystoma jeffersonianum (Green). Occasional papers. 290, 1–14;
9. Thomas Uzzell. (1969). Notes on Spermatophore Production by Salamanders of the Ambystoma jeffersonianum Complex. Copeia. 1969, 602;
10. M. K. Fujita, J. L. Boore, C. Moritz. (2007). Multiple Origins and Rapid Evolution of Duplicated Mitochondrial Genes in Parthenogenetic Geckos (Heteronotia binoei; Squamata, Gekkonidae). Molecular Biology and Evolution. 24, 2775-2786;
11. Downs F.L. (1978). Unisexual Ambystoma from the Bass Islands of Lake Erie. Occasional Papers. 685, 36;
12. Bogart J.P. (2003). Genetics and systematics of hybrid species. In: Reproductive Biology and Phylogeny of Urodela, volume 1 / ed. by Sever D.M. New Hampshire: M/s Science, 2003. P. 109–134;
13. Jens Bast, Darren J Parker, Zoé Dumas, Kirsten M Jalvingh, Patrick Tran Van, et. al.. (2018). Consequences of Asexuality in Natural Populations: Insights from Stick Insects. Molecular Biology and Evolution. 35, 1668-1677;
14. Могут ли условия жизни птиц влиять на пол потомства?;
15. Тайна зеленой черепахи: высокая температура делает черепах самками.