Бактерии управляют половым размножением насекомыхИ

Партеногенез

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Партеногенез (от греч. παρθενος — девственница и γενεσις — рождение) — девственное размножение, одна из форм полового размножения организмов, при которой женские половые клетки (яйцеклетки) развиваются без оплодотворения. Партеногенез — половое, но однополое размножение — возник в процессе эволюции организмов у раздельнополых форм. В тех случаях, когда партеногенетические виды представлены (всегда или периодически) только самками, одно из главных биологических преимуществ партеногенеза заключается в ускорении темпа размножения вида, так как все особи подобных видов способны оставить потомство. В тех случаях, когда из оплодотворённых яйцеклеток развиваются самки, а из неоплодотворённых — самцы, партеногенез способствует регулированию численных соотношений полов (например, у пчёл). Часто партеногенетические виды и расы являются полиплоидными и возникают в результате отдалённой гибридизации, обнаруживая в связи с этим гетерозис и высокую жизнеспособность. Партеногенез следует отличать от бесполого размножения, которое осуществляется всегда при помощи соматических органов и клеток (размножение делением, почкованием и т.п.). Различают партеногенез естественный — нормальный способ размножения некоторых организмов в природе и искусственный, вызываемый экспериментально действием разных раздражителей на неоплодотворённую яйцеклетку, в норме нуждающуюся в оплодотворении.

Бактерии управляют половым размножением насекомыхИ.А.Захаров

Опубликовано в журнале "Природа", N 5, 1999 г. Содержание

Об авторе

Илья Артемьевич Захаров, доктор биологических наук, заместитель директора Института общей генетики им.Н.И.Вавилова РАН. Основные труды посвящены генетике микроорганизмов, цитоплазматической наследственности, мутационному процессу, а также истории науки. В 1999 г. опубликовал книгу "Краткие очерки истории генетики". Статьи И.А.Захарова печатались в журнале "Природа": "Генетики и эволюционисты - Ю.А.Филипченко и Н.И.Вавилов" (1982. N 6), "Генетическая гомология - от Вавилова до эпохи генной инженерии (1987. N 10), "Красное и черное" (1992. N 5).

Введение

У самых разных животных пол обусловлен генетически: системой половых хромосом, при которой самка обладает двумя Х-хромосомами, а самец - X- и Y-хромосомами. Именно так происходит и у млекопитающих, в том числе у человека, и у двукрылых насекомых (многих мух и комаров). Среди насекомых наряду с этим механизмом известны и другие способы выбора пола: у бабочек две одинаковые половые хромосомы имеет самец, а не самка; у комнатной мухи и комара-пискуна пол определяется не хромосомным набором, а одним геном; у перепончатокрылых организмы женского и мужского пола могут отличаться плоидностью, т.е. числом хромосом. К тому же многие насекомые из самых разных отрядов способны размножаться без оплодотворения (партеногенез). В ряде случаев биологи научились управлять половым размножением некоторых насекомых. Впечатляющие успехи были достигнуты отечественными генетиками Б.Л.Астауровым и В.А.Струнниковым1. Используя повышенную температуру и ионизирующую радиацию, они смогли регулировать размножение тутового шелкопряда: получать партеногенетическое потомство от неоплодотворенных самок или же бабочек отцовского происхождения из яйцеклеток с инактивированным ядром.

Последние 10 лет принесли биологам новые и достаточно неожиданные наблюдения. Оказалось, что внутриклеточные симбиотические (или паразитические?) бактерии, живущие в цитоплазме различных видов насекомых, манипулируют половым размножением своего хозяина.

Цитоплазматические бактерии

В клетках многих насекомых, обычно в цитоплазме, под микроскопом обнаружены бактерии, которые не живут на искусственных средах. Своим хозяевам вреда, по крайней мере значительного, они не приносят, а для некоторых видов, напротив, просто необходимы. Однако такие бактериальные симбионты могут быть опаснейшими паразитами для теплокровных животных. Наиболее известна риккетсия (Rickettsia typhi), живущая в цитоплазме клеток вшей; попадая в организм человека, она вызывает сыпной тиф.

Увидеть цитоплазматические бактерии в клетках хозяина можно в электронном микроскопе. Их можно обнаружить и с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) - наиболее мощного метода современной молекулярной биологии. Специфические для бактерий участки генома (обычно это фрагменты гена, кодирующего рибосомальную РНК) многократно умножают, амплифицируют. Затем проводят биохимический анализ и определяют последовательность нуклеиновых оснований, что позволяет выяснить таксономическую принадлежность микроорганизма. Оказалось, что большинство цитоплазматических бактерий, влияющих на половое размножение насекомых, принадлежит к двум неродственным группам: риккетсиям и близким к ним видам (эти бактерии обычно имеют палочковидную или округлую форму) и спироплазмам, лишенным оболочки бактериям, разнообразной морфологии, нередко принимающим спиралевидную форму.

Такие цитоплазматические бактерии выработали своеобразный способ существования в популяциях насекомых. Это - передача бактерий от зараженной матери через яйцо ее потомкам, т.е. трансовариальная передача. Наличие бактерий в клетке как бы наследуется, но это не настоящая, генная, наследственность, а некий "парагенетический" феномен, обусловленный попаданием при делении многочисленных бактерий в каждую из дочерних клеток.

В отличие от переноса тем или иным способом паразитов между неродственными ("горизонтальная" передача) организмами трансовариальная передача называется "вертикальной", так как бактерии передаются потомству от самки. Поскольку в мелких мужских гаметах почти нет цитоплазмы, то у большинства животных цитоплазматические бактерии от отца не передаются: они обречены на гибель со смертью своего хозяина. Это значит, что мужской пол "не перспективен", и не удивительно, что в ходе эволюции цитоплазматические бактерии выработали различные способы уменьшить в потомстве зараженных самок долю самцов.

У ряда насекомых и некоторых ракообразных нормальный ход полового размножения нарушается вследствие заражения цитоплазматическими бактериями. Обычно этот факт устанавливают, скармливая хозяину антибиотики. Так, добавление в пищу тетрациклина нередко сильно меняет характер размножения насекомых.

Известны разные типы отклонений от нормального полового размножения: цитоплазматическая несовместимость, феминизация, партеногенез и андроцид (см. табл.).

Таблица

Модификации полового размножения под влиянием цитоплазматических симбионтов у членистоногих

Модификация полового размножения Хозяин: вид (систематическое положение) Симбионт: Цитоплазматическая бактерия

Culex pipiens (двукрылые) Wolbachia pipientis

Ephestia cautella (чешуекрылые) Wolbachia sp.

Цитоплазматическая несовместимость Nasonia vitripennis (перепончатокрылые) то же

Tribolium confusum (жесткокрылые) то же

Феминизация Armadillidium vulgare (равноногие ракообразные) то же

Партеногенез Trichogramma sp.(перепончатокрылые) то же

Drosophila willistoni (двукрылые) Spiroplasma sp.

Андроцид Nasonia vitripennis (перепончатокрылые) Androcidium nasoniae

Adalia bipunctata (жесткокрылые) Rickettsia sp.

При цитоплазматической несовместимости потомство получается только тогда, когда и самец, и самка инфицированы одним и тем же штаммом бактерий. Так, если разные популяции комаров вида Culex pipiens заражены разными штаммами бактерий, скрещивания между ними бесплодны. Такой же результат получается, когда "излеченная" от бактерий самка спаривается с инфицированным самцом - отложенные яйца не развиваются.

Интересно, что цитоплазматическую несовместимость у комаров попытались использовать как орудие в борьбе с этим вредным насекомым. Самцы из иноземной популяции, выпущенные в природу, подавляли размножение: спарившиеся с ними самки откладывали не способные к развитию яйца. Хотя полученные результаты перспективны, но до широкого применения этого метода еще далеко.

Явление феминизации описано у наземных ракообразных мокриц. В норме пол у этих членистоногих определяется системой половых хромосом. Зараженная бактериями самка откладывает яйца, из которых выходят только самки. Происходит "переопределение" пола, т.е. генотипические самцы превращаются в самок. У нескольких видов перепончатокрылых заражение цитоплазматическими бактериями приводит к партеногенезу - бесполому размножению. Из неоплодотворенных яиц выходят исключительно самки, также оставляющие женское потомство без участия самцов.

В случае андроцида все потомство тоже оказывается женским, однако происходит это в результате гибели зародышей с мужским набором хромосом (XY).

Рис.1. Схема различных модификаций полового размножения, вызываемых цитоплазматическими бактериями. Значки, обозначающие самцов и самок, зачернены в тех случаях, когда данная особь заражена цитоплазматическими бактериями.

1Подробнее см.: Астауров Б.Л. Партеногенез и полиплоидия в эволюции животных // Природа. 1971. N 6. С.20-29; Астауров Б.Л. Перспективы управления полом // Природа. 1972. N 6. С.16-24; N 7. С.48-57; Струнников В.А. Регуляция пола в практическом шелководстве // Природа. 1972. N 7. С.36-47; Струнников В.А., Терская Е.Р. Мейотический партеногенез у тутового шелкопряда и проблемы генетики и селекции // Природа. 1977. N 1. С.57-71.

Назад | Вперед

Журнал Природа

Написать комментарий

Материал, размещенный на форуме, В Пятибратом

http://www.glubinnaya.info/modules.php?name=Forums&file=viewtopic&t=14

Александр Шпаков

Кандидат биологических наук

Возможно ли непорочное зачатие ?

– Да, возможно, – считает наш автор

– и в основе его лежат вовсе

не сверхъестественные силы,

а обыкновенные бактерии.

Чудеса и приключения. № 9.02

Несколько лет назад американские врачи зафиксировали: ребенка родила девственница. Сначала медики отнеслись к этому сообщению скептически. Но вскоре стали известны несколько десятков документально подтвержденных случаев непорочного зачатия. Сценарий везде был одинаковый. Неоплодотворенная женская яйцеклетка неожиданно по совершенно непонятным причинам начинала развиваться, превращаясь в полноценного эмбриона, а спустя положенный срок на свет появлялся здоровый ребёнок. Рождались исключительно девочки, что совершенно естественно при бесполом способе размножения, называемом генетическим партеногенезом. В принципе в природе партеногенез не редкость. Он – норма для некоторых низших животных – насекомых и червей. Однако до недавнего времени считалось: у млекопитающих, в том числе у человека, возможность однополого размножения абсолютно исключена. Между тем, как показали наблюдения последних лет, хоть и редко, но это явление встречается и у людей. Однако объяснить его сущность учёные пока не могут. В медицинской литературе можно найти немало упоминаний о том, что женщина беременела при отсутствии нормального полового акта с мужчиной. Как правило, медики пытались объяснить это уникальной живучестью сперматозоидов.

Например, причиной довольно частых случаев беременности лесбиянок считали попадание в их половые пути сперматозоидов, чудесным образом сохранившихся во влагалище их сексуальных партнёрш, имевших до этого связь с мужчинами. Если же забеременевшая была нормальной сексуальной ориентации, а её партнёр во время контакта пользовался нормальным презервативом, то во всём обвиняли мужские половые клетки, которые будто бы много дней или даже недель плутали в её репродуктивной системе, а потом мистическим образом объявлялись. Всё это кажется нубедительным, особенно в свете остро стоящей сегодня проблемы мужского бесплодия. Ведь даже незначительное снижение количества активных сперматозоидов в семенной жидкости приводит к этому заболеванию. Да и их живучесть не так велика, как принято думать, и ограничивается тремя-четырьмя днями.

После того, как были зафиксированы случаи непорочного зачатия, медики взялись за изучение его причин. Они установили: наиболее часто оно происходит у женщин, страдающих инфекционными заболеваниями. Было высказано предположение, что какие-то виды бактерий, проникнув в организм девственницы, могут стимулировать неоплодотворённую яйцеклетку к развитию в зародыш. В ответ Федеральный Центр по контролю за заболеваниями в Атланте назвал такое объяснение несерьёзным. Однако при внимательном изучении выясняется, что это далеко не так. В мире беспозвоночных животных бактерии играют немалую роль в выборе способа размножения. Самая известная из таких тварей – вольбахия. По современным данным, эта бактерия живёт в организмах примерно 5 миллионов видов насекомых – это почти половина от всего их количества. На её совести лежит вся ответственность за их бесполое размножение путём партеногенеза, поскольку именно она заставляет неоплодотворённые яйца приступать к делению.

Этим уникальность вольбахии не исчерпывается. Она по своей натуре – закоренелая феминистка, избирательно уничтожающая всех зародышей мужского пола или превращающая их в женские эмбрионы. Сохраняя только женские особи, бактерия тем самым обеспечивает нормальное размножение и себе. Самцы же для вольбахии во всех отношениях бесполезны. Уничтожив «сильный» пол, она не бросает существ, на которых паразитирует, на произвол судьбы, давая им возможность размножаться однополым путём. При чём же здесь люди? Оказывается, в последнее время у нас, так же, как и у насекомых, не редки случаи изменения пола зародышей на ранних стадиях развития с мужского на женский. У эмбриона мальчика перестаёт работать мужская Y-хромосома, и он постепенно начинает превращаться в девочку. Такая внутриутробная переориентация заканчивается весьма плачевно, ведь половые признаки новорождённого не соответствуют его генетически запрограммированному полу и в дальнейшем такая женщина оказывается бесплодной.

Изменение пола плода приобрело уже почти массовый характер, в связи с чем в конце 1996 года в «Новом Английском Медицинском Журнале» была даже опубликована статья под заголовком «Это конец всего человечества или только его мужской части?». Как такое превращение происходит у человека, пока точно не установлено. Однако можно предположить: его механизм аналогичен изменению пола у насекомых. Вольбахия разрушает мужские гормоны и, наоборот, способствует выработке женских. В результате вместо самцов рождаются полноценные самки. Если это превращение не удалось, то изуродованное бактерией насекомое погибает. У человека половая переориентация протекает более драматично. Даже если пол успешно изменён, родившаяся девочка становится неполноценной и обречена на страдания. Другая параллель между миром насекомых и миром людей прослеживается в отношении проблемы бесплодия. Уже не первый год все специалисты бьют тревогу в связи с колоссальным ростом числа бездетных пар.

Недавно «Журнал Американской Медицинской Ассоциации» опубликовал леденящий душу отчёт по этой проблеме. Если и дальше пойдёт так, то через 40–50 лет рожать смогут только избранные. Оказывается, у насекомых уровень бесплодия также высок, причём устанавливает его

всё та же вольбахия. До тех пор, пока популяция не заражена ею, почти все особи способны иметь потомство. Появляется вольбахия – и бесплодие достигает 80-95%. Установлено, что если насекомых подлечить антибиотиками, убивающими эту микроскопическую тварь, то плодовитость быстро восстанавливается до исходного уровня. К счастью, вольбахия в организме человека и других теплокровных животных пока не обнаружена. Попытки учёных заразить ею мышей к успеху не привели. Микробиолог С. О'Нейл считает, что она не выдерживает температуры нашего тела. Однако у теплокровных существ могут быть и другие виды бактерий, наделённые такими же свойствами, как и вольбахия. Если они будут обнаружены, удастся сорвать пелену неизвестности с мистической тайны непорочного зачатия.