Дрозофила-представитель отряда двукрылых

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Воробьева М.В.

в/о, 4 курс, БПФ

Реферат на тему:

«Дрозофила-представитель отряда двукрылых»

Преподаватель: Негробов О.П.

Воронеж 2006

Содержание

1. Общее о насекомых.

2. Отряд двукрылые.

3. Дрозофила-представитель отряда двукрылых.

4. Морфология.

5. Особенности строения глаз.

6. Распространение.

7. Кариотип дрозофилы.

8. Политенные хромосомы.

9. Дрозофила-объект генетических исследований.

10. Пример постановки опыта.

11. Эксперименты.

1. Общие сведения о насекомых

Тело насекомых всегда резко разделяется на три части: голова, грудь и брюшко. На голове имеются два членистых придатка, а на груди образуются три пары ног, а брюшко состоит из 9-10 кольчатых сегментов и не имеет ни ног, ни других придатков. Голова насекомого образуется из слияния четырех сегментов зародыша. К груди она прикреполена посредством эластичной мягкой кожицы, так, что свободно может двигаться во все стороны. Однако иногда подвижность ее бывает ограничена, если вся голова помещается вов падине средней части тела или если она прикрыта сверху твердым щитком.

Грудь состоит из трех члеников, из которых первый несет на себе переднюю пару ног, а на двух последних имеется также по паре ног и по паре крыльев. У многих насекомых передний членик сочленен с последующим подвижно и развит более других, образуя иак называемую стенку.

Каждая нога состоит из следующих пяти частей:короткой ляжки,которой нога сочленятеся с туловищем, вертлуга, маленького сочленовного округлого тельца, бедра-самой толстой части ноги, голени, такой же длины, часто вооруженной на внутренней поверхности шипами, так называемыми шпорцами, а на наружной поверхности усаженной зубчиками и волосками, и, наконец, лапки, состоящие из коротких члеников, из которых последний оканчивается двумя или одним подвижным коготком. У некоторых насекомых имеются на ногах особые придатки и приспособления для лазанья по совершенно гладким предметам в виде клеевых подушечек и т. п.

Крылья состоят из двойной хитиновой сетчатой перепонки.Обе пары бывают одинаково устроены или, что чаще, неодинаково; передняя пара иногда пропитывается насквозь хитином, и образуются надкрылья, негодные для летания, но служащие для защиты крыльев и тела, в виде твердого панциря. У некоторых насекомых одна пара крыльев не развивается, а у некоторых и совсем нет крыльев.

Брюшко по больщей части состоит из 10 частей, соединенных между собой сильно растяжимой кожицей, почему брюшко может сильно растягиваться и увеличиваться. Форма брюшко бывает разнообразная; сросшееся, сидячее, висячее, стебельчатое.

Снаружи насекомое покрыто бывает многочисленными волосками, щетинками, чешуйками, шипами, которые иногда сидят так густо, что животное кажется мохнатым. По окраске и форме насекомые, благодаря свлим придаткам, часто достигают удивительного сходства с окружающими предметами, что называется защитительным сходством.

Мускулы насекомых состоят из пучков поперечнополосатых мышечных волокон, на вид они слегка желтоватого цвета.

Хотя многие из насекомых издавна прославились своим «пением», но звуки, производимые ими, совсем другого происхождения, чем голоса зверей и птиц. Очень многие их насекомых не могут производить никаких звуков и должны быть признаны немыми.

Заботы насекомых о своем потомстве ограничиваются отложением яиц и помещением их в подходящей обстановке. Самка кладет яйца тким образом, чтобы появившаяся личинка встретила благоприятные условия для своего дальнейшего развития. С этой целью яйца помещаются в ствол дерева или под его кору, в корни, в листья, вводятся в тело животных у формы паразитных или тщательно замуровываются в искусственно приготовленное помещение, иногда вместе с запасами приготовленной пищи.

При выходе из яйца молодое насекомое начинает вести совершенно самостоятельный образ жизни, постепенно совершенствуя свою организацию, пока не появится в виде взрослого насекомого, совершенно подобного родителям.

Различают полный и неполный метаморфоз, или превращение. Полным метаморфоз называется в том случае, когда личинка через стадию куколки превращается во взрослое насекомое, неполным-если стадии куколки нет. Куколки бывают голые и прикрытые, смотря по тому, примыкают ли отдельные части к туловищу или нет. Отдичают еще бочонкообразную куколку. Очень часто куколка обматывает вокруг себя слойй шелковистых нитей; такая куколка называется коконом.

Жизнь насекомых в большинстве случаев продолжается на более одного поколения, и первое потомство их является обыкновенно в то же время последним. О насекомых говорят, что они имеют одно поколение, два поколение, три поколения; говорят о зимнем и летнем поколении,- все это сроки вывода потомства одного поколения, меньше года.

2. Отряд двукрылые

К отряду двукрылые относятся насекомые, характерными признаками которых являются два крыла и сосущий хоботок, однако настолько твердый, в большинстве случаев, что иногда может прокусить кожу человека. Голова почти совершенно отделена и соединена с грудью только тонким стебельком. Верхняя часть трех грудных члеников называется спинным щитком. По внешнему виду двукрылые стоят ближе всего к перепончатокрылым и также как и они, по большей части бывают покрыты волосками. Крылья их часто бывают маленькие, почти совсем прозрачные. У многих насекомых этого отряда позади крыльев находится еще одна крыловая чешуйка, под которой скрыт особый аппарат, так наз жужжало. Это своебразный орган, назначение которого не вполне истолковано. Большую часть поверхности головы занимают глаза, которые иногда соприкасаются друг с другом на темени, у других же разделены. Сяжки прикрепляются в промежутке между люом и лицом. У одних насекомых они бывают длинные, у других короткие.

Известно около 18000 видов двукрылы, но по числу особей они, вероятно, решительно превосходят насекомых всех других отрядов.

3. Дрозофила-представитель отряда двукрылых

Drosophila melanogaster, иначе плодовая, или уксусная муха - маленькое, около 3 мм в длину, насекомое семейства Drosophiliadae из отряда Diptera.

Drosophilidae -это мелкие буроватые или желтоватые красноглазые двукрылые насекомые - от 1,5 до 4 мм в длину. Плодовые мушки дрозофилы и их личинки Ї отличный корм для мелких амфибий (древолазов, листолазов), их молодняка, мелких хамелеонов, рыб, питающихся падающими на поверхность воды насекомыми (гуппи, дермогенисов и карпозубых: пляйфери, эпиплятисов и др.), муравьёв, молоди пауков, богомолов, хищных насекомоядных растений, птиц (белоглазки, колибри). У некоторых видов рыб этот вид корма даже стимулирует нерест, например, у представителей рода Carnegiella. В дрозофилах содержится: хитина - 3,4%, белка - 17,8%, жиров - 5,3%.

В роде Drosophila насчитывается около 1000 видов. Наиболее известным и распространенным видом является Дрозофила чернобрюхая Drosophila melanogaster. Она 2 мм в длину. От других видов отличается тем, что у самцов мушки вершина брюшка черная. Мушка дрозофила, как и все двукрылые, имеет три стадии развития:

1.Яйцо

2.Личинка

3.Мушка.

Яйца и личинки приспособлены к жизни в полужидкой среде. Эти приспособленность включает наличие у яиц поплавков-камер, позволяющих держаться на поверхности жидкости, и у личинок дрозофил дыхательных сифонов. Размер личинок не превышает 3,5 мм. Обычно они белого цвета. Плодовую мушку, дрозофилу Drosophila melanogaster, знают многие аквариумисты. В качестве корма используются как взрослые насекомые, так и их личинки.

Личинка дрозофилы служит прекрасным высокобелковым дополнением в рационе питания мальков для многих видов рыб. А мушки - разнообразят меню мелких по размеру рыб, особенно тех, которые в природе питаются падающими на поверхность воды насекомыми. У некоторых видов этот вид корма даже стимулирует нерест (например, у Carnegiella sp.)

4. Морфология

Дикий тип дрозофилы имеет ярко-красные глаза и "серое" тело (термин "gray", что означает "серый", не совсем уместен, но прочно прижился в обозначении цвета дикого типа мухи; она не является серой). Крылья нормально развиты, превышают длину тела. Питается ферментированными фруктами или овощами, но в лаборатории её разводят на специальной питательной среде.

Морфологически, самки и самцы отличаются друг от друга по целому ряду признаков. Самки несколько крупнее самцов, хотя величина и тех, и других может сильно колебаться в зависимости от условий питания, особенно на это влияет личиночный период развития. Брюшко у самки несколько округлое, с заострённым концом; у самца оно цилиндрическое, с притуплённым концом. Также самца можно легко отличить от самки по нескольким последним сегментам, которые у него сплошь пигментированы. Верхние хитиновые щитки груди у насекомых называются тергитами (они вместе со стернитами и плейритами участвуют в движении крыльев). Половой диморфизм у дрозофилы проявляется в том, что у самки имеется восемь хорошо развитых тергитов,



а у самца - шесть, причём шестой и восьмой тергиты слиты, а восьмой вошёл в состав полового аппарата. Стерниты- такие же хитиновые пластинки с брюшной стороны (см. рис.). У самки их также на один больше, чем у самца, и у представителей каждого пола не развиты первый, второй, седьмой и восьмой стерниты.

Брюшко самки (слева) и самца (справа), вид с вентральной стороны. Видны стерниты (у самки- на один меньше)



Брюшко самки (слева) и самца (справа), вид с латеральной стороны.

К числу вторично-половых признаков у самца относятся половые гребешки, представляющие собой крепкие хитиновые щетинки на первом членике лапки передних ног. У самки подобные образования отсутствуют.

Наружные половые органы самки состоят из влагалища, по сторонам которого расположены две влагалищные пластинки, а сзади них - анальный бугорок, состоящий из двух анальных пластинок, расположенных одна над другой.

На рисунке:

Dorsal anal plate - дорсальная анальная пластинка; Ventral anal plate - вентральная анальная пластинка; Eighth targite - восьмой тергит; Long bristles - длинные шипы; Sensilla trichodea - чувствительный волосок; Thorn bristles - колючие шипы; Vulva - вульва; Vaginal plate - влагалищная пластинка.

Внутренний половой аппарат самки состоит из двух гроздевидных яичников, в каждом по несколько десятков яйцевых трубочек; яйцевода; влагалища; трёх семяприёмников, из которых один трубчатый и два грибовидных; придаточных желёз. Протоки семяприёмников и придаточных желёз впадают во влагалище. Непарный трубчатый семяприёмник представлен длинной спиральной трубкой. У спаривавшихся самок он наполнен спермой. В полости влагалища нередко можно видеть зрелое яйцо с заключённой внутри него почти развитой личинкой.

На рисунке:

Lateral oviduct - латеральный яйцевод; Common oviduct - основной яйцевод; Seminal receptplace - семяприёмник; Spermathecae and Parovaria - придаточные железы; Uterus - яичник; Vagina - влагалище; Vaginal plates - влагалищные пластинки; Anal plates - анальные пластинки.



Наружные половые органы самца имеют более сложное строение. Они состоят из генитальной пластинки и пениса с прилегающими к нему частями. Генитальная пластинка представляет собой подковообразное хитиновое образование. Внутри неё открывается анальное отверстие, по бокам которого латерально расположены две анальные пластинки. С брюшной стороны генитальная пластинка несёт две пары отростков, к которым причленяется пенис с его придатками. Собственно пенис имеет вид ложкообразной хитиновой пластинки, несущей краю ряд хитиновых зубцов:

Внутренний половой аппарат самца включает в себя парный семенник, парные семенные пузырьки, придаточные железы, непарный семявыносящий проток, непарный bulbus ejaculatorius, непарный семяизвергательный канал. Семенники представляют собой свёрнутые трубки, переходящие в семенные пузырьки, которые переходят в семенные канальца, соединяющиеся непосредственно перед впадением в семявыносящий проток. Семявыносящий проток впадает в bulbus ejaculatorius, который играет роль насоса, выталкивающего сперму из семявыносящего протока и выбрасывающего её наружу через семяизвергательный канал, который открывается в основание пениса.

Как правило, самки не могут спариваться в течение 24 часов после вылупления, однако при температуре, несколько выше нормальной, иногда можно наблюдать копуляцию мух моложе указанного возраста, в особенности, если в культуре имеются старые самцы. Копуляция длится около 20 минут; этот срок является видовой характеристикой рассматриваемого вида.

Яйца дрозофилы несколько вытянутые, около 0.5 мм в длину. В свежих культурах они легко заметны, будучи отложенными на питательной среде, большей частью поблизости от стенок пробирки, где содержится меньше влаги. Яйцо дрозофилы защищено двумя внешними оболочками, различными по происхождению. Внутренняя оболочка, образованная самим яйцом, называется желточной. Наружная оболочка образована фолликулярным эпителием яичника и носит название хориона. У яйца дрозофилы можно различить передний и задний конец, а также дорсальную и вентральные стороны соответственно отделам будущего зародыша. На переднем конце яйца, на вершине небольшого сосочка, имеется отверстие, микропиле, ведущее внутрь яйца и служащее для проникновения сперматозоида внутрь. От передней части дорсальной поверхности яйца отходят и идут по направлению кпереди и в стороны два длинных отростка, представляющих собой выросты хориона. Это так называемые филаменты, предохраняющие яйцо от погружения в жидкую среду.

Оплодотворение яйца происходит в момент прохождения его через верхний отдел влагалища. В нормальных условиях эмбриональное развитие протекает вне тела матери при температуре 27є около 20 часов. В благоприятных условиях каждая самка откладывает до 50-80 яиц в сутки, а всего в течение 3-4 суток она может отложить более 200 штук.

Вылупление личинки из яйца и начало постэмбрионального развития связано с усиленным питанием и ростом. Избыток пищи на этой стадии жизни особи имеет большое значение: в значительной мере он определяет не только размеры мухи, но и её жизнеспособность. Первое время после вылупления личинки остаются на поверхности среды. Затем они уходят в глубь её и остаются там до момента окукливания.

Окукливание начинается с того, что личинки покидают среду, перестают питаться и некоторое время оживлённо ползают по стенкам пробирки. Затем они становятся неподвижными, значительно сокращаются в длину и приобретают характерную для куколки бочонкообразную форму. Куколочный период развития характеризуется, с одной стороны, разрушением личиночных органов и тканей, за исключением гонад и нервной системы, с другой - развитием из имагинальных дисков дефинитивных органов взрослой мухи. Период куколочного превращения равен 4 суткам.

По окончании третьих суток через покров куколки становятся заметными очертания глаз, в которых к тому времени вырабатывается желтоватый пигмент. За несколько часов до вылупления хорошо видны крылья, глаза к этому времени приобретают ярко-красный цвет.

Вылупление мухи и её освобождение от покрова куколки достигается нагнетанием жидкости, вследствие чего оболочка куколки разрывается, и муха освобождается. Обычно мухи выходят из куколки рано утром. Молодые, только что вылупившиеся мухи имеют длинное желтоватое тело, почти лишённое пигмента, короткие, ещё не расправленные крылья. Через 8 часов самки уже готовы к оплодотворению, поэтому для скрещивания необходимо брать виргинных самок, не старше 8 часов после вылупления. Самки начинают откладывать яйца с конца вторых суток и продолжают до конца жизни.

5. Особенности строения глаз

Глаз дрозофилы состоит из 800 омматидиев, каждый из которых состоит из 8 проторецепторных клеток, поддерживающих клеток, пигментных клеток и роговицы. Мухи дикого типа имеют красный цвет глаз. Каждая фоторецепторная клетка состоит из клеточного тела, содержащего ядро и рабдомера состоящего из большого количества мембран содержащих родопсин. Фоторецепторные клетки экспрессируют различные изоформы родопсина. R1-R6 фоторецепторные клетки экспрессируют Rhodopsin1 (Rh1), поглощающий голубой цвет (480 nm). R7 и R8 клетки экспрессируют Rh3 или Rh4, поглащающие ультрафиолет (345 nm и 375 nm), и Rh5 или Rh6,поглощающие голубой (437 nm) и зеленый (508 nm) свет. Пигментация глаз определяется наличием двух генетически независимых пигментных систем, красной и коричневой. Мухи дикого типа имеют кирпично-красный цвет глаз, соответствующий присутствию обеих систем. Коричневая составляющая образуется из двух пигментов омматина и оммина. Красная составляющая образуется из множества пигментов, называемых птеринами. При мутации затрагивающей обе пигментные системы цвет глаз становится белым. Например мутация white, при которой нарушается транспортировка любых пигментов внутри клеток глаза.

6. Распространение

Родиной Drosophila melanogaster считают Индо-Малайскую область; в настоящее время муха распространена очень широко, в том числе на Кавказе и Украине.

Распространены очень широко. Их личинки живут в гниющих и бродящих растительных остатках, а также в загнивающих фруктах, пивном сусле, на вытекающем соке деревьев и т.д.

7. Кариотип дрозофилы

Дрозофила имеет четыре пары хромосом: X/Y - половые хромосомы и аутосомы 2, 3 и 4. Четвёртая хромосома достаточно маленькая и редко упоминается. Размер генома мухи составляет около 165 миллионов оснований и содержит, по приблизительным подсчётам, 14.000 генов (для сравнения, геном человека имеет 3.300 миллионов оснований и около 70.000 генов, дрожжи имеют около 5800 генов в 13.5 миллионах оснований).

Геном дрозофилы был почти полностью описан в 2000 году, и в данный момент производится его анализ. Об этом достижении было сообщено 18 февраля 2000 года. В проекте комбинировалась экспертиза группы учёных под руководством Dr. Gerald Rubin, изучающих геном дрозофилы в Калифорнийском Институте (Berkeley) и работа мощных анализирующих машин и компьютеров компании Celera Genomics Corp. под руководством J. Craig Venter. Учёные из обеих групп сообщили результаты исследований на ежегодной встрече Американской Ассоциации Прогресса Науки (American Association for the Advancement of Science).

8.Политенные хромосомы

Наличие политенных хромосом является одной из причин популярности дрозофилы как объекта изучения. Политенные хромосомы были впервые обнаружены в клетках слюнных желёз дрозофилы в 1934 г. Личинка во время роста имеет постоянное количество клеток, но в то же время ей необходимо накапливать генетический материал для будущего развития. В результате клетки увеличиваются в рвзмерах, и каждая хромосома реплицируется сотни раз, при этом все цепочки ДНК остаются прикреплёнными одна к другой до тех пор, пока их не наберётся несколько тысяч, лежащих бок о бок. Таким образом, образуется толстая, бросающаяся в глаза своею величиной и легко различимая в микроскоп политенная хромосома. Более того, после окрашивания эти хромосомы имеют чередующиеся тёмные и светлые полоски, индивидуальные по строению для каждой части хромосомы, так что можно определить, какая часть хромосомы попала в объектив микроскопа. Стандартная карта политенной хромосомы разделяет геном на 102 пронумерованные полоски (1-20 - X-хромосома, 21-60 - вторая хромосома, 61-100 - третья и 101-102 - четвёртая); каждая из полосок поделена на 6 буквенных полосок (A-F), и каждая из пронумерованных полосок также поделена на несколько (до 13) подразделов. На фотографии выше указана 57-я полоска.

Локализация многих генов известна точно по буквенной шкале, но не точно по цифровой шкале, и поэтому указывается приблизительно (например, 42C7-9, 60A1-2). Политенные полоски не имеют одинаковой длины последовательности нуклеотидов, но в среднем одна буквенная полоска содержит около 300kb ДНК, или 15-25 генов.

9.Дрозофила-объект генетических исследований

Благодаря своим особенностям дрозофила является удобным объектом генетических исследований: Дрозофила используется, как модельный организм для различных исследований уже почти сто лет, и сегодня многие учёные продолжают работать над различными проблемами дрозофилы. Её важность для здоровья человека была признана Нобелевской премией, вручённой медикам-физиологам Ed Lewis, Christiane Nusslein-Volhard and Eric Wieschaus в 1995 г.

Есть несколько причин, тому, что дрозофила - один из излюбленных объектов изучения. Дрозофила - маленькое животное с коротким жизненным циклом длительностью лишь около двух недель, она недорога для размножения и выведения даже большого количества особей. Мутантные особи с дефектами в любых из нескольких тысяч генов доступны для экспериментов, и весь геном мухи в целом уже известен.

Дрозофила изначально использовалась для генетических исследований, например, для изучения закономерностей различных типов наследственности.

Сейчас муха используется также как объект изучения других разделов биологии (особенно, биологии развития: здесь изучается развитие целого организма из относительно простого оплодотворённого яйца), и как учебный объект.

Короткий период развития от яйца до имаго, исключительное богатство мутационных рас с характерно чётким фенотипическим проявлением, малое число хромосом и ряд других важных преимуществ делают её незаменимой для практической проработки основных закономерностей наследственности.

Итак,особенности дрозофилы,благодаря которым она явялется незаменимым объектом исследований:

1. Короткое время размножения (десять дней от яйца до половозрелой мухи).

2. Большое число потомков.

3. Малый размер и неприхотливость в содержании.

4. Большое количество спонтанных мутаций.

5. Наличие политенных хромосом.

10.Пример постановки опыта.

Инвентарь и оборудование:

1. Птичье пёрышко,

2. Листок чистой белой бумаги (или молочно-белое стекло)

3. Лупы двух различных типов

4. Капельница для серного эфира

5. Морилка

6. Пробки из ваты

7. Пробирки с питательной средой

8. Этикетки, клей, и т. д.

Питательная среда.

Была использована питательная среда, приготовленная из дрожжей, сахара, манной крупы, пропионовой кислоты, воды и агар-агара. Важно, чтобы среда не была слишком твёрдой, т.к. молодые личинки не могут проникнуть вглубь твёрдой среды и погибают, и не слишком жидкой, т.к. в жидкой среде могут погибнуть отложенные яйца.

Наркотизация мух.

Анализ и подсчёт мух, а также отбор девственных самок и подбор родительских пар для скрещивания проводят на матово-белом стекле под лупой после того, как их усыпят серным эфиром. Для этой цели их обычно помещают в эфиризатор или морилку. В нижней части морилки имеется углубление, в которое вставлен плотный ватный тампончик, смачиваемый из капельницы по мере надобности 1-2 каплями серного эфира. Стаканчик с мухами осторожно постукивают о ладонь, мухи при этом собираются в нижней его части, затем осторожно снимают ватную пробку, накрывают стаканчик эфиризатором и опрокидывают так, чтобы стаканчик с мухами был наверху. Легким постукиванием о ладонь всех мух переводят в эфиризатор и закрывают его пробкой с ватным тампоном, смоченным 1-2 каплями эфира. Как только все мухи заснут, их осторожно вытряхивают из эфиризатора на молочно-белое стекло и, пользуясь лупой и птичьим пёрышком, быстро анализируют и подсчитывают, так как в наркотизированном состоянии они могут находиться только около 5 минут. Если наркотизацию необходимо продлить, мух накрывают большим часовым стеклом, под которое кладут ватный тампон, смоченный одной каплей эфира.

Если эти мухи нужны для последующего размножения, их помещают в чистые пробирки с питательной средой. В одну пробирку для размножения следует помещать 2-3 самок и 3-5 самцов. Для того чтобы сонные мухи не упали на дно пробирки и не увязли в питательной среде, их помещают на чистые стенки стаканчика со средой и держат стаканчик в горизонтальном положении до тех пор, пока мухи не проснутся.

По окончании работы с мухами их усыпляют и выбрасывают. От большой дозы эфира мухи погибают через 3-5 минут. Об их гибели можно заключить по растопыренным кверху и в стороны крыльям и безжизненно вытянутым лапкам.

Всю работу с дрозофилой и результаты наблюдений фиксируют в соответствующем журнале. Оптимальными условиями для успешного размножения мух является температура 24-26° С, относительная влажность 70-80%, хорошая аэрация.

11. Эксперименты

Одним из нобелевских лауреатов, которому дрозофилы оказали неоценимую услугу, был замечательный американский зоолог и генетик Томас Хант Морган. Именно его имя использовалось для шельмования отечественных биологов в период "лысенковщины", когда были введены ругательные тогда слова вейсманисты-морганисты, менделисты-морганисты или просто морганисты.

Морган родился в 1866 г. в семье дипломата. Мать его была внучкой композитора Фрэнсиса Скопа Ли сочинившего американский национальный гимн. Не испытывая влияния биологов, Томас с детства интересовался биологическими объектами - он приносил в дом окаменелости, собрал коллекцию различных птиц, а первые свои научные исследования он выполнил, используя морских пауков.

В 1902 г. американский биолог Уильям С. Саттон высказал предположение, что единицы наследственности (гены) размещаются в хромосомах. Морган решил его опровергнуть, считая, что хромосомы не являются носителями наследственности, а возникают на ранних стадиях развития. Теперь мы уже знаем, что в конце концов он изменил свое мнение на противоположное, доказав прямую роль хромосом в процессах наследования макроскопических признаков живых организмов. Для выполнения этой работы в 1908 г. лучшего объекта, чем дрозофила, Морган найти не смог. Ему понадобилось вырастить и изучить несколько миллионов мушек, чтобы прийти к твердому убеждению, что хромосомы напрямую связаны с наследственностью. И это только один ученый. Дрозофилу использовали наверняка не менее нескольких сотен генетиков, и, следовательно, число мушек, понадобившихся науке, сравнимо с численностью людей на земном шаре.

Результаты некоторых экспериментов Моргана с дрозофилой, казалось, противоречили менделевскому закону независимого наследования, согласно которому каждый организм обладает генами, контролирующими тот или иной признак, и наследование одного признака, например пола, не зависит от наследования другого - например цвета глаз. Оказалось, что некоторые признаки все же связаны между собой, т.е. их сочетание встречается у потомков чем следует из законов Менделя.Так, например, белоглазость - мутантный признак - почти всегда встречается только у самцов. Это явление Морган назвал сцеплением с полом. Тенденция к сцеплению подсказало ученому, что гены, по-видимому, располагаются на одной и той же хромосомев тесной близости друг к другу. Было обнаружено что таких сцепленных групп у дроздофилы - четыре, и эта величина в точности совпала числом пар хромосом

Свои эксперименты Морган проводил в помещении, которое он называл мушиной комнатой. В 1914 г. в эту комнату явился студент-выпускник Герман Джозеф Меллер, которому впоследствии на той же дрозофиле суждено было открыть мутации под действием рентгеновского излучения. А пока Морган, Меллер и другие сотрудники старались ответить на вопрос, почему гены, расположенные на одной и той же хромосоме, наследовались реже, чем этого можно ожидать. Они предположили, что хромосомы, собранные в пары, могут расщепляться и обмениваться своими участками, генами, и назвали этот процесс кроссинговером. Предположение основывалось на обнаруженном бельгийским ученым Ф.А.Янсеном в 1909 г. (с помощью светового микроскопа) тесном переплетении хромосом.

Морган рассуждал так: чем больше расстояние между двумя генами в одной хромосоме, тем больше вероятность разрыва. Если это верно, то гены не будут наследоваться вместе, и наоборот - гены, расположенные в хромосоме близко друг от друга, имеют меньше шансов быть разделенными, т.е. верна гипотеза американского генетика Альфреда Генри Стертеванта о том, что сцепление двух генов в хромосоме определяется величиной линейного расстояния между ними. Иными словами, была высказана замечательная мысль, что, гены расположены вдоль хромосомы линейно, т.е. представляют собой линейную матрицу. Используя данные о частотах кроссинговера, Морган первым начал составлять хромосомные (или генетические) карты, где в линейной последовательности указывались гены, ответственные за тот или иной макроскопический признак (цвет глаз или брюшка, формой щетинок или крыльев и т.д.). Так, если частота обмена между двумя генами равна 5, то это означает, что они расположены в одной и той же хромосоме на расстоянии 5 условных линейных единиц. В дальнейшем имя Моргана, как ранее имена ряда других выдающихся ученых, например Дальтона, Ньютона, Джоуля, Ангстрема и других, стали использовать для наименования этих единиц, и в настоящее время они называются морганидами. В 1933 г. Т. X. Моргану была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытия, связанные с ролью хромосом в наследственности.

Морган изучал в основном самопроизвольно возникающие мутации. Но они могут быть вызваны и искусственно, например путем физических или химических воздействий. Первым физическим мутагенным фактором было рентгеновское излучение. Его использовал ученик Моргана Герман Меллер. Химический мутагенез еще в 30-е гг. открыл наш соотечественник Иосиф Абрамович Рапопорт, герой Великой Отечественной войны (он дважды был представлен к званию Героя Советского Союза) и настоящий герой науки во времена борьбы с "лысенковщиной". Однако опубликовать свои результаты о мутагенном действии формальдегида и других карбонильных соединений он смог только в 1946 г. одновременно с шотландкой Шарлоттой Ауэрбах, сообщившей в научной печати об аналогичных свойствах иприта. И опять объектом исследования было неприметная мушка.

Ричард Эксел (Richard Axel) и его коллеги изучили функции двух десятков генов, ответственных за восприятие вкуса у дрозофилы. Об этом - статья в Cell от 9 марта.

Группа Эксела продолжила исследования молекулярных биологов из Йельского университета Питера Клайна и Джона Карлсона, идентифицировавших комплекс генов под общим названием GR. Эти гены отвечают за формирование вкусовых рецепторов дрозофил: кодируемые ими белки присутствуют преимущественно в хоботках, ножках и усиках насекомых.

Эксел и его коллеги обнаружили большое сходство между GR и обонятельными генами дрозофилы. Это позволяет предположить, что у отдаленных предков мух за распознавание вкуса и запаха отвечали одни и те же гены, и лишь в процессе эволюции постепенно произошло их разделение на "вкусовые" и "обонятельные".

Исследователи считают, что дальнейшее изучение белков, отвечающих за распознавание вкуса и запаха, может привести к революции в сельском хозяйстве. Разобравшись в структуре молекул; можно будет создавать экологически чистые препараты, способные сделать сельскохозяйственные культуры невкусными или дурно пахнущими для насекомых-вредителей.

Различия в организации эу- и гетерохроматина дрозофилы.

Наиболее существенные свойства эу- и гетерохромати на, характеризующие различия в их организации, при ведены в табл. 1.

Даже первого взгляда на эту таблицу достаточно чтобы увидеть, насколько эу- и гетерохроматин различны по строению и функционированию. Некоторые из свойств очень интересны, и мы рассмотрим их боле детально.

Эффект положения мозаичного типа

Одним из удивительных свойств гетерохроматина является его способность передавать компактизованное состояние на эухроматиновые фрагменты хромосом, перенесенные в его соседство с помощью хромосомных перестроек (рис. 2). Гены в перенесенном фрагменте инактивируются, хотя и не во всех клетках одного и того же органа. Например, если ген w ⁺ у дрозофилы, обеспечивающий нормальный красный цвет глаз у мухи, переносится с помощью инверсии In(l)w ^m4 в новое положение - в окружение прицентромерного гетерохроматина, в части клеток он инактивируется. В результате на фоне нормально окрашенных участков глаза будут появляться пятна из неокрашенных белых клеток, в которых ген w ⁺ инактивирован - образуется как бы мозаика из окрашенных и неокрашенных клеток (см. рис. 2). Это явление; называемое эффектом положения мозаичного типа, в настоящее время изучают весьма интенсивно, поскольку исследователи полагают, что оно является удобной моделью для понимания генетического контроля механизмов компактизации - декомпактизации хроматина.

Во всех этих работах было сделано сенсационное открытие: наследственность можно преднамеренно изменять в лабораторных условиях. Последнюю точку в исследовании хромосом и генов как линейных матриц, по-видимому, поставил еще один наш соотечественник, лауреат Кимберовской премии (премии по генетике, дополняющей Нобелевские по физиологии и медицине) Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский, который совместно с немецкими учеными Клаусом Циммерманом и Максом Дельбрюком (еще одним нобелевским лауреатом) в 30-х гг. определил размер гена. И уже не в условных единицах, а в обычных единицах длины (например, в нанометрах). Полученные величины великолепно совпали с более поздними данными о размерах ДНК.

Гены Y-хромосомы.

Еще на заре рождения генетики, в 1916 году, американский ученый К. Бриджес установил, что экспериментально полученные самцы дрозофилы без Y-хромосомы (то есть ХО в отличие от нормальных самцов XY) имеют нормальную жизнеспособность и строение всех органов, но они полностью стерильны. В последующих экспериментах было показано, что Y-хромосома дрозофилы содержит только девять генов, из которых шесть влияют на способность самцов оставлять потомство (фертильность). Оставшиеся три гена - это bobbed (bb), серия или кластер генов, кодирующих рибосомную РНК и активность которых приводит к образованию ядрышка (нужно упомянуть, что второй ядрышкообразующий ген bb у дрозофилы находится также в гетерохроматиновом районе, но Х-хромосомы). Ген bb, состоящий из повторенных фрагментов, занимает около 5% всей ДН К Y-хромосомы.

В пределах гена bb находятся участки, контролирующие процесс коньюгации хромосом в мейозе. Дело в том, что в мейозе спариваются гомологичные хромосомы за счет конъюгации гомологичных последовательностей нуклеотидов ДНК. Поскольку половые Х- и Y-хромосомы морфологически и функционально совершенно различны, вопрос о механизмах спаривания этих элементов в мейотической профазе I достаточно актуален. Начиная с 1930-х годов накапливались данные о наличии участков спаривания в гетерохроматине Х-хромосомы, в районе локализации гена bobbed. Их назвали сайтами collohores (col ).

В 1990 году удалось показать, что ответственными за опознание Х- и Y-хромосом и их последующую конъюгацию и расхождение в мейозе являются короткие последовательности нуклеотидов длиной в 240 п.н., расположенные в промежутках между генами рибосомной РНК, как в Х-, так и Y-хромосоме. Участок локализации локуса со/ занимает в Y-хромосоме около 7% ее длины. Удаление bb с помощью хромосомных нехваток (делений) полностью нарушает правильную конъюгацию половых хромосом.

Еще один ген - crystal (cry ) влияет на поведение хромосом в мейозе и правильное формирование гамет. Разрывы участка хромосом, занимаемого этим геном, не приводят к развитию каких-либо фенотипических изменений у самцов дрозофил. Однако при полном или частичном удалении этого участка с помощью делений в первичных сперматоцитах, в клетках, из которых образуются сперматозоиды, появляются белковые кристаллы, а во время мейоза нарушается расщепление хромосом. Интересно отметить, что есть еще один ген, расположенный в эухроматине Х-хромосомы, - Stellate (Ste), который взаимодействует с геном crystal. При этом, если в Х-хромосоме присутствует нормальный аллель гена Stellate (Ste ⁺ ), кристаллы имеют игловидную форму, если мутантный Ste ^- - они приобретают вид звезды. Ген Ste ⁺ был клонирован, и в результате анализа ДНК было показано , что он содержит тандемно повторенную (до 200 раз) последовательность длиной 1250 п.н. Нужная степень повторенности этого фрагмента соответствует аллелю Ste ⁺ (игловидные кристаллы у Ste ⁺ /0 самцов, то есть тех, которые не имеют Y-хромосомы). Высокая степень повторенности приводит к образованию звездовидных кристаллов у Ste ^- /О. Транскрипты гена Ste ^- находят в семенниках. Ген Ste ⁺ кодирует бета-субъединицу фермента казеин-киназы-2. Этот белок, по-видимому, вовлечен в процессы конденсации хромосом и их последующего расхождения по гаметам.

Присутствие нормального аллеля гена crystal ингибирует накопление РНК гена Ste ⁺ . По существующим представлениям сгу ⁺ контролирует активность гена Ste ⁺ : удаление Y-хромосомы приводит к сверхпродукции Ste ⁺ -PHK, в результате чего избыток белка этого гена кристаллизуется в сперматоцитах и нарушает их функциональные возможности, что и приводит к стерильности.

У D. melanogaster найдено шесть факторов фертильности самцов (kl-5, kl-3, kl-2, kl-1, ks-I и ks-2 нарис. З) Из них три очень больших: kl-5, kl-3 и ks-1 -- занимают по 10% Y-хромосом каждый, то есть примерно по 4000 т.п.н.

Интересно проявляется активность факторов фертильности у дрозофилы. В 1961 году три немецких ученых (G.F. Меуег, О. Hess, W. Beermann) описали особые нитевидные структуры в ядрах развивающихся сперма тоцитов D. melanogaster, которые впоследствии стал называть петлями (рис. 5). Такие структуры нашли фактически у всех 50 изучаемых видов дрозофилы. Показано, что петли - это декомпактизованные, а следовательно, активные участки Y-хромосом. В них синтезируется РНК и накапливаются белки. Каждая петля ядре данного вида дрозофилы имеет характерные размеры, ультраструктуру и внешний вид (см. рис. 5). У других видов морфология набора петель другая.

О том, что петли формируются из материала Y-xpомосомы, свидетельствуют следующие факты.

1. У самцов, не имеющих Y-хромосомы (ХО), нет и петель, а у особей с двумя Y-хромосомами (XYY) они присутствуют в двойном наборе. Если происходит делеция части Y-хромосомы, обнаруживаются не все петли. В линиях с дупликациями частей Y-хромосом число петель соответственно увеличивается.

2. У межвидовых гибридов морфология петель такая же, как и у вида - донора Y-хромосомы.

Более детальный анализ показал, что гены ферментильности самцов локализованы в петлях.

1.Сначала были установлены корреляции между числом генов и петель. Затем, используя хромосомные - перестройки, установили прямое соответствие в их локализации. Так, фактор kl-5 соответствует петле А, поскольку и петля, и фактор располагаются между точками разрывов одних и тех же перестроек (см. рис. 3). Фактор kl- 3 расположен в петле B , ks-1 - в петле С.

2. При удалении делециями хотя бы одной петли самец становится стерильным.

После получения клонов ДНК из Y-хромосом дрозофил появилась возможность анализа молекулярной организации этой хромосомы. Общая длина петель составляет около 1000 мкм, или 1/12 всей длины ДНК в Y-хромосоме. Функции остальных 11/12 пока неизвестны. В состав ДНК Y-хромосомы входят два типа повторенных последовательностей.

Вывод:

Таким образом, муха Дрозофила играет большую роль, как объект генетических исследований. Исследование ее генов принесло известность многим генетикам. Изучая гены Дрозофилы, ученые открыли много законов, таких как: закон Моргана - сцепленного наследования генов и закон Менделя. К тому же у Дрозофилы нашли много различных генов, отвечающих за наследование некоторых признаков. В последствии многие из этих открытий применялись к людям. И если бы не было этих мух, ученые еще долго бы не открыли законы наследования у людей.

Таблица 1.

Свойства	Эухроматин	Гетерохроматин
Доля генома	67%	33%
Расположение в хромосомах	Плечи хромосом	В прицентромерных областях, вся Y-хромосом
Состояние компактности в клеточном	В ходе митотического и мейоти-	На протяжении всего клеточного цикла
Цикле	ческого делений
Компактизующее влияние на приближен	Не оказывает	Участки эухроматина, приближенные к гетеро
ные участки хромосом (эффект положе		хроматину, также становятся компактными,
ния мозаичного типа)		гены в них инактивируются
Способность объединяться с другими	Не отмечена	Гетерохроматиновые участки объединяйте;
районами хромосом		образуя хромоцентры
Образование хромосомных перестроек	Обычная частота обнаружения	Повышенная частота обнаружения
Расположение в клеточном ядре	По всему объему ядра	Главным образом на ядерной оболочке
Время синтеза ДНК в клеточном цикле	Первые 3/4 периода синтеза ДНК	Последняя половина S-периода. Завершени
	в интерфазе (S-периода)	процесса репликации ДНК сильно задержано
Дифференциальная окраска специфичес	Отсутствие окраски	Интенсивная окраска
кими красителями (С-окраска)
Фракции ДНК по степени повторенности	-90% уникальных последователь	Основная масса ДНК представлена высокопое
	ностей и -10% умеренно повто	торенными фракциями, в меньшей степен
	ренных	умеренными повторами и совсем мало уникал!
		ных последовательностей
Наличие особых компактизующих бел	Почти отсутствует	Обильно присутствует по всему гетерохромг
ков, например белка НР1		тину
Варьирование количества материала в	Заметное варьирование не обна	Варьирование количества гетерохроматина un
хромосомах	ружено	роко представлено в каждой хромосоме
Генетическое содержание	Основная часть всех генов генома	Гены почти отсутствуют
	локализована в эухроматине

Литература

1. Брэм А.Э. Жизнь животных: В 3 т. Т.3: Пресмыкающиеся. Земноводные. Рыбы. Беспозвоночные.-М.: ТЕРРА, 1992.

2. Соросовский Образовательный Журнал том 6 №2 2000

3. И.Ф. Жимулев Молекулярная и генетическая организация гетерохромотина в хромосомах дрозофилы. Биология №14 1996.

4. А.А. Замятнин Хромосомные матрицы, или Ода в честь плодовой мушки-дрозофилы

5. Бродский А.К. Механика полёта насекомых и эволюция крылового аппарата. - Л.: Наука. 1988. 132 с.