Размножение и пол

Уральская государственная академия ветеринарной медицины

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По предмету: «Генетика»

На тему: «Размножение и пол»

ТРОИЦК 2009

Содержание

Введение

1. Мейоз и законы Менделя

2. Местонахождение генов

3. Половые хромосомы

4. Нерасхождение хромосом

5. Мужчины XYY: «хромосома преступности»

Заключение

Введение

В наши дни широко известно, что гены находятся в хромосомах, хотя в следующем разделе мы постараемся это утверждение доказать. Рассмотрев процесс мейоза, мы теперь можем найти в нем обоснование закона Менделя, согласно которому каждая особь содержит два фактора одного признака, но при этом гаметы переносят лишь один из этих факторов. Каждый животный организм или растение (у Менделя -- горох) содержит диплоидный набор хромосом, которые переносят два аллеля одного гена. Если вернуться к примеру с тестерами и нетестерами фенилтиокарбамида, то какая-то из 23 пар наших хромосом должна переносить либо аллель Т, либо аллель t. У гетерозигот Tt гомологичные хромосомы в начале мейоза образуют пары, но во время первой анафазы расходятся, вследствие чего образуются гаметы, переносящие либо Т, либо t.

1. Мейоз и законы Менделя

Второй закон Менделя, закон независимого распределения, говорит, что при наследовании двух факторов их распределение происходит независимо. На самом деле гены распределяются независимо, если они располагаются на разных хромосомах. Позже (гл. 8) мы столкнемся с так называемыми сцепленными генами, расположенными на одной хромосоме. В данном случае важно отметить, что каждая хромосомная пара разделяется независимо от других. Предположим, что в организме только две пары хромосом: одна переносит аллели А и а, а другая -- аллели В и b. У двойных гетерозигот АаВb в метафазе I все хромосомы выстраиваются парами посередине клетки:

В анафазе I может получиться так, что аллели А и В попадут в одну дочернюю клетку, а аллели а и b -- в другую. Но существует равная вероятность того, что в одной дочерней клетке окажутся аллели А и b, а в другой -- аллели а и В. Многократное мейотическое деление даст гаметы всех четырех типов: AB, Ab, aB и ab.

2. Местонахождение генов

Основные процессы, происходящие при мейозе и митозе, были изучены к концу XIX века. Теперь известно, что это довольно сложный механизм распределения хромосом по дочерним клеткам, но до начала ХХ века ученые не понимали их биологической роли. И только после повторного открытия законов Менделя в 1900-х годах Теодор Бовери и Уолтер Саттон независимо друг от друга провели аналогию между поведением гипотетических факторов и хромосом при мейозе. В 1902 году они выдвинули хромосомную теорию наследственности, заявив, что наследственные факторы Менделя располагаются на хромосомах. Они указали на следующие параллели:

Однако такие параллели в поведении хромосом и генов еще не являются доказательством того, что гены расположены в хромосомах, и многие биологи, в том числе генетики, поначалу отзывались о теории Бовери--Саттона крайне скептически. Тем не менее различные эксперименты и наблюдения, проведенные в первые десятилетия ХХ века, подтвердили эту гипотезу.

3. Половые хромосомы

Еще в древности люди заметили, что некоторые заболевания появляются почти исключительно у мужчин, хотя передаются по материнской линии. Самый известный пример -- гемофилия, или недостаточная свертываемость крови. Древние евреи запрещали проводить обязательное обрезание ребенку, если два его старших брата умирали от кровотечения, то есть признавали наследственный характер этого заболевания. К XII веку ученые-раввины признали, что гемофилия поражает мужчин, хотя, что парадоксально, передается по женской линии. Чарльз Дарвин также обратил внимание на этот особый вид наследования. В 1875 году он описал историю одной индийской семьи, в которой у 10 мужчин на протяжении четырех поколений были очень мелкие зубы, слабый волосяной покров, раннее облысение и ненормально сухая кожа. Ни у одной женщины в семье эти признаки не проявились, хотя они и передавали все эти особенности своим сыновьям. В то же время ни у одного из мужчин не родились дети с подобными признаками.

Такой характер наследования объясняется различием в половых хромосомах, отчетливо наблюдаемым в кариотипе: у женщин две Х-хромосомы, тогда как у мужчин одна такая хромосома и одна Y-хромосома поменьше, которая ведет себя как гомологичная Х-хромосоме при мейозе. Во всех яйцеклетках содержится только Х-хромосома, тогда как в половине сперматозоидов находится Х-хромосома, а в другой половине -- Y-хромосома.

Это объясняет, почему мальчиков и девочек рождается примерно поровну: ведь если яйцеклетку оплодотворит сперматозоид с Х-хромосомой, то получится женская зигота ХХ, а если сперматозоид с Y-xpoмосомой, то мужская зигота XY. Забавно, что пол ребенка определяют сперматозоиды, хотя до сих пор именно женщин часто винят в том, что они родили ребенка не того пола. Бывало так, что цари и короли разводились с женами, которым не удавалось родить им наследника. Однако у некоторых других животных, включая земноводных, птиц и бабочек, пол определяет яйцеклетка; у мужских особей этих животных две идентичные Z-хромосомы, а у женских особей -- две разные: W- и Z-хромосомы.

В Y-хромосоме человека содержится мало известных генов. Небольшой участок этой хромосомы под названием SRY определяет развитие семенников (яичек) вместо яичников; любая зигота с Y-xpoмосомой развивается в мужской организм, а зигота без нее -- в женский. Любой признак, определяемый геном на Y-хромосоме, должен передаваться от отца к сыну и проявляться в любом случае. Почти единственный подтвержденный признак такого рода -- так называемые волосатые края уха. Правда, этот признак проявляется в жизни поздно и по-разному, поэтому механизм его наследственности выяснен не совсем точно, хотя похоже, что он должен передаваться по мужской линии.

Наряду с этим многие признаки передаются с Х-хромосомой, и их местонахождение определяется благодаря особому образцу наследования. Хороший пример -- дальтонизм по красному и зеленому цветам. Обозначим Х-хромосому с мутантным аллелем как XС, а хромосому с нормальным аллелем как Х+. Поскольку мутация дальтонизма рецессивная, то у женщины, гетерозиготной по этому гену (ХСХ+), зрение нормальное. Но у мужчины, получившего мутантный ген с единственной Х-хромосомой (XСY), нет нормального аллеля, потому проявляется рецессивный аллель. Мужчина-дальтоник передает свою ХС-хромосому всем своим дочерям, и они (как правило) становятся гетерозиготными носительницами этого признака. Женщина с равной вероятностью может передать своим сыновьям как XС-, так и Х+-хромосому. Женщины-дальтоники встречаются редко, потому что они должны унаследовать обе ненормальные хромосомы от дальтоника-отца и от гетерозиготной матери; вероятность такого сочетания будет равна 50%.

Признаки, сцепленные с Х-хромосомой, в родословных распознавать легко, потому что женщины передают их приблизительно половине сыновей, а от отцов они передаются через дочерей внукам и проявляются через поколение. Такой характер наследования присущ нескольким сотням признакам, включая некоторые виды облысения и мышечную дистрофию Дюшенна. Один из самых известных случаев -- передача по наследству гемофилии в родословной европейских монархов

4. Нерасхождение хромосом

Обычно мужчины и женщины имеют хорошо выраженный фенотип, определяемый их набором хромосом -- XY или ХХ. Но иногда рождаются дети с необычным числом половых хромосом, и это происходит в результате ненормального развития гамет. Два подобных синдрома названы по именам первых описавших их врачей. Синдром Клайнфельтера проявляется у мальчиков, которые обычно высокие, с гинекомастией (развитие молочных желез по женскому типу), пониженным умственным развитием и маленькими яичками. В 1959 году Якобс и Стронг установили, что синдром Клайнфельтера связан с наличием лишней Х-хромосомы, то есть с набором хромосом XXY.

Другой случай ненормального развития гамет называется синдромом Тернера и проявляется у девочек. У них нет яичников, они невысокие, с недоразвитыми вторичными половыми признаками (маленькая грудь). Хромосомный набор у таких девочек -- Х0, то есть одна Х-хромосома (0 обозначает отсутствие хромосомы). Поскольку такие женщины гомозиготны по Х-хромосоме, у них проявляется рецессивный фенотип, например дальтонизм, обычно свойственный мужчинам. Рождение одного ребенка с генотипом XXY приходится приблизительно на каждые 700 рождений, а с генотипом Х0 -- на каждые 2500. Кроме того, на каждую 1000 рождений приходится один случай XXX; эти девочки внешне нормальные, хотя и с некоторыми недостатками умственного развития.

Как же возникают такие случаи? Непосредственная причина пока еще не известна, но ясно, что во время мейоза эти хромосомы не расходятся как следует (рис. 5.6). Такое явление и называется нерасхождением хромосом.

Оно происходит в гаметах каждого пола, на первом или втором этапе мейоза или сразу на двух этапах. В результате нерасхождения образуются гаметы с двумя половыми хромосомами (ХХ, YY, XY) или вовсе без половой хромосомы. В редких случаях встречаются и более двух копий хромосом. (Нерасхождение аутосом приводит к серьезным врожденным порокам, о чем упоминается в гл. 14.) Если сперматозоид XY оплодотворяет яйцеклетку X, то образуется зигота с хромосомами XXY; сперматозоид без половых хромосом и яйцеклетка X дают зиготу Х0. В результате оплодотворения яйцеклетки X сперматозоидом ХХ получается зигота XXX, а в результате оплодотворения такой яйцеклетки сперматозоидом YY -- зигота XYY.

Ненормальные случаи распределения половых хромосом заставляют задуматься, почему ХХ-женщины и XY-мужчины получаются нормальными, если у них разное число Х-хромосом? Должен быть какой-то механизм, который компенсирует различие и поддерживает генетическое равновесие. В 1961 году Мэри Лион и Лайан Рассел независимо друг от друга предложили гипотезу, объясняющую компенсацию генов, связанных с Х-хромосомой. Они заметили, что у гетерозиготных женских особей часто бывает разный фенотип; гетерозиготным кошкам, например, свойственна пятнистая окраска, причем черные и желтые пятна находятся в разных местах. Лион и Рассел предположили, что в каждой клетке развивающегося эмбриона одна из Х-хромосом случайным образом «выключается», и во всех клетках, происходящих из этой клетки эмбриона, эта Х-хромосома продолжает оставаться в неактивном состоянии. Так, у гетерозиготной кошки в некоторых участках кожи должна быть выключена Х-хромосома с аллелем черного меха, поэтому на этих участках появляется желтый мех; на других участках кожи выключена Х-хромосома с аллелем желтого меха, и на них вырастает черный мех. Хотя такая схема деактивации Х-хромосом наиболее очевидна на примере окраски кошек и мышей, в действительности каждая женская особь млекопитающего сочетает в себе два типа клеток, и любая разница в аллелях Х-хромосом может привести к фенотипическому разнообразию.

«Выключенные» Х-хромосомы сворачиваются в плотные комочки, которые называются половыми хроматинами, или тельцами Барра, по имени открывшего их Муррея Барра; их можно увидеть в клетках нормальных женских особей. Одна из Х-хромосом остается активной, а другая сжимается, поэтому у обычной женщины тельце Барра можно обнаружить в каждой клетке, а у женщины с синдромом Тернера их нет. У женщин с лишними хромосомами их бывает два, три или даже четыре. У мужчин телец Барра обычно не бывает, но у людей с синдромом Клайнфельтера бывает одно, два и более телец Барра, в зависимости от количества лишних Х-хромосом.

5. Мужчины XYY: «хромосома преступности»

В 1956 году Патрисия Джейкобс и ее ассистенты опубликовали доклад, вызвавший длительные споры и обсуждения среди биологов. Изучая кариотип заключенных мужского отделения для умственно отсталых при тюремном госпитале в Шотландии, исследователи обнаружили, что у семи мужчин из 196 (3,6%) имелась одна лишняя Y-хромосома. Помимо прочих фенотипических признаков у таких мужчин обычно бывает высокий рост -- значительно выше нормы. Позже, изучая хромосомный набор 3500 родившихся в госпитале младенцев, ученые обнаружили, что лишняя Y-хромосома встретилась только у пяти из них (0,14%). Таким образом, если люди с генотипом XYY составляют приблизительно 0,14% всей популяции, а заключенные госпиталя с таким генотипом составляют 3,6%, то напрашивается вывод: люди с такой особенностью склонны к насилию и совершению преступлений. На этом основании можно даже предположить, что Y-хромосома содержит ген (или гены) агрессивности, которая увеличивается, если таких генов в два раза больше. Газеты тут же поспешили окрестить Y-хромосому хромосомой преступности.

Те же газетчики не замедлили рассказать читателям, что лишняя Y-хромосома имелась у известного чикагского серийного убийцы Ричарда Спека. Но на самом деле это было не так. Тем не менее некоторым убийцам удалось избежать наказания на том основании, что они имели генотип XYY и якобы не отвечали за свои действия. К 1974 году было зарегистрировано по меньшей мере шесть случаев, в которых обвиняемые доказывали, что они невменяемы именно на основании своего генотипа XYY. Это были дела Даниэля Югона в Париже, Лоренса Хэннела в Мельбурне, Эрнста-Дитера Бекка в Западной Германии, Шона Фарли в Нью-Йорке; Рэймонда Таннера в Лос-Анджелесе и так называемое дело «Миллард против штата» в Мэриленде.

Несмотря на недостаток убедительных доказательств, некоторые представители власти и даже генетики высказывали крайне тенденциозные и предвзятые заявления. Например, Кеннеди Мак-Райтер, юрист и генетик, утверждал, будто «вероятностный фактор подтверждает, что преступники с хромосомами XYY -- крайне опасные личности»2. Один юридический журнал предположил следующее:

Лица с хромосомами XYY представляют постоянную угрозу, поскольку они могут в любой момент оказаться в ситуации, в которой будут не способны контролировать свое поведение. И хотя в обществе может быть много подобных ходячих «пороховых бочек», лица с хромосомами XYY легче остальных поддаются выявлению.

Сообщалось, что «один из ведущих генетиков страны» сказал:

Мы не можем быть уверенными в том, что хромосомы XYY делают из человека преступника, но я лично не пригласил бы такого человека на обед4.

Даже такой известный ученый, как X. Бентли Гласс, покойный председатель Американской ассоциации по популяризации науки, назвал генотип XYY отклонением от нормы и предложил избавляться от него в популяции посредством современных технологий дородовой диагностики и прерывания беременности.

На самом деле никем и никогда не было выявлено прямой зависимости между генотипом XYY и склонностью к совершению преступлений. Тщательно анализируя данные нескольких исследований, Эрнест Б. Хук6 выяснил, что доля новорожденных с хромосомами XYY в общей популяции составляет 0,1% и при этом в «специализированных учреждениях» (тюрьмах, психиатрических лечебницах для умственно отсталых, алкоголиков или эпилептиков) доля мужчин с генотипом XYY составляет 2%. Однако эти лица вовсе не демонстрировали особой склонности к агрессивности или насилию. Их наиболее частый фенотипический признак -- высокий рост. У них также бывают тяжелые воспаления сальных желез, иногда отставание в умственном развитии и трудности в общении, отсюда и склонность к импульсивному поведению. Интересно, что мужчины с синдромом Клайнфельтера (генотип XXY) тоже отличаются высоким ростом и тоже часто оказываются в «специализированных учреждениях» -- приблизительно в пять раз чаще обычных людей. Отсюда был сделан разумный вывод: дело тут в том, что высокие подростки и юноши с необычными внешними признаками испытывают трудности в общении и, как правило, вызывают настороженное отношение окружающих, а если и представители власти воспринимают их как потенциально опасных, то общество буквально толкает их на путь, приводящий в тюрьму или психиатрическую лечебницу.

История с хромосомами XXY должна послужить предостережением. Обычно ученые -- это консерваторы, с трудом принимающие новые теории, но в данном случае одержимость новой идеей, не подтвержденной солидными доказательствами, привела к опасному убеждению, будто существует связь между криминальным поведением и генотипом XYY. Такого рода идеи могут нанести непоправимый вред науке. Если следовать подобной логике, то можно прийти к выводу, что если мужчин в тюрьмах больше, чем женщин, то в склонности к преступлениям виноват сам по себе генотип XY.

Реальное же значение таких синдромов для генетики состоит в том, что они происходят от неразделения хромосом и доказывают связь между хромосомным набором и фенотипом. Если лишние или недостающие хромосомы влияют на выраженность гена, то гены и в самом деле расположены в хромосомах.

Заключение

В древности интерес к вопросам размножения и воспроизводства подогревался желанием предсказать пол детей. На протяжении многих столетий люди предпочитали, чтобы у них рождались мальчики. Так как во многих культурах считалось, что наследственные признаки передаются исключительно через мужское семя, то полноправными наследниками отца признавали только сыновей. Если человек надеялся на память потомков, если он желал оставить после себя воспоминания о своей жизни, то у него обязательно должны были рождаться мальчики. Во многих цивилизациях собственность передавалась по наследству только мужчинам, и, естественно, мужчинам хотелось передать все свое накопленное имущество детям, а не каким-то дальним родственникам. Там, где исключительное положение в обществе занимали цари, короли, вожди, шаманы или жрецы, все члены общества также надеялись на то, что у этих высокопоставленных лиц родятся наследники, и тем самым удастся избежать беспорядков. Иногда люди надеялись на то, что их сыновья удачно выберут себе жену, и та принесет в их дом богатое приданое. Другие мечтали о сильных воинах и искусных охотниках, которые прославили бы их род и обеспечили процветание всем членам семьи. Дочери же часто оказывались «лишними ртами», и, кроме того, во многих цивилизациях требовалось давать им приданое, что могло разорить семейство, где рождалось несколько дочерей подряд. По этим и многим другим причинам рождение сына воспринималось как нечто очень важное и значительное. Подобное отношение к мальчикам сохраняется и поныне.

Вместе с тем в истории человечества были и такие общества, где особое внимание уделялось дочерям, хотя порой их считали всего лишь ценной собственностью, которая передается от одного наследника другому. В других обществах наследование шло по женской линии, и тогда рождение дочери воспринималось как истинный праздник. Но вне зависимости от того, по какой линии шло наследование в том или ином обществе, во всех обществах и цивилизациях бытовали свои, часто очень любопытные, «правила» определения пола будущего ребенка, своего рода «первобытная генная инженерия».

В Древнем Египте не было указаний, как зачать ребенка нужного пола, но правила определения пола имелись. Египтяне считали, что если мочой беременной женщины каждый день поливать семена пшеницы и ячменя, то пшеница прорастет, если у нее будет мальчик, а ячмень прорастет, если будет девочка. Если же ничего не прорастало, это означало, что женщина не беременна. У этого странного на первый взгляд метода есть некоторые основания, потому что моча беременных женщин содержит химические вещества, которые действительно способствуют прорастанию определенных растений.

Древние евреи желали, чтобы у них рождались мальчики, так как в их обществе женщины обладали низким статусом и не наследовали имущество. Они, например, считали, что если мужчина сожжет зерно соседа, то у него не будет наследников, но если, как сказано в Талмуде, он поставит свое ложе с севера на юг, то у него, скорее всего, родятся мальчики.

Евреи разделяли с арабами и индусами веру в то, что рождение мальчика -- настолько счастливое и радостное событие, что если беременную женщину не тревожить и не огорчать, то у нее обязательно родится мальчик.

Считалось также, что пол ребенка зависит от питания матери. В древнеиндийской «Атхарваведе» (написанной до 700 г. до н. э.) содержится предписание пить на четвертый день менструации «гарбхакарану», то есть напиток из вареных семян риса и кунжута. В таком случае якобы обязательно родится мальчик. В древних текстах также можно встретить рецепты получения нужного оттенка кожи у сыновей, а также рецепты, которые должны ему помочь в будущем владеть тем или иным количеством «Вед».

Во времена Гомера греки радовались рождению дочерей. Сыновья часто подвергались опасностям и погибали, тогда как дочерям доставались скот и другое имущество. Но несколько столетий спустя наследовать собственность могли уже только сыновья. Дочерям давали только приданое, когда они выходили замуж. Если мужчина умирал, не оставив после себя наследников, его собственность вместе с женой переходила к ближайшему родственнику.

Естественно, что люди пытались заранее определить пол своего ребенка. Гиппократ учил, что у женщины со здоровым цветом кожи родится мальчик. Он также полагал, что если зародыш двигается уже на третьем месяце беременности, то такой энергичный ребенок обязательно должен быть мальчиком. Если лицо женщины покроется веснушками, то она родит девочку (у других народов веснушки предвещают рождение мальчика).

Гиппон Регийский полагал, что пол ребенка определяет отец: густое семя отца означает, что родится мальчик, а жидкое -- девочка. Для того чтобы обеспечить рождение мальчика, греки вступали в половое сношение при северном ветре, потому что северный ветер, «как известно», уплотняет и усиливает семя. Для девочек же подходящим оказывался южный ветер, который разбавляет и ослабляет семя. Эмпедокл, напротив, считал, что рождение мальчиков зависит от женщин, у которых должна быть особо теплая матка.

Многие теории пола коренятся в древнем убеждении, что правая сторона тела более важна, чем левая, а такое убеждение в свою очередь объясняется тем, что большинство людей правши. Часто считали, что пол ребенка определяет семя из одного или другого мужского яичка. Иногда мужчины, для того чтобы зачать мальчика, перевязывали одно из своих яичек. Аристотель возражал против такого обычая, но он сохранялся долго; даже в XVIII веке некоторые французские аристократы удаляли левое яичко в надежде зачать наследника.

Большое значение придавалось и снам женщины. В Индии считалось, что если женщине приснится мужская еда, то у нее будет мальчик. В некоторых славянских странах то же самое означают ножи и дубинки, а сны об источниках и гулянках означают рождение девочки. В некоторых областях Германии мужчины клали в кровать топор, желая зачать ребенка мужского пола, и оставляли его в сарае, когда хотели зачать девочку. В Японии X века женщины, надеясь «взбодрить» ребенка и сделать из него мальчика, отправлялись на охоту или сражение. Среди японцев также бытовало забавное убеждение, что если мужчина позовет свою жену, когда та справляет естественные потребности и при этом повернется налево, то у нее родится девочка. Древнее китайское правило гласит: если на седьмом месяце беременности мать почувствует, как ее ребенок двигает рукой влево, то это будет мальчик; если же ребенок на восьмом месяце двигает рукой вправо, то это будет девочка.

Многие люди и поныне разделяют различные предрассудки относительно пола ребенка и верят в то, что пол можно определить по частоте сердцебиения, по тому, насколько часто будущая мать испытывает тошноту, по качеству ее молока. В наши дни пол ребенка возможно совершенно точно определить медицинскими методами, а в будущем, вероятно, станет возможным и выбирать пол ребенка при зачатии. Раньше люди не сомневались, что возможность определить пол ребенка -- это обязательно благо, но теперь, когда на нас неожиданно легла такая большая ответственность, мы не всегда уверены в том, что сможем с ней справиться.