Основы генетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Раздел 1. Общие вопросы генетики поведения

Глава 1. Введение в генетику поведения животных

1.1 Предмет, цели, задачи, методы и место генетики поведения в системе биологических наук

1.2 История развития генетики поведения как науки

1.3 Понятие признака в генетике поведения

1.4 Методы оценки признаков поведения (поведенческое фенотипирование)

1.5 Некоторые принципы генетического анализа поведения

Глава 2. Пути реализации генетической информации на уровне поведения

2.1 Генетика морфологических особенностей нервной системы и их связь с изменчивостью признаков поведения

2.2 Связь поведения с некоторыми биохимическими показателями

2.3 Гормональная регуляция изменчивости признаков поведения и эндокринологическая генетика

Раздел 2. Специальная генетика поведения представителей некоторых таксономических групп

Глава 3 . Генетика поведения бактерий

3.1 Генетические основы социального поведения бактерий

3.2 Генетика хемотаксиса у бактерий

3.3 Самоидентификация и взаимное узнавание бактерий

Глава 4. Генетика поведения одноклеточных животных

4.1 Особенности поведения одноклеточных животных

4.2 Генетика поведения инфузорий

4.3 Генетика поведения Dictyostelium discoideum

Глава 5. Генетика поведения беспозвоночных животных

5.1 Генетика поведения круглых червей

5.2 Генетика поведения моллюсков

5.3 Генетика поведения насекомых

5.3.1 Насекомые как объект генетики поведения

5.3.2 Влияние отдельных генов на поведение насекомых

5.3.3 Некоторые аспекты генетики поведения общественных насекомых

5.3.4 Генетические основы нейрогуморальной регуляции поведения насекомых

5.3.5 Эволюционные аспекты поведения насекомых

5.3.6 Генетика полового поведения близких видов саранчовых (Acridoidea)

Глава 6. Генетика поведения дрозофилы

6.1 История изучения поведенческих мутаций дрозофилы

6.2 Зрительные мутации дрозофилы

6.3 Мутации двигательной системы у дрозофилы

6.4 Температурочувствительные мутации у дрозофилы

6.5 Мутации, нарушающие циркадные ритмы у дрозофилы

6.6 Мутации, изменяющие половое поведение дрозофилы

6.7 Использование мозаиков для выявления структур, затронутых поведенческими мутациями

6.8 Метод локализации фокуса действия мутации на карте презумптивных органов дрозофилы

6.9 Селекционно-генетический метод в анализе поведения дрозофилы

Глава 7. Генетика поведения птиц

7.1 Птицы как объект генетического анализа поведения

7.2 Средовая модификация некоторых форм врожденного поведения у птиц

7.3 Импринтинг и его роль в постнатальном онтогенезе выводковых птиц

7.4 Гибридологический анализ поведения птиц

7.5 Отдельные гены и признаки поведения птиц

7.6 Эволюционная модификация поведения птиц

Глава 8. Генетика поведения млекопитающих

8.1 Генетика поведения собак

8.2 Генетика поведения грызунов

8.3 Генетика поведения кошек

8.4 Генетика поведения лошадей и крупного рогатого скота

8.5 Генетика поведения лис

Раздел 1. Общие вопросы генетики поведения

генетика поведение млекопитающий насекомое

Глава 1. Введение в генетику поведения животных

1.1 Предмет, цели, задачи, методы и место генетики поведения в системе биологических наук

Поведение -- один из важнейших способов активного приспособления животных к многообразию условий окружающей среды. Оно обеспечивает выживание и успешное воспроизведение, как отдельной особи, так и вида в целом.

Поведением называют активность живого организма, направленную на взаимодействие с окружающей средой. Обычно под поведением понимают внешне проявляемое поведение, то есть те действия, которые могут быть замечены наблюдателем. В наиболее общем понимании поведение - это формируемый организмом отклик на сигналы, поступившие к нему от окружающей среды.

Поведение животных на организменном и надорганизменном уровне стало самостоятельным предметом научного исследования в конце XIX века. Термин «поведение животных» был введен в качество научного термина в 1898 году зоологами Ч. Уитманом и К.Л. Морганом.

Исследование поведения животных началось одновременно в рамках трех дисциплин: зоологии, психологии и физиологии. Зоологи сосредоточились главным образом на изучении видоспецифичного поведения животных, психологов интересовало поведение животных в связи с проявлением тех или иных психических способностей, а физиологи изучали нейрофизиологические механизмы поведения. С конца XIX века вся область исследования поведения и психики животных получила название зоопсихологии.

К середине ХХ века в области изучения поведения животных сформировались два ведущих направления: американская школа сравнительной психологии и европейская школа этологии.

Направление сравнительной психологии предполагало, что поведение животных почти целиком формируется внешней средой в процессе научения, представляя собой сочетание немногих безусловных и разнообразных условных рефлексов. Представители этологической школы считали, что поведение животных является генетически фиксированным, врожденным. Они также утверждали, что это поведение основано на сложных механизмах, не сводящихся только к рефлексам. Со временем оба направления стали осуществлять активный обмен идеями и взаимное заимствование методов исследования.

На рубеже 70-х гг. ХХ века появилось еще два зоологических направления в изучении поведения животных - социобиология и поведенческая экология. Сформировался интерес к изучению развития поведения в онтогенезе.

Таким образом, поведение животных давно привлекало внимание биологов. Им интересовались зоологи, экологи, физиологи, психологи. Поведение стало предметом изучения этологии и зоопсихологии, а с появлением науки генетики оно стало также и объектом генетического анализа.

Генетика поведения -- сравнительно молодая область знаний, сформировавшаяся на стыке генетики, биологии развития и комплекса наук, который включает в себя психологию, зоопсихологию, этологию, экологическую физиологию и другие дисциплины. Она является по своей природе междисциплинарной областью знаний.

Таким образом, генетика поведения - это интегрированное направление науки, предметом которого является изучение онтогенеза обширного класса биологических функций организма, именуемых «поведением».

В процессе своего развития, генетика поведения оказалась связанной с такими науками как нейрофизиология, эндокринология, психиатрия, биохимия, антропология, селекция, эволюционная биология и многими другими науками, объединяя их вокруг своей проблематики.

Основной целью генетики поведения является выяснение роли генетических факторов в определении особенностей поведения. Достижение этой цели связано с решением ряда задач:

§ определение относительной роли и взаимодействия генетических и средовых влияний при формировании поведения в онтогенезе;

§ изучение наследуемости стереотипных форм адаптивного поведения;

§ исследование механизма действия генов, определяющих развитие нервной системы;

§ изучение механизмов реализации действия мутантных генов, затрагивающих функцию ЦНС;

§ изучение генетико-популяционных механизмов формирования поведения и его изменений в процессе микроэволюции.

Важной проблемой генетики поведения стало выяснение относительного вклада наследственности и влияния окружающей среды в формирование поведенческого фенотипа. Генетики соглашались с тем, что любая форма поведения является генетически детерминированной нормой реакции на среду. Но для них было важно определить относительный вклад генетических и средовых факторов в развитие различных форм поведения.

Было обнаружено, что в различных средах возникают различные поведенческие эффекты, поскольку под влиянием среды генетические различия могут не только меняться, но и полностью подавляться. Хотя генотип животного остается постоянным в течение жизни, его поведенческие признаки могут существенно изменяться в процессе онтогенеза. Вероятно, и относительный вклад генотипа в индивидуальные различия может меняться в процессе развития организма. Меняется он и в процессе эволюционного развития. Будучи жестко генетически детерминированным у просто организованных животных, поведение, по мере продвижения организмов по ступеням эволюционного развития, постепенно освобождается от «диктата отдельных генов», приобретает большую пластичность, зависимость от среды, обеспечивающую адаптационные возможности вида в колеблющихся и меняющихся условиях. Это не означает, что наследственность теряет контроль над поведением, но формы этого контроля существенно изменяются, обеспечивая эволюционные выгоды для вида в целом.

Надо заметить, что термин «среда» в генетике поведения включает в себя множество факторов, влияющих на всех уровнях организации живого: молекулярном, клеточном, тканевом, организменном, надорганизменных уровнях.

К основным направлениям изучения генетики поведения относятся:

§ изучение детерминации онтогенеза поведения и генетической детерминации поведенческих реакций на уровне целого организма;

§ изучение корреляций между некоторыми биохимическими и поведенческими фенотипами, выявление физиологических и биохимических каналов, через которые реализуется генетическая информация на уровне поведения;

§ изучение роли поведения в микроэволюционных процессах и эволюционной модификации самого поведения;

§ изучение механизмов эволюционно-генетических преобразований домашних животных, и также анализ корреляционных связей между теми или иными свойствами поведения домашних животных и показателями продуктивности;

§ изучение генетических закономерностей, обусловливающих полиморфизм наследственных заболеваний нервной системы.

Существуют и другие направления. В современной генетике поведения лидирует направление, получившее название «нейрогенетика».

Нейрогенетика - это дисциплина, развившаяся на стыке генетики, нейробиологии и биологии развития. Это раздел генетики поведения, предметом которого является изучение наследственных механизмов деятельности нервной системы.

Нейрогенетика изучает экспрессию генов в связи с пластичностью поведения, занимается скринингом и позиционным клонированием мутаций, влияющих на поведение и функции мозга, осуществляет молекулярно-генетический анализ когнитивных процессов, изучает морфогенетические, молекулярные и физиологические механизмы развития и функционирования нервной системы и особенности формирования нервных сетей в онтогенезе. Для этого ученые используют молекулярно-биологические, биохимические, физиологические и морфологические методы.

Нейрогенетики исследуют самые разнообразные живые объекты. Это и млекопитающие, и насекомые, и моллюски, и амфибии. Но предпочтение отдается генетически хорошо изученным объектам, таким, например, как дрозофила (Рис.1.а.) и мышь (Рис.1.). В последнее время широко используются также быстро размножающиеся объекты - червь Caenorhabditis (Рис.2.) и рыбка Данио (Zebrafish) (Рис.3).

Рис.1.а. Drosophila melanogaster



Рис.1. Мышь Mus musculus

Рис.2. Нематода Caenorhabditis elegans

Рис.3. Zebrafish Danio rerio

Генетические исследования поведения и нейрофизиологических процессов ведутся с использованием двух подходов:

§ подход «от гена к поведению» предполагает исследование функции гена на молекулярном и физиологическом уровнях с последующим анализом влияния этого гена на поведение;

§ подход «от поведения к гену» направлен на изучение генетической компоненты изменчивости поведения с последующим анализом отдельных хромосом, генных комплексов и отдельных генов.

Подход «от гена к поведению» реализуется путем изучения генов, кодирующих ферменты и структурные белки, которые определяют общие и специфические признаки нервных клеток и клеток нейроглии, Изучаются также гены, кодирующие белки, связанные с функцией ЦНС как целого. Исследуется и влияние отдельных локусов, детерминирующих взаимодействие мозга с эндокринной системой, а также генов, участвующих в синтезе веществ химической сигнализации и генов, детерминирующих специфику поведения у беспозвоночных животных, в особенности у насекомых.

Подход «от поведения к генам», предполагает иные экспериментальные методы, отличающиеся от тех, которые используются при анализе работы отдельных генов. В таких исследованиях важен выбор адекватного признака для анализа и соблюдение правил генетического анализа поведения. Нужен признак, который представляет собой естественную «единицу» той или иной формы поведения. Успешный поиск такого признака связан с нейрофизиологическими основами поведения.

Внимание исследователей привлекали разные признаки у разных видов животных: предрасположенность к судорогам, общая возбудимость, локомоторная активность, ориентировочно-исследовательские реакции, разные аспекты репродуктивного поведения, классические и инструментальные условные реакции, реактивность к фармакологическим веществам.

Для исследования роли генотипа в формировании поведения исследователи чаще выбирали либо те признаки, которые легко поддаются количественному учету (например, четкие видоспецифичные движения), либо те признаки, которые легко измерить по степени выраженности (например, уровень локомоторной активности, измеряемый по длине пройденного животным пути за фиксированное время опыта).

Дополнительные трудности при проведении генетических исследований вызывало то, что многие признаки поведения весьма существенно зависят от ряда внешних по отношению к нервной системе факторов, например от сезона, гормонального фона организма и т.д. Кроме того, если в эксперимент берутся не клоны, то всегда присутствует еще и генетический компонент изменчивости признаков поведения. Многие из этих признаков могут варьировать, обнаруживая фенотипическую изменчивость в пределах нормы реакции, размах которой определяется генотипом.

Для поведенческих признаков характерна еще одна специфическая форма изменчивости - это изменчивость признаков поведения животных, которая связана с воздействием индивидуального опыта, т.е. с разными формами обучения, формированием представлений и т.д.

Генетика поведения пользуется самыми разными методами исследования: генетическими, молекулярно-биологическими, цитологическими, гистологическими, биохимическими, физиологическими, морфологическими и другими методами смежных наук. Основной группой методов, безусловно, являются генетические.

Методы изучения генетики поведения совершенствовались по мере разработки математических приёмов для оценки количественных признаков. Именно количественная природа многих поведенческих признаков позволяет широко использовать в генетике поведения классические методы количественной генетики и селекции. Например, анализ фенотипической вариансы, разложение ее на паратипическую и генотипическую компоненты; разложение генотипической компоненты на фиксируемую (обусловленную аддитивным взаимодействием) и нефиксируемую (зависящую от доминирования или эпистатического взаимодействия) составляющие.

Но применение методов количественной генетики при анализе поведения сопряжено со значительными трудностями, поскольку многие поведенческие признаки не поддаются строгой количественной оценке.

Классический гибридологический анализ в генетике поведения применяется ограниченно, а вот его модификация -- диаллельные скрещивания -- нашла очень широкое применение. Этот метод позволяет анализировать результаты системы множественных скрещиваний между собой нескольких линий животных. Суть метода заключается в оценке средних величин признака и их дисперсии у животных нескольких (минимум трёх) инбредных линий, а также гибридов всех возможных сочетаний. Результатом использования данного метода является получение величин компонент дисперсии и величин, характеризующих уровни ковариации признаков у разных генетических групп.

Помимо данных о характере генетической изменчивости признака поведения, результаты диаллельных скрещиваний иногда позволяют получить информацию, существенную для понимания физиологических процессов, лежащих в основе проявления этого признака.

Для изучения генетики поведения объектов, частная генетика которых хорошо изучена, становится возможным проведение дальнейших этапов генетического анализа: разложение генетической изменчивости на компоненты, зависящие от вклада отдельных групп сцепления.

Генетика поведения использует и селекционные методы. Первые селекционные эксперименты были посвящены исследованию способности крыс к обучению в лабиринте. В настоящее время осуществляется селекция многих поведенческих признаков: это двигательная активность, уровень эмоциональной реактивности, половое поведение, алкогольное предпочтение и др. Главные результаты селекционных экспериментов заключаются в создании контрастных по особенностям поведения линий животных. Наличие таких линий имеет особую ценность в генетических исследованиях поведения, так как, с одной стороны, позволяет направленно комбинировать зафиксированные путём отбора генотипы, а с другой - даёт возможность применять перекрестное воспитание и оценивать постнатальные материнские эффекты.

Но при отборе по сложным поведенческим признакам, в реализации которых принимают участие различные физиологические системы (сенсорные, ассоциативные, эффекторные), селекционный метод оказывается недостаточным.

Широко используемой моделью в генетике поведения животных является создание инбредных линий. Инбредные линии представляют собой популяции практически идентичных генетически особей, полученные путём скрещивания полных братьев и сестёр в ряду поколений. В последнее время исследователи научились получать инбредные линии путём клонирования.

Генетики изучают генетически идентичные линии в разных условиях. Поскольку все особи инбредной линии считаются генетически одинаковыми, то наблюдаемые различия в поведении могут быть обусловлены пре- или постнатальными средовыми факторами.

Но информация, которую можно получить в результате простого сравнения инбредных линий, отличающихся по особенностям поведения, довольно противоречива. Поэтому ученые заняты поиском корреляций поведенческих признаков с нейрофизиологическими и биохимическими признаками.

Современный этап развития науки обогатил генетику поведения такими методами как метод рекомбинантных инбредных линий (РИЛ) и сравнения характера распределений значений различных признаков в группе РИЛ (strain distribution pattern), метод QTL (quantitative trait loci) анализа, методы создания и исследования мозаичных и химерных животных, методы создания трансгенных организмов и животных-нокаутов.

Метод рекомбинантных инбредных линий в ряде случаев позволяет выявить небольшое число «главных» генов, обеспечивающих наибольший вклад в изменчивость данного полигенного признака, а также дать информацию об их локализации в хромосоме.

Активное развитие молекулярно-биологических методов и накопление данных, полученных с их помощью, позволило существенно усовершенствовать метод РИЛ и успешно проводить картирование локусов количественных признаков (QTL анализ).

Эффективной молекулярной технологией, которая существенно повысила эффективность анализа сложно наследуемых признаков, стал анализ микрочипов (microarray analysis), метод, который позволяет исследовать тысячи генов одновременно. При использовании этого метода геном организма экстрагируется и помещается в определённые участки на чипе, который предварительно выдерживается в растворе, содержащем молекулы РНК, экспрессированные в определённых типах клеток, и флуоресцентную метку. Если данный ген экспрессируется в данном типе клеток, молекулы РНК из раствора комплементарно с ним связываются (пригибридизуются), что обусловливает свечение соответствующего сегмента. Чем сильнее экспрессия гена, тем ярче флуоресценция.

Используются в генетике поведения и мутационные модели, поскольку оперируя одним геном, исследователь имеет больше возможностей для выяснения механизмов воздействия этого генам на поведенческие признаки. При этом используют несколько подходов. Один их них - это изучение поведенческих эффектов уже известных мутаций, например тех, для которых уже выяснен биохимический механизм их проявления, например блокирование активности определённых ферментов. Второй подход предполагает использование имеющихся или выделение новых нейрологических мутаций.

По мере возрастания интереса к эволюционной и популяционной генетике поведения, усиливается тенденция использования в опыте диких животных. В подобных исследованиях изучают различия в поведении, возникшие в результате биологической специализации близких видов животных или внутривидовой дивергенции и используют методы эволюционной и популяционной генетики.

Интересные результаты при изучении генетики поведения показало использование метода нокаутов (knockout study). Этот метод хорошо разработан для применения на мышах, но для более крупных млекопитающих он разработан слабо, и совсем не применим в исследованиях на человеке. Метод нокаутов предполагает инактивацию конкретного гена в стволовых клетках. Эти клетки затем помещаются в эмбрион, который имплантируется в матку самки. Гаметы появившегося потомства проверяют на наличие выключенного гена. И те, которые его несут, используют в дальнейшей селекции для получения линии мышей-нокаутов, т.е. линии все животные в которой имеют нехватку конкретного гена. Поведение этих животных сравнивают с интактными. Если поведение отличается, делают вывод о том, что исследуемый ген влияет на данную поведенческую реакцию.

С помощью метода нокаутов можно вставлять или инактивировать даже небольшие сегменты ДНК, для того, чтобы определить функции составных частей гена. Исследователи также могу перемещать ген из одной точки генома в другую, что бы понять, как место расположения гена влияет на его экспрессию.

Среди поведенческих признаков мыши, изученных методом нокаута, двигательная активность, исследовательское поведение, обучение и память, социальные взаимодействия и стресс ответ.

Для анализа поведенческих признаков человека активно и успешно используются классические методы генетики человека: семейный (генеалогический) анализ, близнецовый метод, метод приёмных детей, анализ сцепления, анализ ассоциаций.

Несмотря на разнообразие методов, исторически сложилось всего несколько подходов в изучении генетики поведения и анализа наследования поведенческих признаков.

Первый подход заключается в определении поведенческих различий между различными линиями того же самого вида или между тесно родственными видами.

Второй подход связан с селекцией животных по определенным поведенческим признакам.

Третий подход предполагает изучение влияния отдельных генов на поведение.

Но при любом их этих подходов ученые, занимающиеся генетикой поведения, сталкиваются с одинаковыми трудностями.

Первая трудность - это трудность унификации условий эксперимента. Различия в жизненном опыте, накопленном животными до эксперимента, влияют на их поведение во время эксперимента. Поэтому необходим тщательный контроль практически всех условий эксперимента, это является совершенно необходимым условием в исследованиях по генетике поведения.

Вторая трудность связана с трудностью объективных измерений. Элемент субъективности, который может быть сведен к минимуму при анализе биохимических, физиологических и морфологических признаков, серьезно влияет на исследования в области генетики поведения.

И, наконец, ученые, занимающиеся генетикой поведения, сталкиваются с явлениями научения и рассудочной деятельности, а других областях генетики с этим обычно дела не имеют. Это обстоятельство можно считать наиболее существенной уникальной особенностью генетики поведения как специфической отрасли генетики.

Изучать генетические основы поведения сложно, прежде всего, потому, что для поведенческих признаков характерна широкая норма реакции и высокая онтогенетическая лабильность. Поэтому генетика поведения не приобрела еще той стройности и логической структурированности, которые характерны для других областей генетики. Но она тесно взаимодействует с ними, объединяя вокруг своей тематики множество смежных наук. Эта интеграционная функция и определяет место генетики поведения среди других генетических наук.

1.2 История развития генетики поведения как науки

Еще в IV веке христианский философ и богослов - Аврелий Августин, наблюдая за поведением рыбок в аквариуме, обратил внимание на то, что особенности поведения рыб передаются от родителей потомкам. Сначала Аврелий Августин заметил, что есть «умные» рыбки, которые быстро обучаются, и «глупые», которые плохо соображают и медленно обучаются. А потом он обнаружил, что потомки рыбок обучались точно так же, как и их родители: дети «умных» - были «умными», дети «глупых» - были «глупыми».

Научными наблюдения Аврелия Августина, конечно, не являлись, но он намного опередил свое время -- в науке интерес к наследственности появился только в XVIII веке.

Рис.1.4. Августин Аврелий (354-430 г.г.)

Рис.1.4. а Августин Аврелий (354-430 г.г.)

Началом изучения генетики поведения можно считать работы Френсиса Гальтона - двоюродного брата Чарльза Дарвина по их деду - Эразмусу (Эразму) Дарвину.

Френсис Гальтон был вундеркиндом. В полтора года он знал алфавит, в два с половиной - стал читать, а в три - писать. В четыре года он уже знал наизусть стихи по-латыни, арифметику и немного французский язык, а в шесть - всю английскую классическую литературу, включая Шекспира. Прочтя страницу дважды, он мог повторить ее слово в слово наизусть.

Круг интересов Гальтона был чрезвычайно широк. В молодости он много путешествовал, занимался этнографией и географией человека, изучал наследственность человека, его талант и способности, разработал методику генеалогического анализа. Именно он впервые использовал метод исследования близнецов в биологии и в психологии, так называемый «близнецовый анализ».

Гальтон внес весомый вклад в теорию статистики и применил статистический анализ в биологии человека и психологии. Гальтона считают одним из основоположников экспериментальной психологии. Он первым ввел в нее психологические тесты и опросники, разработал антропометрию - исследование человека путем измерения его внешних анатомических признаков, занимался дактилоскопией - исследованием кожных пальцевых узоров. Гальтон является основателем науки евгеники.

В 1865 году Гальтон опубликовал статью «Наследственный талант и характер», а четырьмя годами позднее, в 1869 году, фундаментальную монографию «Hereditary genius», что переводят как «Наследственность таланта» или «Наследственный гений».

Гальтон считал, что психические свойства человека наследуются, так же как и физические. Он писал о равном вкладе отца и матери в наследственность детей.

Гальтон изучил биографии около четырехсот талантливых людей и пришел к выводу о наследовании способностей и таланта. Наследственными, по мнению Гальтона, являются не только способности и талант, но и другие психические и биологические свойства: склонность к пьянству, к бродяжничеству, к туберкулезу, болезням сердца и к долголетию, а также мораль и религия.

Гальтон выдвинут «теорию корня», которая предвосхитила идею Вейсмана о «зачатковом пути», то есть, по сути дела, идею о развертывании генетической программы, содержащейся в половых клетках.

В те времена взгляды Гальтона были весьма необычными, потому что большинство его современников, в том числе друг Герберт Спенсер и его двоюродный брат Чарльз Дарвин, полагали, что в формировании организма большую или даже ведущую роль играют факторы среды.

Для доказательства ведущей роли наследственности в формировании организма Гальтон создал и использовал близнецовый метод. Он первым различил два типа близнецов: однояйцовые и двуяйцовые. Изучая однояйцовых близнецов, Гальтон обнаружил, что признаки сходства не ослабевают с возрастом: пожилые однояйцовые близнецы так же похожи друг на друга, как в детстве. Они даже заболевают одними и теми же болезнями. Что же касается психологического сходства, то Гальтон приводит в качестве его доказательства один анекдотический пример: два близнеца купили на день рождения друг другу в качестве подарков одинаковые бокалы для шампанского, причем один из них сделал эту покупку в Англии, а другой - в Шотландии.

Гальтон считал, что наследственность значительно важнее роли средовых факторов. Он стал основателем науки об этиологии индивидуальных различий.

Круг вопросов, которым сэр Гальтон посвящал своё время, был чрезвычайно широк, он был очень эрудированным человеком, но для появления генетики поведения необходимо было возникновение самой науки генетики, которая возникла на рубеже ХIХ и ХХ века.

Рис.1.5. Френсис Гальтон (1822 - 1911)

Всерьез заняться изучением влияния наследственных факторов на поведение ученые смогли только после 1900 года.

Официальной датой рождения генетики поведения считают 1960 год. Но, тем не менее, первая экспериментальная работа по генетике поведения была проведена уже в 1913 году американской исследовательницей Адой Йеркс, которая изучала наследование комплекса злобности, пугливости и дикости у крыс. Однако эта работа была тогда единственной в своем роде.

В начале ХХ века исследования поведения, с одной стороны, и генетические исследования -- с другой велись практически независимо друг от друга. Генетики были заняты изучением наследования легко выявляемых, в первую очередь морфологических и анатомических различий между животными и не вели исследований генетически обусловленной компоненты в особенностях поведения. Одна из причин этого заключалась в том, что измерение поведенческих признаков по сравнению с морфологическими признаками представляло и представляет значительные трудности.

Но со временем появились теоретические и экспериментальные данные, необходимые для объединения генетического и психологического подходов в изучении поведения. В 1915 году Альфредом Стёртевантом, одним из сотрудников знаменитой «дрозофилиной» лаборатории Колумбийского университета, руководимой Томасом Гентом Морганом, были описаны различия половой активности самцов у разных генетических линий Drosophila melanogaster. В каком-то смысле эти первые экспериментальные исследования поведения дрозофилы являлись «побочным продуктом» генетических и эволюционных исследований, преследовавших иные самостоятельные цели.

Рис.1.6. Томас Гент Морган (1866 -1945)

Исследования плейотропного эффекта мутаций, влияющих на цвет тела и глаз, были первыми в области генетики поведения дрозофилы. Опыты Стёртеванта по изучению влияния на половую активность и избирательность спаривания рецессивных мутаций, нарушающих пигментацию глаз (white, vermilion), тела (yellow) и изменяющих форму крыльев (curved) показали достоверное снижение способности к ухаживанию мутантных самцов по сравнению с самцами дикого типа.



Рис.1.7. Альфред Стёртевант (1891-1970)

В 10-х годах ХХ века появился целый ряд работ, в основном Ф. Добржанского, Э. Майра и их сотрудников, по репродуктивной изоляции между многими обнаруженными в то время расами и видами дрозофилы. Примерно в то же время были описаны и поведенческие различия между генетическими типами некоторых грызунов, в основном домовой мыши.

Рис.1.8. Феодосий Добржанский (1900 - 1975)

Рис.1.9. Эрнст Майр (1904 - 2005)

Так постепенно стали накапливаться данные, полученные генетическими методами и имеющие отношение к поведенческим реакциям. Но генетика поведения как самостоятельное научное направление еще не сформировалась.

В 1923 году вышла в свет известная работа академика И.П. Павлова «Новые исследования по условным рефлексам», в которой автор высказал мнение о том, что приобретенные в течение жизни условные рефлексы могут передаваться по наследству потомкам, превращаясь со временем во врожденные, безусловные рефлексы. Другой русский ученый, Н.К. Кольцов, выступил с резкой критикой представлений И.П. Павлова о наследственной передаче благоприобретенных признаков, в данном случае условных рефлексов. Кольцов отметил, что Павлов никогда не работал в области генетики, и не представляет себе всей сложности генетических проблем. И.П.Павлов был вынужден согласиться с критикой, и отказаться от своего предположения. Это была первая серьезная полемика по вопросам наследования поведенческих навыков.

Рис.1.10. И.П. Павлов (1849 - 1936)

Рис.1.11. Николай Константинович Кольцов (1872- 1940)

Значительную роль в формировании генетического подхода к анализу поведения животных сыграли работы сотрудников специальной генетической лаборатории в США, так называемой Джексоновской лаборатории в штате Мэн. Это учреждение - всемирно известный центр, основанный в 1929 году генетиком Кларенсом Куком Литтлом. Лаборатория задумывалась как центр исследований генетики млекопитающих. В ней и в настоящее время поддерживается большое количество инбредных и отселектированных линий мышей, с которыми работают ученые-генетики всего мира.

История этой лаборатории такова.

Кларенс Кук Литл (1888 - 1971) в 1909 году, работая Гарвардском университете, получил первую инбредную линию мышей, пригодную для генетических исследований. Это линия DBA, существующая по сей день. Мыши этой линии имеют светло-коричневую окраску.

Работа Кларенса Литла по выведению инбредной линии заняла несколько лет. Подобную селекцию провели до Литла еще в XIX веке любители мышей в Японии. Они путем близкородственного скрещивания закрепили в потомстве мышей мутацию, которая вызывала нарушение работы гипофиза и вестибулярного аппарата. В результате этого мыши часто начинают быстро крутиться на одном месте. Эта порода получила название «танцующих мышей».

В 1929 году Кларенс Литл основал в городе Бар-Харбор (штат Мэн) Джексоновскую лабораторию, которая стала центром исследований по генетике и одновременно базой производства чистых линий мышей. Она получила название в честь Роско Джексона - главы автомобильной компании Hudson Motor Car, финансировавшей создание лаборатории.

К 1944 году Джексоновская лаборатория поставляла еженедельно 9000 мышей в другие лаборатории США. В ней же велись и исследовательские работы. В 1947 году во время пожара лаборатория погибла, но она была быстро восстановлено, а поголовье мышей восполнено благодаря животным, присланным учеными со всего мира, ранее получавшими мышей из Джексоновской лаборатории.

Сейчас Джексоновская лаборатория - всемирно известный научный центр, где ведутся исследования по многим направлениям, например, по генетике млекопитающих и онкологическим заболеваниям. Одновременно эта лаборатория служит крупным центром подготовки специалистов по молекулярной биологии. И, конечно же, Джексоновская лаборатория по-прежнему остается лидером в выращивании лабораторных мышей: сейчас она ежегодно поставляет около двух миллионов животных в научные учреждения всего мира.

В коллекции Джексоновской лаборатории имеется десятки мутаций, затрагивающих строение мозга и поведение, что делает ее интересной для ученых, занимающихся генетикой поведения. Коллекция дала возможность ученым разных стран скринировать множество линий животных, и выявить межлинейные различия поведения и нейрохимических признаков. Она также послужила основой для разработки новых подходов к изучению генетики количественных признаков - метода рекомбинантных инбредных линий и метода картирования QTL (quantitative trait loci).

В Джексоновской лаборатории впоследствии было сделано немало важных открытий. Например, Джордж Снелл, работавший там, при помощи опытов на мышах открыл генетические факторы, определяющие тканевую совместимость при пересадке органов. Он открыл область генома, названную «главным комплексом гистосовместимости». Гены этой области кодируют определенные белки, находящиеся на поверхности клеток, и играют важную роль в работе иммунной системы. В 1980 году Джордж Снелл получил за свои работы Нобелевскую премию.

В Советском Союзе первым исследованием, посвященным генетическим основам поведения, была работа М.П. Садовниковой-Кольцовой, выполненная в 20-е годы. В статье «Генетический анализ психических особенностей крыс» она показала, что среди крыс, мышей и других животных удается выделить различные наследственные типы психических способностей, очистить их путем отбора в течение нескольких поколений и затем перейти к установлению законов наследования этих способностей.



Рис. 1. 12. Мария Полиевктовна Садовникова-Кольцова

По инициативе академика И.П. Павлова в Колтушах была создана лаборатория генетики высшей нервной деятельности, задачей которой было изучение генетических основ индивидуальных особенностей условнорефлекторной деятельности собак. В этой лаборатории занимались также проблемами генетической детерминированности свойств нервной системы и вопросами сравнительной генетики поведения.

Генетикой поведения занимались не только в Институте физиологии им. И. П. Павлова, но и в Институте цитологии и генетики СО АН СССР, в Московском и Ленинградском университетах. Позже именно эти учреждения стали центрами изучения генетики поведения животных.

Генетика поведения опиралась на знания, полученные этологией. Этология сформировалась как самостоятельная дисциплина, изучающая поведение животных в 30-е годы XX века. Этологи изучают и инстинктивное поведение животных, и такое свойство поведения как способность видоизменяться под влиянием предшествующего опыта (т.е. обучение), и способность к рассудочной деятельности.

Основные положения классической этологической концепции включают в себя представления о фиксированных комплексах действий (ФКД) как единицах инстинктивного поведения, о схеме поведенческого акта (по У. Крейгу), представления о «ключевых» раздражителях и «спонтанности» поведения, о запечатлении как особой форме обучения и соотношении «врожденного» и «приобретенного» поведения.

В конце 50-х годов нидерландский зоолог Н.Тинберген, анализируя пути развития и методы этологии, выделил четыре направления исследований:

§ изучение механизмов поведения;

§ изучение функциональной роли поведения;

§ изучение индивидуального развития поведения;

§ изучение эволюции поведения.

Рис.1.13. Николас Тинберген (1907 - 1988)

Рис.1.13. а Николас Тинберген (1907 - 1988)

В процессе развития этологии были разработаны представления о поведении животных при конфликте, об эволюции замещающих движений («ритуалов» и «демонстраций») и, наконец, о двух путях эволюции поведения, протекающей на основе «открытой» и «закрытой» генетических программ (К. Лоренц и Э. Майр). Эти представления позволили по-новому подойти к проблеме врожденного и приобретенного в поведении.

Рис.1.14. Конрад Лоренц (1903 -- 1989)



Рис.1.15. Эрнст Майр (1904 -- 2005).

Для исследования роли генотипа в формировании того или иного признака поведения стали широко использовать понятие «фиксированные комплексы действий» (ФКД). В связи с тем, что инстинктивные действия стереотипны по форме и свойственны всем особям данного вида, внутривидовая изменчивость генетически детерминированного поведения должна проявляется в виде изменения частоты выполнения этих действий, и большей или меньшей легкости их провокации. Многочисленные исследования показали, что очень большая доля внутривидовых поведенческих различий у животных связана с изменением частоты определенных ФКД и порога их провокации.

Достаточно полную картину современных знаний о поведении животных могут дать известные учебники и учебные пособия по поведению животных (Р. Шовен, 1972; Р. Хайнд, 1975; К.Э. Фабри, 1979; Н.Тинберген, 1978; Д. Дьюсбери, 1981; О. Меннинг, 1982; Д. Мак-Фарленд, 1988; Дж. Гуддол, 1992; Н.Тинберген 1993; Л.В.Крушинский, 1993; З.А. Зорина, И.И.Полетаева, 2000; Ж.И. Резникова, 2004).

В отличие от этологии, которая со времени своего зарождения представляла собой целостную концепцию, а затем постепенно разделилась на ряд самостоятельных направлений, генетика поведения формировалась на основе разрозненных работ, выполненных генетическими методами. Но общий прогресс знаний о поведении животных, накопление конкретных данных по генетической изменчивости строения мозга и поведения, а также влияние идей и методов биологии развития привели к тому, что генетика поведения постепенно превратилась в самостоятельное научное направление.

Тесно связана с генетикой поведения еще одна биологическая наука - феногенетика -- научное направление, зародившееся в начале в 30-х годов.

Феногенетика - это раздел генетики, изучающий пути реализации наследственной информации в процессе индивидуального развития организма. Поскольку в феногенетике большое место занимают вопросы о механизмах генетической регуляции индивидуального развития организмов, то она тесно связана со многими биологическими направлениями. Современная феногенетика - это широкая область, включающая в себя изучение молекулярных механизмов действия генов и регуляции их активности, изучение взаимодействия генов и их продуктов в процессах реализации генетической информации, исследование роли наследственности и среды в формировании признаков организмов.

К началу шестидесятых годов среди работ по генетике поведения широкую известность получили работы Л.В. Крушинского, C.S. Hall, T.W. Klein, С.Н. Давиденкова.

Наряду с И.П. Павловым, К. Лоренцом и Н. Тинбергеном, открывшими механизмы инстинктов и обучения, Л.В. Крушинского по праву можно считать основоположником общей теории поведения. Ему принадлежит оригинальная концепция нейробиологических основ рассудочной деятельности, неотъемлемой частью которой являются основы классической этологии и генетики поведения.



Рис.1.16. Леонид Викторович Крушинский

Будучи учеником крупнейших ученых XX в. - Н.К.Кольцова, М.М. Завадовского, Д.П.Филатова, стоявших у истоков отечественной биологии развития, Крушинский рассматривал отдельные проблемы нейрофизиологии, генетики и этологии в свете общебиологических закономерностей развития организма.

Совместно с Л.Н.Молодкиной Крушинским была выведена линия крыс, позднее названной линией КМ по первым буквам фамилий авторов. У крыс этой линии в ответ только на звуковое воздействие возникает целый ряд патологических состояний: эпилептиформный судорожный припадок, каталепсия, миоклонический гиперкинез, острые нарушения кровообращения, приводящие к парезам и параличам, мозговым инсультам с летальным исходом. Это делает линию КМ уникальной в мировой коллекции лабораторных животных.

Большое внимание Крушинский уделил изучению влияния генотипа на способность к элементарной рассудочней деятельности. С этой целью проводились эксперименты на животных диких и доместицированных форм (опыты М.Н.Сотской и Л.М.Кузнецовой), а также на животных с измененным кариотипом: ди- и триплоидных формах рыб, изучавшихся Н.Б.Астауровой и мышах с Робертсоновскими транслокациями, осуществленные И.И.Полетаевой и Л.Г.Романовой, при участии В.С.Баранова и А.П.Дыбана.

Эти эксперименты показали, что рассудочная деятельность во многом обусловлена генотипом и находится в прямой зависимости от уровня организации нервной системы животных, морфофизиологических особенностей мозга и тонкого строения его отдельных нейронов, а способность к разумной деятельности начинает проявляться в онтогенезе только после завершения процесса миелинизации нервных волокон.

Давиденков С.Н., крупнейший невропатолог и генетик человека, еще в 1925 году утверждал, что рациональная классификация наследственных болезней должна быть «каталогом генов, а не фенотипических различий». Именно его работы сыграли большую роль в развитии клинической нейрогенетики, особенно монография «Эволюционно-генетические проблемы в невропатологии», изданная в 1948 году.

Рис.1.17. Сергей Николаевич Давиденков

Исследования А.Н. Промптова по поведению птиц, выполненные с использованием классического метода генетики - гибридологического анализа, разрушали противопоставление «врожденного» и «приобретенного» в поведении. Они показали, что поведение - это результат онтогенетического развития, и любая форма поведения птиц (гнездостроение, питание, забота о потомстве) представляет собой своеобразный сплав различных двигательных актов. Некоторые из них не подвергаются модификации в онтогенезе особи, их Промптов назвал «моторными координациями», жестко определяемыми генотипом. Работы Промптова были уникальными. Дж. Хаксли, посетивший в 1945 году Колтуши и ознакомившись с этими исследованиями, писал: «Это, я полагаю, единственная в мире работа, посвященная генетике поведения диких видов птиц».



Рис.1.18. Александр Николаевич Промптов

Следует также упомянуть об оригинальных генетических исследованиях Р.А.Мазинг, изучавшей проявление некоторых морфологических мутаций дрозофилы (Bar, eyeless, white и др.). Поведение мух, а именно их реакция на свет и выбор места для откладки яиц, при этих мутациях зависели от генетического фона линии, несущей мутации.

Со смертью А.Н.Промптова и Р.А.Мазинг генетика поведения в СССР понесла невосполнимые потери.

До начала 60-х годов успехи генетики поведения оставались весьма скромными, очевидно в силу большой сложности самого предмета изучения и отсутствия эффективных генетических подходов. Итоги всего этого периода исследований подведены в монографии Дж.Фуллера и У.Томпсона «Генетика поведения», и в монографии Л. В. Крушинского «Формирование поведения в норме и патологии».

Началом самоопределения генетики поведения обычно считают 1960 год - год публикации первой обобщающей монографии американских ученых Дж. Фуллера и У.Томпсона «Генетика поведения». Оба автора по своему образованию не были генетиками, но, приступив к исследованию поведения, четко осознали значение генетического подхода. Не прибегая к сложным генетическим рассуждениям, они смогли убедительно показать необходимость оценки роли генотипа в формировании поведения. Авторы писали: «Пришло время последовательно изложить современное состояние раздела знаний, который мы называем «генетикой поведения». Работа эта не претендует на полноту и завершенность, поскольку данная область исследований находится сейчас на стадии динамичного развития».

Еще одной работой, важной для становления этого направления, была монография Дж. Скотта и Дж. Фуллера по генетике поведения собак, которая была написана в результате 12-летних исследований с чистокровными породами собак и их гибридами. Дж. Скотт в 1966 году нашел большие различия между породами собак по наследованию реакции лая. Так, коккер-спаниели лают очень часто, а африканские охотничьи собаки бейсенджи почти не лают. Ученый объяснил эти различия разным генетически детерминированным порогом реакции собак на внешние раздражители. У спаниеля он очень низок, а у бейсенджи высок. Гибриды первого поколения близки по реакции лая к спаниелям, следовательно, реакция эта является доминантным признаком.

Исследования по генетике поведения огромного большинства других видов начались в семидесятые годы. Многочисленные работы, направленные на идентификацию и изучение мутаций, воздействующих на реакции простейших и нервную систему нематод, прямокрылых (насекомые) и других организмов, вылились в новое направление исследований, получившее название нейрогенетика. Возникла генетика поведения бактерий, основным объектом которой стали мутанты, проявляющие различную степень аттрактивности к тем или иным химическим веществам. Начала формироваться эволюционная генетика поведения. Генетика поведения стала дифференцироваться на отдельные научные направления.

В Институте цитологии и генетики СО АН СССР под руководством академика Д.К. Беляева в 60-е годы были начаты эксперименты по генетике поведения серебристо-черных лисиц. На биологическом факультете МГУ в лаборатории физиологии и генетики поведения проводились исследования по генетике поведения крыс. Исследовалась роль генотипа в формировании сложного адаптивного поведения -- способности животных к экстраполяции направления движения стимула.

Отразились на генетике поведения и работы цитолога Хольгера Хидена, проведенные в 60-е годы. Благодаря этим исследованиям возникло представление о так называемых молекулах памяти. Хиден разработал метод, позволяющий анализировать количество РНК и даже ее качественный состав в отдельных изолированных нервных клетках. В опытах по обучению крыс X. Хиден и его сотрудники обнаружили, что количество РНК в тех нейронах крыс, которые предположительно имеют отношение к данной форме обучения, увеличивается, а ее качественный состав изменяется. Ученые пришли к выводу, что в ходе обучения активируются новые, ранее «молчавшие» гены, которые синтезируют новую информационную РНК (мРНК), являющуюся носителем памяти -- молекулами памяти. Но эта весьма привлекательная гипотеза не подтвердилась. Методика определения качественного состава РНК, разработанная X. Хиденом оказалась слишком грубой и не отражала реальной ситуации, наблюдавшейся в клетке. Когда появилась более точная методика, оказалось, что качественных изменений РНК в нейронах при обучении не происходит, и могут иметь место лишь изменения количественного соотношения разных фракций мРНК, уже существовавших в клетке. Дальнейшие исследования показали, что наблюдаемые в процессе обучения количественные изменения транскрипции в клетках мозга отражают изменение функционального состояния нейронов и не являются чем-то специфическим для процессов обучения. Антибиотики же могут блокировать процессы синаптической передачи импульсов от нейрона к нейрону и вызывать физиологические нарушения в функционировании мозга независимо оттого, каково состояние работы генетического аппарата клеток.

Оказалось, что генетические механизмы регуляции поведения заложены, как и предполагал в начале века великий испанский нейрогистолог, лауреат Нобелевской премии Рамон-и-Кахал, в структуре нейронных ансамблей, особенностями формирования которых в онтогенезе и управляют гены. Поскольку запоминание часто происходит мгновенно, по всей вероятности, физиологической основой этого события является прорыв не функционировавших ранее синаптических контактов между нейронами, включенными в выполнение данной поведенческой реакции.

Существенные результаты в области генетики поведения получены в 70-х годах на таких объектах как дрозофила, парамеция (Paramecium aurelia), нематода (Caenorhabditis elegans), а также на бактериях.

Большой вклад в генетику поведения был внесен известным специалистом в области генетики животных и генетических основ эволюции, профессором кафедры генетики и селекции Санкт-Петербургского университета Леонидом Зиновьевичем Кайдановым.