Основы генетики

Оказалось, что процесс обучения и запоминания полностью объясняется довольно простыми и совершенно автоматическими событиями на уровне отдельных нейронов. Весь процесс можно полностью воспроизвести на простейшей системе из трех изолированных нервных клеток. Один нейрон (сенсорный) получает сигнал от сифона (в данном случае -- чувствует легкое прикосновение). Сенсорный нейрон передает импульс моторному нейрону, который, в свою очередь, заставляет сокращаться мышцы, участвующие в защитной реакции (аплизия втягивает жабру и выбрасывает в воду порцию красных чернил). Информация об ударе по хвосту поступает от третьего нейрона, который в данном случае играет роль модулирующего. Нервный импульс от одного нейрона к другому передается посредством выброса сигнальных веществ (нейромедиаторов). Схема этого процесса представлена на Рис.5.9.

Рис.5.9. Механизм запоминания, показанный на нейронах аплизии.

На рисунке 5.9. показаны два синапса. Нижний синапс (1) служит для передачи импульса от сенсорного нейрона к моторному. Тот, что выше (2) - передает импульс от модулирующего нейрона к окончанию сенсорного. Если в момент прикосновения к сифону модулирующий нейрон «молчит» (то есть по хвосту не бьют), в синапсе 1 выбрасывается мало нейромедиатора, и моторный нейрон не возбуждается.

Удар по хвосту приводит к выбросу нейромедиатора в синапсе 2, что вызывает важные изменения в поведении синапса 1. В окончании сенсорного нейрона вырабатывается сигнальное вещество цАМФ. Оно активизирует регуляторный белок -- протеинкиназу А.

Протеинкиназа А, в свою очередь, активизирует другие белки, что, в конечном счете, приводит к тому, что синапс 1 при возбуждении сенсорного нейрона (т.е. в ответ на прикосновение к сифону) начинает выбрасывать больше нейромедиатора, и моторный нейрон возбуждается.

Это и есть кратковременная память: пока в окончании сенсорного нейрона много активной протеинкиназы А, передача сигнала от сифона к мышцам жабры и чернильного мешка осуществляется более эффективно.

Если же прикосновение к сифону сопровождалось ударом по хвосту много раз подряд, то протеинкиназы А становится так много, что она проникает в ядро сенсорного нейрона. Это приводит к активизации другого регуляторного белка -- транскрипционного фактора CREB. Белок CREB «включает» целый ряд генов, работа которых, в конечном счете, приводит к разрастанию синапса 1 или к тому, что у окончания сенсорного нейрона вырастают дополнительные отростки, которые образуют новые синаптические контакты с моторным нейроном.

В обоих случаях эффект один: теперь даже слабого возбуждения сенсорного нейрона оказывается достаточно, чтобы возбудить моторный нейрон. Это и есть долговременная память. Как показали дальнейшие исследования, у высших животных память основана на тех же принципах, что и у аплизии.

Исследование некоторых нейронных механизмов физиологических процессов у аплизии, например, особенностей гормональной регуляции реакции откладки яиц, для которой известны все этапы, позволило перейти на молекулярно-генетический уровень и установить генную регуляцию поведенческих реакций.

С помощью процедуры дифференциальной гибридизации клонированы гены и мРНК, специфически экспрессирующиеся в отдельных нейронах ЦНС аплизии. В их число входят гены, продукты которых уже идентифицированы. Например, ген, кодирующий гормон откладки яиц, и четыре родственных ему гена, кодирующих биоактивные пептиды. Откладка яиц у аплизии обеспечивается цепью действий, включающую торможение локомоции, усиление дыхательных движений, специфические движения головы, с помощью которых жгут с яйцами вытягивается, сворачивается и приклеивается к субстрату. Эти события происходят вследствие активации сетей нейронов, которая является результатом координированного выделения нескольких пептидов. Пептиды, выделяющиеся железами репродуктивного тракта после копуляции, возбуждают нейросекреторные «пазушные» клетки. Они, в свою очередь, выделяют набор пептидов, которые воздействуют на разные нейроны моллюска. Возбуждение (или модуляция работы) пазушных клеток запускает сложную последовательность действий аплизии.

Была выделена последовательность ДНК, кодирующая белок-предшественник, содержащий аминокислотные последовательности упомянутых пептидов. Установлено, что за формирование набора химических агентов запускающих фиксированные комплексы действий (ФКД) откладки яиц у аплизии, отвечает один ген.

Сердечнососудистые реакции аплизии исследованы достаточно подробно в аспекте анализа функции пептидов (и их белков-предшественников), запускающих соответствующие нейроны. Пептид и последовательностью аминокислот Phe-Met-Arg-Phe, описанный впервые у моллюсков, известен тем, что иммунореактивность к нему обнаруживается у всех представителей животного царства.

Аплизия оказалась необыкновенно удобной моделью выявления молекулярно-генетической детерминации нейронных связей и изучения генетики поведения.

5.3 Генетика поведения насекомых

5.3.1 Насекомые как объект генетики поведения

Для генетического анализа наиболее удобны те поведенческие реакции, развитие которых защищено от средовых колебаний. В этом отношении насекомые являются хорошим объектом для изучения генетики поведения.

В классе насекомых функции нервной системы достигают максимально возможного для беспозвоночных развития. Это относится главным образом к наследственно фиксированным реакциям. Однако некоторые из насекомых обладают и индивидуальной пластичностью поведения, т. е. способностью к образованию условных навыков. Особенно это характерно для представителей отряда перепончатокрылых (Hymenoptera), поскольку они имеют сложную организацию общественной жизни.

В нервной системе насекомых, так же как и у позвоночных, различают три типа нейронов: чувствительные, двигательные и ассоциативные. Чувствительные нейроны, как правило, локализованы в органах чувств, двигательные входят в состав нервных центров, а их аксоны заканчиваются в том или ином эффекторе. Ассоциативные нейроны, локализованные в грибовидных телах, осуществляют передачу возбуждения с нейрона на нейрон. Эта передача имеет электрохимическую природу и осуществляется в области синапсов с помощью химических медиаторов.

Насекомые имеют хорошо развитые органы чувств.

Орган зрения состоит обычно из фасеток, число которых варьирует от нескольких единиц до тысяч. Этот орган гораздо лучше приспособлен к восприятию движения, чем к восприятию формы. Кроме того, многие насекомые могут воспринимать ультрафиолетовое излучение как особый цвет.

Орган слуха очень разнообразен по строению. Иногда он представляет собой щетинку, в основании которой находится чувствительная клетка, иногда эта чувствительная клетка располагается на голенях передних ног, в местах утонченного в виде барабанной перепонки участка кутикулы.

Особенность органа слуха насекомых заключается в том, что он может воспринимать колебания вообще (например, резонансные колебания почвы), а также ультразвуки.

Хорошо развиты у насекомых хеморецепторы, которые чаще всего представляют собой простые щетинки, улавливающие вкусовые и обонятельные раздражения.

Насекомые, особенно перепончатокрылые, проявляют очень интересные формы поведения, например при ориентации, при строительстве гнезд и т. д. Наивысшего развития поведение достигает у общественных насекомых, наиболее изучено оно у пчел.

Все это, а также короткий жизненный цикл насекомых и изученность частной генетики некоторых из них (например, дрозофилы) делают их интересным и удобным объектом для генетического анализа поведения.

5.3.2 Влияние отдельных генов на поведение насекомых

Наследственно фиксированные, или инстинктивные, реакции насекомых, состоящие из отдельных двигательных актов, являются фенотипами для генетического анализа. Ученые исследуют как эффект отдельных мутаций, так и результат селекции на выполнение этих реакций.

Признаки, находящиеся под контролем единичных генов, изучены лучше других, потому что их проще всего наблюдать. Это относится к любым признакам, будь то морфологические, физиологические или поведенческие свойства организма. К таким генам относятся, прежде всего, гены, изменяющие и внешний вид животных и одновременно их поведение, то есть, гены, имеющие плейотропное действие.

Классическим примером поведения, определяемого единичным геном, является гигиеническое поведение пчел.

Ротенбулер (Dr. Walter C. Rothenbuhler) провел в 1964 году изящный анализ процесса очистки пчелами сот от личинок, погибших от распространенной болезни -- американской пчелиной гнильцы (переносчик-- Bacillus larvae). Он обнаружил пример поведения, имеющего явное приспособительное значение и контролируемого двумя единичными локусами.

Рис.5.10. Ротенбулер (Dr. Walter C. Rothenbuhler)

Поддержание гигиенических условий в улье требует распечатки ячеек, в которых находятся пораженные болезнью личинки, и немедленного их изъятия. В противном случае трупы личинок с содержащимися в них спорами переносчика болезни остаются в улье и служат постоянным источником распространения инфекции.

Рис.5.11. Соты, пораженные американской пчелиной гнильцой

Гигиеническое (или не гигиеническое) поведение пчел определяется генами, расположенными в двух независимо расщепляющихся локусах. Один из генов ответствен за поведение, связанное с распечаткой сотовых ячеек, другой -- за поведение, связанное с удалением их содержимого. Если обозначить буквой u рецессивный ген, управляющий распечаткой ячеек, а буквой r -- рецессивный ген, ответственный за изъятие их содержимого, то генотип пчел в гигиеническом улье имеет вид uurr, а генотипы пчел, не выполняющих гигиенических действий - UURR, UuRr, UURr, UuRR.

Рис.5.12. Схема наследования признака «гигиеническое поведение» у медоносной пчелы.

Движения пчел, которые они совершают при вскрытии ячеек и выбрасывании зараженных личинок, относятся к категории ФКД и обладают всеми характерными для них признаками.

Данные движения выполняются насекомыми в полной форме без предварительного опыта и практически неизвестно, чтобы они видоизменялись при «тренировке». Более того, эти движения неспецифичны и характерны для вида в целом, а не только для каких-либо пород пчел. Все пчелы выполняют эти движения, однако у пород, подверженных заболеванию, частота этих ФКД чрезвычайно низка. Поэтому их поведение не может играть своей адаптивной роли: зараженные личинки не удаляются, и инфекция распространяется

Эксперименты показали, что на гигиеническое поведение рабочих пчел двух инбредных линий - устойчивой к американскому гнильцу и восприимчивой к нему - не влияют такие факторы, как возраст, число погибших от инфекции личинок и характер питания. Первое поколение от скрещивания этих двух линий оказалось восприимчивым к американскому гнильцу, т. е. гибридные рабочие пчелы не очищают улей от больных личинок.

В результате анализирующего скрещивания гибридных особей с устойчивой родительской линией было получено четыре одинаковых по численности типа рабочих пчел:

· полностью проявляющие гигиеническое поведение, т. е. вскрывающие ячейки с больными личинками и выбрасывающие их из улья;

· совсем не проявляющие этих форм поведения;

· вскрывающие ячейки с больными личинками, но не выбрасывающие их;

· не способные вскрывать ячейки с больными личинками, но выбрасывающие эти личинки после того как экспериментатор вскроет ячейки.

Эти данные подтверждают дигибридный характер наследования гигиенического поведения пчел. Напомним, что ген u в гомозиготном состоянии детерминирует способность вскрывать ячейки с больными личинками, а ген U - определяет неспособность это делать. Ген r в гомозиготном состоянии контролирует способность выбрасывать больные личинки из вскрытых ячеек, а ген R - определяет неспособность это делать. Тогда становятся понятными генотипы особей, со всеми вариантами поведения.

Генотип пчел, полностью проявляющих гигиеническое поведение, т. е. вскрывающие ячейки с больными личинками и выбрасывающие их из улья - uurr. Генотипы пчел, совсем не проявляющих этих форм поведения - UURR, и другие генотипы, содержащие оба доминантных гена. Генотипы пчел вскрывающих ячейки с больными личинками, но не выбрасывающие их - uuRR, uuRr. Генотип пчел не способных вскрывать ячейки с больными личинками, но выбрасывающие эти личинки, после того как экспериментатор вскроет ячейки - UUrr, Uurr.

Был выявлен ряд генов, уровень экспрессии которых меняется у рабочих пчел в зависимости от рода их занятий. Особо интересен среди них ген vitellogenin. Этот ген у насекомых -- как общественных, так и одиночных -- тесно связан с женской репродуктивной функцией: кодируемый им белок вителлогенин необходим для формирования яиц в яичниках самок. Однако у рабочих пчел, которые никаких яиц не откладывают, этот ген тоже активен. Более того, было замечено, что его активность у рабочих пчел снижается с возрастом. Это позволило предположить, что вителлогенин служит своеобразным поведенческим «переключателем»: снижение его концентрации заставляет пчелу в определенный момент ее жизни оставить домашние хлопоты и переключиться на сбор пропитания за пределами гнезда.

Группе американских энтомологов удалось экспериментально подтвердить роль вителлогенина в регуляции разделения труда у пчел. Для этого они воспользовались методом РНК-интерференции. Только что вышедшим из куколки молодым рабочим пчелам вводили двухцепочечную РНК с такой же последовательностью нуклеотидов, как и в гене vitellogenin. В результате этот ген у подопытных пчел оказывался выключенным на всю жизнь. В опыте использовались также две контрольные группы рабочих пчел: первой из них ничего не вводили, а второй вводили другую двухцепочечную РНК, не влияющую на экспрессию генов (чтобы доказать, что наблюдаемые изменения вызваны именно выключением гена vitellogenin, а не травмирующей процедурой).

Оказалось, что рабочие пчелы с отключенным геном vitellogenin отличаются от контрольных по трем показателям.

Во-первых, они значительно раньше переходили от домашних работ к сбору пропитания. Это подтвердило высказанное ранее предположение, что вителлогенин служит «поведенческим переключателем».

Во-вторых, продолжительность их жизни заметно сократилась.

В-третьих, они специализировались преимущественно на сборе нектара, а не пыльцы.

Таким образом, один и тот же ген, изначально связанный с женской репродуктивной функцией, стал выполнять у медоносной пчелы целый ряд новых функций, связанных с регуляцией разделения труда и общественного устройства.

Проявляется влияние отдельных генов на другие аспекты поведения насекомых. Мутантные гены cinnabar и vermilion не только изменяют цвет глаз Drosophiia melanogaster, но влияют также на скорость спаривания. В экспериментах самцы vermilion спаривались менее успешно, чем самцы cinnabar. Мутация yellow изменяет не только цвет тела, но и брачное поведение самцов.

Гомозиготы D. melanogaster по генам v/bw (vermilion/brown) имеют светло-вишневые глаза и сцепленную с этим признаком заметно сниженную остроту зрения, что проявляется в слабой двигательной активности в ответ на световые раздражители. В популяции, содержащей мух дикого типа и мух с геном Ваг, самцы Ваг уступают самцам дикого типа в успехе при спаривании.

Есть и другие формы поведения D. Melanogaster, контролируемые единичными генами. Это мутации затрагивающие реакцию на стрессовое воздействие, нейромышечное поведение, локомоцию и зрение, циркадные ритмы.

Например, Сеймур Бензер с сотрудниками изучили три мутации единичных генов, изменяющих нормальный (примерно 24-часовой) циркадный ритм активности, характерный для D. Melanogaster. Мухи этого вида обычно вылупляются на рассвете, когда выпадает роса и влажность воздуха повышается, что отвечает свойственной дрозофиле потребности во влажных условиях среды. Отсюда и название Drosophila, что значит по латыни -- «любящая росу». После вылупления у большинства видов дрозофилы наступает период утренней активности, который продолжается до полудня, а вечером наблюдается еще одна короткая вспышка активности.

Рис.5.13. Сеймур Бензер

Убедительным свидетельством в пользу того, что действие биологических часов находится под генетическим контролем, служит существование вылупляющихся в любое время суток аритмических мутантов с укороченным периодом, для которых характерен не 24-часовой, а 19-часовой ритм, и мутантов с удлиненным периодом, обладающих 28-часовым ритмом.

5.3.3 Некоторые аспекты генетики поведения общественных насекомых

Наиболее сложным поведением среди насекомых обладают общественные насекомые - перепончатокрылые (Hymenoptera) и термиты (Isoptera). Два аспекта социальной жизни - разделение труда между членами колонии и контакты между ними -- стали возможными благодаря наивысшему развитию у этих насекомых по сравнению с другими инстинктивных форм поведения и способности к образованию условных связей.

Рассмотрим некоторые генетические и онтогенетические аспекты общественного поведения насекомых на примере медоносной пчелы (Apis mellifera L.)



Рис.5.14. Apis mellifera L.

Особенностью биологии пчелиной семьи является разделение ее на «касты» соответственно характеру трудовой деятельности особей. Роль матки и трутней ограничена воспроизведением потомства. Рабочие же пчелы эту функцию утратили, но другие формы поведения у них усложнились и усовершенствовались. Рабочие пчелы обладают высоко развитым гнездостроительным инстинктом, чрезвычайно сложными и совершенными инстинктами ухода за потомством, сложной системой сигнализации. Разделение труда между кастами и внутри касты рабочих пчел, которое приводит к высоко развитой специализации и делает невозможным существование отдельных особей вне колонии, а всю колонию -- одним сложнейшим организмом, является главным признаком социальной жизни насекомых.

Разделение труда в пчелином сообществе является автоматическим результатом самостоятельной активности отдельных пчел и не нуждается в специальном координирующем центре. Потребности сообщества служат безусловными стимулами врожденных реакций рабочих пчел. Так, загрязненная ячейка для рабочей пчелы является стимулом к вычищению, нуждающаяся же в пище личинка -- к кормлению.

Проявление разных форм поведения рабочих пчел определяется не только окружающей обстановкой, но и их физиологическим состоянием. Так, гипофорингеальные железы, секретирующие вещество, входящее в состав маточного молочка, наиболее активны у 3-дневных пчел, поэтому личинок и кормят пчелы этого возраста. Восковые же железы наиболее активны у пчел с 8-го по 18-й день жизни. Таким образом, каждая пчела отыскивает соответствующие стимулы для своей деятельности, согласно физиологическим возможностям.

В летнее время пчелиная семья ежедневно пополняется, так что возрастной состав её разнообразен. Если деятельность молодых пчел в основном направлена на удовлетворение нужд внутри гнезда, то пчелы старшего возраста в благоприятную погоду совершают полеты за кормом. В этот период в поведении пчелы большую роль играют приобретенные компоненты. Пчела должна обучиться очень многому: находить свой улей по его положению относительно солнца, по его цвету, запаху, форме, по расположению входа в улей. Источники пыльцы и нектара они находят по тем же ориентирам.

Пчелы обучаются выполнять так называемые «танцы» и понимать информацию, заключенную в этом танце. Танец выполняет пчела-сборщица. Передав собранный нектар пчелам, встретившим ее на прилетной доске, сборщица быстрыми мелкими шажками устремляется в обратном направлении. Пробежав немного, она вдруг возвращается назад, затем повторяет своеобразный бег в том же направлении и снова возвращается. Для возвращения к первоначальной точке, откуда пчела начала свои движения, каждый раз ей нужно поступательно переместиться от конечной точки линии пробега к начальной и повернуться на 360°. Повороты и поступательные движения пчела совмещает: поворачиваясь, она одновременно продвигается к начальной точке пробега. Интересно, что во время пробегов по прямой линии пчела совершает виляющие движения брюшком.

Это своеобразное поведение пчелы-сборщицы и называют «танцем», поскольку ритмическая смена прямолинейных пробегов и поворотов, которые совершает пчела, возвращаясь к исходной точке то через левую, то через правую сторону, создает иллюзию танца. Зрителями являются другие пчелы, внимательно следящие за всеми ее движениями.

Оказалось, что танец пчел в высшей степени информативен. Его биологический смысл впервые был понят К. Фришем. Танец передает, прежде всего, направление к источнику корма, на которое указывает угол между солнцем и линией прямолинейного пробега с виляниями. Скорость танца, т. е. частота прямолинейных пробегов, говорит об удаленности источника корма. С увеличением расстояния увеличивается длина пробега или уменьшается скорость. Если источник корма находится на расстоянии менее 100 м от улья, то прямолинейный пробег так мал, что его трудно различить, и танец становится круговым.

Продуктивность и качество источника корма сигнализируются продолжительностью танца, которая варьирует от нескольких секунд до 3 минут. Большая продолжительность танца указывает на изобильный источник.

Установлено, что сложные двигательные реакции «танца» зависят от уровня возбуждения определенных нервных структур. Меняя в ходе эксперимента соотношение возбудительного и тормозного процессов в нервной системе пчелы-сборщицы, можно вызвать выполнение отдельных двигательных компонент или всего танца.

В литературе имеются данные об изменчивости многих параметров этого вида поведения у различных географических рас пчел. Так, например, число танцующих пчел, прилетевших с кормом, неодинаково у разных рас. Оказалось, что это связано с разным уровнем возбудимости вкусовых рецепторов: при увеличении концентрации сахарного сиропа число «танцовщиц» увеличивается у всех рас, однако существует межрасовая изменчивость пороговой концентрации сахара, при которой возникает танец.

Форма и ритм танца различаются также внутри вида. У каждой расы есть свое пороговое расстояние, при котором круговой танец переходит в виляющий. Продемонстрировано влияние отдельных мутаций на ритм «танца», который измеряется числом циклов за определенное время.

Есть мутации, блокирующие некоторые этапы обмена триптофана и фенилаланина и одновременно нарушающие синтез некоторых глазных пигментов. Вероятнее всего, эти мутации изменяют ритм танца, влияя на уровень функциональной активности нервной системы, так как с изменением ритма танца, в том же направлении изменялся порог возбудимости нервно-мышечного аппарата.

Несмотря на то, что танец формируется на основе врожденных реакций и свойств нервной системы, опыт или приобретенные реакции оказывают на него большое корригирующее влияние. Танец становится вполне сформированным, четко выполняется и передает полную информацию только после выработки целого ряда условных реакций, связанных с добыванием корма, т. е. после того как пчела несколько раз посетит один и тот же источник корма.

Таким образом, танцы пчел -- яркий пример сигнальной деятельности у насекомых. Жизненный опыт одной особи передается членам пчелиной семьи, которые запоминают «инструкции», полученные от пчелы-сборщицы, и руководствуются ими при полете за кормом.

Способность запоминать эти «инструкции», так же как и способность к другим видам обучения, у пчел одной и той же колонии оказывается различной. Например, при изменении входа в улей некоторые пчелы после первого же полета запоминают его новое местоположение, другие -- после нескольких полетов, к концу первого дня, и почти все -- к концу второго дня, однако отдельные пчелы через три дня все еще возвращались к месту старого входа.

В каждой пчелиной семье имеется только одна матка, однако она во время своего брачного полета спаривается с несколькими самцами, так что внутри семьи поддерживается некоторая генетическая изменчивость. Эта изменчивость наряду с ранним опытом может быть причиной индивидуальной изменчивости в способности к обучению у представителей одной и той же колонии.

Еще большая поведенческая изменчивость существует между различными расами вида Apis mellifera L. Расы различаются по летной активности, по интенсивности сбора пыльцы, нектара и продукции меда, по оборонительному поведению, т. е. по частоте, с которой пчелы жалят при совершенно одинаковых обстоятельствах. Расы различаются также по так называемому гигиеническому поведению рабочих пчел, т. е. по их способности очищать улей.

Анализ оборонительного поведения пчел, оцениваемого тем, сколько раз был ужален экспериментатор при одном обследовании гнезда, показал, что некоторые колонии, чаще всего гигиенические, либо совсем не жалят, либо жалят крайне редко, и наоборот, большинство негигиенических колоний с высокой частотой проявляют оборонительные реакции. Таким образом, оборонительное поведение тоже определяется генетически.

Летная активность рабочих пчел и, в частности интенсивность сбора пыльцы, также находится под генетическим контролем. Получены линии, отселекционированные как на высокую, так и низкую интенсивность сбора.

Работы по генетике поведения пчел интересны не только с точки зрения их общебиологических результатов, но и в связи с их экономическим эффектом.

Были проведены генетические исследования фуражировочного поведения медоносной пчелы на селектированных линиях. Селекцию проводили по признаку «большое или малое количество собираемой пыльцы». После получения пятого поколения селекции проводили скрещивание двух линий и анализировали поведение гибридов F1 и F2, а также беккроссов. Помимо классического генетического анализа был также использован метод картирования «локусов количественных признаков», позволяющий с помощью специальных молекулярных маркеров выявлять гены, участвующие в определении данного признака, т.е. находить их положение на той или иной хромосоме.

Оказалось, что количество пищи, собираемое пчелой, детерминировано двумя локусами -- pln-1 и pin-2.

Генетические данные, полученные как характеристика особенностей фуражировочного поведения колоний, были подтверждены при исследовании поведения отдельных особей. Особи-фуражиры из линии с высокими показателями сбора пищи всегда приносила больше нектара или пыльцы, чем особи из линии с низкими значениями признака.

Главный принцип организации семьи-колонии у пчел, шмелей, муравьев или термитов -- это наличие рабочих особей, которые сами не размножаются, но проявляют подлинно родительскую заботу о потомстве «царицы». Многие специалисты предполагают, что такое поведение могло появиться из-за десинхронизации работы генов, ответственных за размножение и заботу о потомстве. В результате «родительские инстинкты» у рабочих стали включаться до того, как они сами приобретали способность к размножению.

У многих общественных насекомых система каст и разделения труда между ними весьма сложны. Например, у медоносной пчелы молодые рабочие сначала выполняют различные «домашние» работы, а спустя несколько недель переходят к сбору пропитания, причем одни особи специализируются на заготовке нектара, а другие -- пыльцы. Важную роль в регуляции разделения труда у пчел могут играть гены-регуляторы, изначально связанные с репродуктивной функцией -- например, влияющие на выработку половых гормонов.

Интересные исследования проведены при изучении мозга пчел, состоящего примерно из одного миллиона нейронов. Ученым удалось расшифровать генные последовательности, кодирующие в мозгу пчел порядка 200 соединений (возможно, играющих роль нейропептидов), и 100 точно установленных веществ этого типа. В исследовании применялся комбинированный подход, включавший использование расшифрованных генных последовательностей, биоинформатики и масс-спектрометрии.

При этом также были идентифицированы связанные с нейропептидами 36 генов, 33 из которых ранее не были описаны. Сложность вопроса заключается в том, что очень трудно доказать связь каждого расшифрованного гена с продукцией конкретных нейропептидов, поскольку последние подвергаются значительным посттрансляционным модификациям.

Однако удалось доказать связь 36 генов с продукцией 100 различных нейропептидов. Комбинируя высокоточные методы аналитической химии с подходами биоинформатики и протеономики, специалисты смогли также описать еще 100 соединений, которые могут являться нейропептидами.

Германские энтомологи показали, что альтруистическое поведение у пчел и ос является не добровольным, а вынужденным. Рабочие особи воздерживаются от откладывания собственных яиц не потому, что им выгоднее заботиться о потомстве царицы, чем о своем собственном, а потому, что их яйца уничтожаются товарищами по гнезду.

Рабочие особи перепончатокрылых насекомых (ос, пчел, муравьев) обычно не размножаются, посвящая себя заботам о потомстве царицы. Альтруизм перепончатокрылых принято объяснять тем, что рабочим выгоднее заботиться о своих сестрах, чем о собственных детях. Но оказалось, что это связано с особенностями наследования пола в этом отряде насекомых. У перепончатокрылых самки имеют двойной набор хромосом и развиваются из оплодотворенных яиц. Самцы гаплоидны и развиваются из неоплодотворенных яиц.

Из-за этого складывается парадоксальная ситуация: сестры оказываются более близкими родственницами, чем мать и дочь. У большинства животных степень родства между сестрами и между матерями и дочерьми одинакова (50% общих генов). У перепончатокрылых родные сестры имеют 75% общих генов, поскольку каждая из них получает от отца-трутня не случайно выбранную половину его хромосом, а весь геном полностью. Мать и дочь у перепончатокрылых имеют, как и у других животных, лишь 50% общих генов.

Получается, что для эффективной передачи своих генов следующим поколениям перепончатокрылым выгоднее заботиться о сестрах, чем о дочерях. Это обстоятельство считается главной причиной того, что именно в отряде перепончатокрылых (а не у жуков, мух или бабочек) развилась социальность, неразрывно связанная с отказом от размножения большинства особей.

Известно, что у многих видов рабочие особи физиологически вполне способны к размножению, и иногда они откладывают собственные яйца. Однако эти яйца часто уничтожаются другими рабочими.

Энтомологи решили проверить, какой из двух факторов важнее для поддержания альтруизма в обществе насекомых -- добровольное следование принципу «разумного эгоизма» или «полицейский надзор». Для этого они собрали и обработали данные по 10 видам перепончатокрылых (9 видов ос и медоносная пчела). Оказалось, что чем строже «полиция нравов», тем реже рабочие особи откладывают собственные яйца.

Ученые проверили также влияние степени родства между рабочими в гнезде на альтруистическое поведение. Степень родства между ними в действительности часто бывает ниже идеальных 75%, поскольку царица может в течение жизни спариваться с несколькими разными самцами.

Выяснилось, что чем ниже степень родства между сестрами-рабочими, тем сильнее «полицейский надзор», и тем реже рабочие особи откладывают яйца.

Таким образом, генетические особенности механизма наследования пола у перепончатокрылых играют важную роль в формировании альтруистического поведения и социальности.

5.3.4 Генетические основы нейрогуморальной регуляции поведения насекомых

Эндокринные железы и нейросекреция активно влияют на процессы роста и развития насекомых. Деятельность всех желез внутренней секреции, с самого их возникновения регулировалась центральной нервной системой по нервным проводникам, продуктами нейросекреции или посредством гормонов других эндокринных желез, выведение которых в кровь происходило в результате нервных импульсов. Поэтому гормональная и нервная регуляция образуют единый регуляторный механизм.

У всех многоклеточных животных, начиная с плоских червей, регуляцию и интеграцию всех функций организма осуществляет центральная нервная система. Именно она обеспечивает ответные реакции целостного организма на все воздействия внешней или внутренней среды, вызывающие раздражения рецепторов. Воздействия центральной нервной системы на эффекторы могут осуществляться двумя путями: путем передачи импульсов возбуждения по эфферентным нервам (нервно-проводниковый путь) и путем введения в кровь или лимфу гормонов и других физиологически активных веществ (гуморальный путь).

Гуморальный путь реализуется с помощью желез внутренней секреции, которые образованы скоплениями железистого эпителия, пронизанного большим количеством кровеносных и лимфатических сосудов, а также нервных окончаний. Выделяемые ими гормоны оказывают регулирующее влияние на определенные ткани или органы. Для осуществления действия гормона необходимо выполнение следующих условий: осуществление синтеза гормона, его активация (созревание), доставка к месту «работы» и наличие в органах или тканях, на которые оказывается влияние клеток-мишеней со специфическими рецепторами данного гормона.

Деятельность желез внутренней секреции подвержена ритмическим колебаниям, как суточным, так и сезонным. Например, колебания активности половых желез в связи с циклами размножения. Периодичность в нарастании уровня тех или иных гормонов способствует формированию в ЦНС очагов возбуждения - доминант, «запускающих» инстинктивное поведение.

Гормоны могут действовать на все отделы нервной системы, некоторые безусловные рефлексы могут осуществляться только при достаточном содержании определенных гормонов.

Влияние нервной системы на функционирование желез внутренней секреции может осуществляться как опосредованно, через изменение концентрации определенных веществ, влияющих на эти железы, так и непосредственно, путем нервной регуляции. Например, у самок тараканов особые эндокринные железы, так называемые прилежащие тела, вырабатывают гонадотропный гормон, стимулирующий рост ооцитов в яичниках. Однако нервные импульсы, идущие из мозга, тормозят функцию прилежащих тел и секрецию этого гормона. Погружение сперматофора в совокупительную сумку самки во время спаривания рефлекторно прекращает тормозящее действие нервных импульсов на прилежащие тела, что ведет к выведению в гемолимфу гормона, вызывающего рост ооцитов и поступление в них желтка.

Генетические основы нейрогуморальной регуляции полового поведения насекомых.

Для большинства насекомых половое поведение связано, прежде всего, с поиском полового партнера. При наличии соответствующего гормонального фона двигательная активность животных на этапе такого поиска резко усиливается. Но локомоторные реакции, сопровождающие поиск полового партнера, приближение к нему, удаление от него и другие, являются обычными двигательными реакциями.

Выбор брачного партнера -- одна из самых ответственных задач в жизни любого насекомого, способного к такому выбору. Системы коммуникации, позволяющие животным выбирать оптимальных партнеров, бывают весьма сложными. Они могут включать много разных типов сигналов:

· звуковые (песни)

· зрительные (брачная окраска)

· поведенческие (специальные позы, танцы)

· хеморецепторные (различные запахи, феромоны, а также специфические молекулы, несущие персональную информацию)

При этом смысл каждого сигнала может зависеть от контекста, то есть от других сигналов, что крайне затрудняет для исследователей их расшифровку.

В химической коммуникации насекомых важную роль играют углеводородные феромоны. Например, Drosophila melanogaster производит десятки разных углеводородов, различающихся длиной углеродной цепи, ее разветвленностью, числом и положением двойных связей. Все они, по-видимому, участвуют в химическом общении мух, однако о значении конкретных молекул пока известно очень немногое.

Было выяснено, что одни углеводороды производятся преимущественно самками, другие -- самцами. «Мужской» углеводород 7-T (Z-7-трикозен) привлекает самок, но отпугивает самцов. «Женские» углеводороды 7,11-HD (7Z,11Z-гептакозадиен) и 7,11-ND (7Z,11Z-нонакозадиен), по-видимому, привлекают самцов. Генетически модифицированные самцы, выделяющие эти женские феромоны, воспринимаются нормальными самцами как самки и подвергаются сексуальным домогательствам.

Было установлено, что самцы во время спаривания передают самкам порцию феромона cVA (cis-vaccenyl acetate), который отпугивает других самцов и повышает вероятность того, что данная самка сохранит верность своему первому партнеру.

Основную помощь в поисках партнера многим насекомым оказывает обоняние. Воспринимают запахи насекомые с помощью плакоидных, триходиных, базиконических и целоконических сенсилл. (Рис. 5.15., 5.16., 5.17).

Сенсиллы (от лат. sensilis -- чувствующий) -- простейшие кожные органы чувств у беспозвоночных, выполняющие роль органов осязания, вкуса, обоняния. Все сенсиллы возникли из одного первоначального типа, путем специализации для восприятия определённого раздражения.

Сенсилла представляет собой видоизмененный участок покровов тела (волосок, ямка, пластинка и т. п.), к которому подходят отростки одного или нескольких чувствительных нейронов. Наружная часть образована клетками покровов и представлена волоском (осязательные сенсиллы) либо тонкой кутикулярной пластинкой, часто в форме купола или конуса, погруженной в специальную ямку (обонятельные и вкусовые сенсиллы).

Рис. 5.15. Плакоидные обонятельные сенсиллы

Рис. 5.16. Триходиные обонятельные сенсиллы

Рис. 5.17. Целоконические обонятельные сенсиллы

У некоторых видов насекомых для восприятия запахов служат особые опоясывающие нити, чувствительные конусы, кутикулярные выросты и еще более сложные образования. Все эти дистантные хеморецепторы располагаются почти исключительно на антеннах.

Так, например, рецепторная часть обонятельной системы имаго дрозофилы включает две пары головных придатков (Рис. 5.18). Около 1200 ольфакторно-чувствительных (ольфакторный от лат. olfactorius-обонятельный) чувствительных нейронов локализованы на каждом из третьих антеннальных сегментов, причём они ассоциированы в кластеры по 2-4 нейрона, морфологически обособленные как ольфакторные сенсиллы (волоски).



Рис.5.18. Органы обоняния дрозофилы

Активация ольфакторно чувствительных нейронов происходит при взаимодействии феромона или другого летучего вещества с одним из ольфакторных рецепторных белков (OR), который экспрессируется на поверхности дендрита.

От каждого ольфакторно-чувствительного нейрона отходит раздвоенный аксон, ветви которого оканчиваются в соответствующих зонах двух антеннальных долей головного мозга - первичном центре обработки обонятельной информации. Затем проекционные нейроны проводят нервный импульс к латеральным рожкам и грибовидным телам, представляющим собой высший нервный центр, где и происходит окончательный анализ ольфакторной информации и её трансформация в поведенческий ответ.

Чувствительность насекомых ко многим запахам того же порядка, что и у человека, иногда - несколько выше, иногда -- ниже. Однако чувствительность насекомых к половым аттрактантам может быть крайне высокой. Например, самец тутового шелкопряда способен различать половой аттрактант самки своего вида - бомбикол - в концентрации 100 молекул на 1 см^3.. Самец грушевой сатурнии способен различать феромоны самки на расстоянии 5-10 км.

Такая сверхчувствительность насекомых к специфическим запахам предполагает очень строгую дифференциацию ольфакторных стимулов. Аксоны соответствующих сенсорных нейронов проводят нервные импульсы в обонятельные доли дейтероцеребрума (это второй, или средний, отдел головного мозга, иннервирующий антенны) непосредственно, без синаптических переключений.

Следует отметить, что половые феромоны Drosophila не являются летучими веществами; они экскретируются на поверхность кутикулы и регистрируются особями противоположного пола уже в процессе выполнения ритуала ухаживания при помощи контактных хеморецепторов, расположенных на ротовых органах и лапках.

Эксперименты с генетически модифицированными мухами Drosophila melanogaster, лишенными способности производить углеводородные феромоны, позволили частично расшифровать химический язык насекомых, при помощи которого мухи выбирают брачных партнеров.

Одна из главных трудностей в изучении этого химического языка насекомых состоит в том, что экспериментаторам крайне трудно манипулировать составом углеводородов, находящихся на поверхности кутикулы.

Чтобы создать мух, не способных производить углеводородные феромоны, ученые вставили в геном дрозофилы особую генетическую конструкцию, которая должна была уничтожить эноциты -- специализированные клетки, располагающиеся под кутикулой брюшка у насекомых. Считается, что именно эноциты отвечают за синтез углеводородных феромонов. Поскольку эноциты являются модельным объектом, используемым для изучения генетической регуляции индивидуального развития, то известны промоторы (регуляторные участки генов), активизирующиеся только в эноцитах и нигде более.

Чтобы получить мух без эноцитов, ученые вставили в геном дрозофилы ген Wrinkled, активизация которого заставляет клетку совершить апоптоз, объединенный с «эноцитовым» промотором. В результате в ходе развития насекомого клетки, превратившиеся в эноциты, вскоре погибают.

Сначала все генетически модифицированные насекомые погибали на стадии личинки. Вероятно, личинки дрозофил не могут жить без эноцитов. Генетическую конструкцию усложнили так, чтобы ген апоптоза включался только у взрослых мух, а у личинок оставался неактивным. После этого ученым удалось получить живых взрослых дрозофил, лишенных эноцитов (oe-).

И самцы, и самки oe- оказались почти полностью лишены углеводородных феромонов. Тем самым была подтверждена гипотеза о том, что именно эноциты отвечают за их производство. Исключение составил мужской феромон cVA, который производится не эноцитами, а клетками половой системы.

Мух oe- использовали для изучения роли отдельных углеводородов. Выяснилось, что отсутствие углеводородных феромонов не приводит к видимым изменениям брачного поведения (ухаживания). Самцы oe- совершенно нормально ухаживали за самками дикого типа, лишь немного уступая в активности «диким» самцам. Правда, особым успехом у самок они не пользовались: в среднем у самца oe- уходило вчетверо больше времени на соблазнение самки, чем у дикого самца. Таким образом, отсутствие феромонов у самца почти не влияет на его собственное поведение, но снижает его привлекательность для самок.

Став малоинтересными для самок, «дезодорированные» самцы oe- при этом стали весьма привлекательными для самцов (как диких, так и других oe- ). Судя по всему, самцы oe- воспринимаются другими самцами как самки. Взаимные ухаживания самцов oe- приводят к причудливым трансформациям полового поведения. Например, два самца могут долго кружиться, уткнувшись друг в друга головами.

Самец oe- перестает быть объектом гомосексуальных домогательств, если обработать его мужским феромоном 7-T. Это подтверждает предполагавшуюся ранее роль 7-Т в предотвращении гомосексуальных взаимодействий у самцов дрозофил.

Дезодорированные самки oe- с точки зрения диких самцов стали совершенно неотразимыми («сексуальными гиперстимулами»). При наличии выбора самцы предпочитали спариваться с такими самками, а не с обычными, выделяющими разнообразные углеводороды. Это значит, что женские углеводородные феромоны служат не для привлечения самцов, а наоборот -- для их сдерживания. Возможно, это позволяет самке в более спокойной обстановке разобраться, подходит ли ей этот самец.

Вероятно, феромоны могут содержать информацию о половой и видовой принадлежности, а их влияние на сексуальную привлекательность может быть разным в зависимости от контекста. Чтобы проверить эти предположения, ученые обрабатывали «дезодорированных» мух oe- женским феромоном 7,11-HD (который до сих пор считался «женским афродизиаком», то есть средством привлечения самцов) и мужским феромоном cVA, при помощи которого самцы отпугивают от своей партнерши других ухажеров. Ранее было показано, что феромон cVA действительно снижает привлекательность самок, однако действие его не абсолютно: многие самки в природе всё-таки откладывают яйца, оплодотворенные несколькими разными самцами.

Оказалось, что сам по себе женский феромон 7,11-HD не влияет на привлекательность самок oe-. Однако он существенно уменьшает отпугивающий эффект феромона cVA. Самки oe-, обработанные феромоном cVA, не вызывали интереса у самцов. Однако если самку oe- обработать одновременно обоими феромонами -- 7,11-HD и cVA -- то она становится такой же привлекательной для самцов, как и дикие самки.

По-видимому, сексуальная привлекательность самки определяется сочетанием сигналов-репеллентов, при помощи которых самец пытается отвратить от нее других самцов, и сигналов, выделяемых самкой, которые подавляют действие репеллентов. В этом проявляется конфликт интересов самцов и самок. Самцы заинтересованы в верности своих партнерш, а самкам выгодно иметь более широкий выбор генов для своего потомства, поэтому они предпочитают спариться с несколькими самцами.

Исследователям удалось показать роль углеводородных феромонов в формировании межвидовой репродуктивной изоляции. Для этого скрещивали D. melanogaster (диких и oe-) с мухами из трех близких видов: D. simulans, D. yakuba и D. erecta. Из этих трех видов у двух первых вообще нет специфических женских углеводородных феромонов, а у третьего вида они есть, но не такие, как у D. melanogaster.

Самцы всех трех видов либо вовсе не хотели ухаживать за дикими самками D. melanogaster, либо делали это очень неохотно. Однако они охотно ухаживали за самками oe-. Следовательно, углеводородные феромоны, выделяемые самками D. melanogaster, участвуют в поддержании репродуктивной изоляции между видами: они отпугивают «чужих» самцов.

Рис.5.18.а. Роль углеводородных феромонов в формировании межвидовой репродуктивной изоляции.

Верхний ряд: лишенные эноцитов и кутикулярных углеводородов самцы и самки являются «сексуальными гиперстимулами» для диких самцов D. melanogaster, а также для самцов трех близких видов.

Средний ряд: обработка одиночными феромонами снижает привлекательность мух oe-.

Нижний ряд: добавление второго феромона подавляет эффект первого, и в результате привлекательность мух снова возрастает.

Функцию «отпугивания» может выполнять женский феромон 7,11-HD. Если самку oe- обработать этим феромоном, она перестает привлекать самцов чужих видов. Более того, если тем же феромоном обработать самку D. simulans, D. yakuba или D. erecta, она становится непривлекательной даже для своих родных самцов. Зато самка любого из четырех видов, обработанная этим феромоном, становится желанным партнером для самцов D. melanogaster. Самцы D. melanogaster проявляют интерес к самкам D. erecta даже без предварительной обработки феромоном 7,11-HD. Возможно, это объясняется тем, что самки D. erecta, как и самки D. melanogaster, производят другой специфический женский феромон -- 7,11-ND.

Таким образом, феромон 7,11-HD информирует самцов не только о половой, но и о видовой принадлежности самок D. melanogaster.

Рис.5.19. Феромон 7,11-HD информирует самцов о видовой принадлежности самок D. Melanogaster. Самки D. melanogaster выделяют углеводородный феромон -- вещество 7,11-HD (7,11-гептакозадиен), которое отпугивает самцов других видов, но не «своих».

У разных видов дрозофил одни и те же углеводородные феромоны могут выполнять разные функции. Например, феромон T-7 у D. melanogaster вырабатывается преимущественно самцами, привлекает самок и отпугивает других самцов. У D. simulans этот феромон вырабатывается в большей степени самками и не отталкивает, а привлекает самцов. Оказалось, что если намазать самку oe- феромоном T-7, это делает её лишь немного более привлекательной для самцов D. simulans. Если такую же самку намазать феромоном 7,11-HD, то это делает ее неинтересной для самцов всех видов, кроме «своего». Однако феромон T-7 обладает способностью резко уменьшать отталкивающее действие феромона 7,11-HD на самцов D. simulans. Иными словами, эффективность феромона T-7 зависит от того, была ли самка oe- предварительно обработана феромоном 7,11-HD: если да, то феромон Т-7 резко повысит ее привлекательность для самцов D. simulans, если нет -- эффект будет гораздо слабее.

Очевидно, что возможность сложных взаимодействий между феромонными сигналами характерна не только для D. melanogaster. Вероятно, эта возможность заложена в общей архитектуре системы коммуникации при помощи углеводородных феромонов и соответствующих рецепторов.

Логика феромонной коммуникации у дрозофил основана на том, что все мухи исходно являются сексуально привлекательными друг для друга (по крайней мере для самцов), и на эту общую исходную привлекательность феромоны накладывают «дополнительную» информацию о половой и видовой принадлежности. При этом смысл отдельных сигналов может зависеть от контекста, включающего множество других сигналов: химических, зрительных, звуковых и прочих.

Как происходит передача феромонального сигнала?

Предполагают наличие двух основных молекулярных компонентов -феромон-связывающего белка (PBP - pheromone binding protein) и продукта одного из генов Or (Olfactory receptor) семейства, - при помощи которых происходит передача феромонального сигнала. В качестве феромон-связывающего белка, опосредующего действие агрегационного феромона дрозофилы как цис-вакценил ацетат (cis-vaccenyl acetate), известен LASH - белок.

Мухи с функционально неактивным геном lash демонстрируют пониженную агрегационную активность. Более того, по электрофизиологическим записям lash^- мутантов установлено, что нейроны трихоидных сенсилл, в норме экспрессирующих LASH, у этих мутантов не стимулируются под воздействием цис-вакценил ацетата. Искусственное же введение LASH в трихоидную сенсиллу таких насекомых приводит к полному восстановлению цис-вакценил ацетат опосредованных электрических ответов. Эти данные свидетельствуют о необходимости данного белка для активации ольфакторно чувствительных нейронов, экспрессирующих специфический рецептор к комплексу цис-вакценил ацетат/LASH.

Агрегационное и пищевое поведение представляют собой очень похожие поведенческие реакции - движение по направлению к желаемому источнику запаха, но биологическое значение каждой из этих реакций уникально. Для самцов и виргинных (неоплодотворенных) самок агрегационное поведение - это способ повышения шансов спариться. Для оплодотворённых самок агрегационные феромоны - это сигнал мест яйцекладки, используемых другими самками. Благодаря такому явлению как агрегационное поведение имаго для личинок, выходящих из яиц, создаются оптимальные условия роста. Т.е. создаётся оптимальная плотность популяции, что важно для качества пищи, низкого уровня смертности и нормальной скорости развития.