Основы генетики

Распознавание агрегационного феромона должно вовлекать те же самые центральные мозговые структуры, которые активируются при распознавании пищевых аттрактантов. Вероятно последующие поведенческие реакции (яйцекладка, спаривание) должны инициироваться другими феромонами, поскольку мухи достигли источника агрегационного феромона, то есть, обнаружение источника агрегационных феромонов является завершающим актом соответствующего поискового поведения.

Большую помощь в поисках полового партнера многим насекомым оказывает зрение. Своеобразная окраска ряда бабочек, ночное свечение жуков-светляков и т. п. -- все это в большинстве случаев признаки и сигналы, служащие для опознания и привлечения особей своего вида.

Насекомые, обладающие хорошо развитыми органами слуха, нередко производят для привлечения полового партнера те или иные звуки. Это - сверчки, кузнечики, цикады и многие др.

В определенные периоды полового цикла все основные органы чувств насекомых служат одной цели: найти особь противоположного пола своего вида. Все сигналы для встречи особей противоположного пола обладают, как правило, высокой видовой специфичностью, а система обнаружения этих сигналов -- поразительной помехоустойчивостью.

Интересен нейро-гормональный контроль ритуала ухаживания. Ухаживание самцов представляет собой комплекс врождённых поведенческих актов, вовлекающих многие сенсорные модальности: зрительную, контактную хеморецепцию и звуковую рецепцию. Последовательность стадий репертуара ухаживания, а, следовательно, и порядок вовлечения тех или иных сенсорных систем не является случайной.

В общих чертах схема нейрологического контроля репертуара ухаживания у D. melanogaster представлена на Рис.5.20.

Рис. 5.19. Схема нейрологического контроля отдельных стадий репертуара ухаживания дрозофилы.

На первой стадии ухаживания - стадии ориентации - ключевой сенсорной модальностью является зрительная. Основными органами зрения у насекомых на стадии имаго служат сложные глаза, дополнительными - дорсальные (теменные) глазки. Структурной и функциональной единицей фасеточного глаза насекомых является омматидий (от греч. фmma, род. падеж фmmatos -- глаз). Омматидии различаются у разных отрядов насекомых.

Поля зрения у мух перекрываются лишь на уровне зрительных центров (в первом оптическом ганглии - в ламине). Такие глаза получили название нейросуперпозиционных. Вероятно, таким путём у мух достигается повышение абсолютной чувствительности глаза без увеличения размера фасеток и снижения остроты зрения.

Фоторецепторы насекомых передают сигналы в зрительные центры без помощи нервных импульсов, электротонически. Большинство исследователей полагают, что сигналом в фоторецепторах служат рецепторные потенциалы, имеющие достаточную амплитуду и способные электротонически градуально активировать зрительные интернейроны.

Преобразование зрительной информации начинается уже на уровне фоторецепторов, каждый из которых отбирает для передачи в высшие центры лишь определённый признак стимула. Кроме того, у некоторых насекомых между фоторецепторами одного омматидия могут наблюдаться электрические связи, обеспечивающие суммацию потенциалов определённых рецепторов и способствующие тем самым лучшему выделению полезного сигнала из общего набора сигналов.

Дальнейшая и более глубокая обработка зрительной информации осуществляется на уровне оптических ганглиев.

Сигналы от фоторецепторов, оканчивающихся в I оптическом ганглии, поступают на вход униполярных нейронов I порядка. Полагают, что аксоны фоторецепторов в месте синаптических переключений выделяют какой-то тормозной медиатор, поскольку в униполярных нейронах в ответ на освещение глаза возникают гиперполяризационные потенциалы. Как и в фоторецепторах, потенциалы действия в интернейронах I порядка не генерируются, и, таким образом, эти нейроны электротонически передают сигналы к другим интернейронам зрительных центров.

На униполярных интернейронах конвергируют сигналы от нескольких фоторецепторов, в результате чего здесь происходит суммация этих сигналов, и светочувствительность интернейронов I порядка оказывается выше по сравнению с рецепторами.

Важную роль в первичной обработке информации на уровне I оптического ганглия играет и латеральное торможение, которое наиболее выражено между соседними нейромматидиями. «Геометрия» тормозных латеральных связей специфична у разных видов насекомых, что позволяет им наиболее эффективно выделять в изображении значимые именно для них признаки.

Сведения о локальных признаках объекта, даваемые нейромматидиями, подлежат дальнейшей обработке и анализу. За счёт горизонтальных (тангенциальных) интернейронов эти сведения суммируются, причём имеются интернейроны, образующие синаптические связи с самым различным числом нейромматидиев и даже со всеми неромматидиями ганглия.

Функциональные задачи, решаемые такими суммирующими интернейронами II и более высокого порядка, могут быть самыми разнообразными. Установлено, что в зрительной системе насекомых имеются нейроны-детекторы, способные выделять из всего объёма зрительной информации лишь определённые признаки стимулов или сочетаний таких признаков. Нейроны-детекторы найдены не только в оптических ганглиях, но и в средней части переднего мозга. Например, обнаружены нейроны-детекторы движения, высокочастотные детекторы движения, нейроны-детекторы формы. Помимо этих узкоспециализированных зрительных интернейронов у насекомых обнаружены интернейроны «общего» действия, реагирующие на изменения освещённости.

У насекомых обнаружены полимодальные интернейроны, реагирующие как на зрительную, так и на какую-либо иную стимуляцию, а также интернейроны, не относящиеся непосредственно к зрительной системе, но способные модулировать чувствительность и активность зрительных интернейронов. С помощью такого рода нейронов зрительный анализатор насекомого включается в целостную систему регуляции поведения животного.

Переход к следующей стадии репертуара ухаживания, т.е. генерация двигательного акта в соответствии с полученной сенсорной информацией, по-видимому, осуществляется при участии комплекса центрального тела. Именно туда приходят аксоны из самых различных частей мозга, и эта структура обеспечивает непосредственные связи с подглоточным ганглием и ганглиями туловищного мозга.

Репертуар ухаживания D. melanogaster включает две феромон-опосредованные стадии: стадия прикосновения и стадия лизания, поскольку в данном случае феромоны не являются летучими веществами. Следовательно, для их распознавания необходим тесный физический контакт или, по крайней мере, максимальное приближение источника феромонов на брюшке самки и рецепторного нейрона, локализованного на ноге самца, если речь идёт о стадии прикосновения, или на лабеллярных пальпах, в случае стадии лизания. Феромоны D. melanogaster синтезируются в эноцитах и затем транспортируются в эпидермальные клетки кутикулы, откуда секретируются на её поверхность.

Специфический для самцов феромон во время спаривания переносится на поверхность брюшка самки, и, по-видимому, функционирует как один из ингибиторов ухаживания по отношению к ней со стороны других самцов.

Гормональная регуляция синтеза феромонов у насекомых осуществляется преимущественно посредством трёх основных соединений: ювенильного гормона, 20-гидроксиэкдизона и нейрогормона пептидной природы - PBAN (pheromone biosynthesis activating neuropeptide). У D. melanogaster гормональная регуляция выработки феромонов изучена не очень подробно, вероятно в ней принимают участие ювенильный гормон, 20-гидроксиэкдизон и некий пока не установленный пока мозговой фактор.

Восприятие половых аттрактантов самцами Drosophila происходит при помощи контактных хеморецепторов (вкусовых рецепторов). Первичным вкусовым органом является лабеллум (губа) - пара пальп в дистальной части пробосциса (хоботка). Пальпа содержит 31 вкусовую сенсиллу - щетинки, - каждая из которых состоит из одного механо - и 2-4 хемосенсорных нейронов, окружённых вспомогательными клетками.

Вкусовые сенсиллы подразделяют на различные морфологические классы: S (small) - малые; I (intermediate) - средние; L (large) - крупные.

Дополнительные хемочувствительные клетки, обнаруженные на медиальной поверхности каждой пальпы и на внутренней поверхности глотки, по-видимому, в большей степени имеют отношение к питанию и контактируют непосредственно с пищей при её поглощении. У Drosophila вкусовые щетинки есть также на лапках и по краю крыла. Именно они имеют непосредственное отношение к процессу ухаживания, количество вкусовых щетинок на передних лапках у самцов значительно выше, чем у самок. У самцов - 50, а у самок - 37. Кроме того, нейроны, ассоциированные с этими щетинками экспрессируют специфический для самцов gustatory receptor (Gr) ген, продукт которого функционирует как рецептор феромонов.

Вкусовые рецепторные нейроны (подобные ольфакторно чувствительным нейронам) - это сенсорные нейроны I типа, объединённые во вкусовые сенсиллы и экспрессирующие вкусовые рецепторы - GRs (gustatory receptors). Эти рецепторы специфично взаимодействуют с растворимыми веществами, например, сахарами, аминокислотами и другими.

Все вкусовые рецепторные нейроны лабиальных пальп и некоторые, локализованные на лапках, проецируют аксоны в подглоточный ганглий мозга - первичный центр обработки вкусовой информации, но аксоны некоторых вкусовых рецепторных нейронов, локализованных на лапках, заканчиваются в грудном ганглии.

Рис. 5.20. Преимущественная локализация обонятельных и вкусовых сенсилл у дрозофилы

Ещё одна стадия репертуара ухаживания, о регуляции которой следует упомянуть - стадия вибрации. У Drosophila отсутствуют специализированные звукопроизводящие органы. Звуки же, издаваемые самцами дрозофилы на этой стадии, являются побочным следствием работы мышц крыла. Управление системой звукопроизведения со стороны нервной системы состоит в запуске этих мышц и поддержании их работы в определённом ритме.

Работой мышц крыла насекомых непосредственно управляют ганглии грудного отдела нервной цепочки. Однако рецептивные поля, участвующие в активации нейронов этих мышц, находятся на значительном удалении от ганглиев, на определённых участках тела насекомого. На большом числе видов насекомых (стрекозах, тараканах, саранче, осах, пчёлах, бабочках, мухах, жуках) было показано, что именно конечности являются той инстанцией, которая опосредует запуск и прекращение летательных движений.

По-видимому, система инициации полёта у дрозофилы адаптирована к выполнению ухаживания.

Сегментарные ганглии насекомых содержат все необходимые механизмы, обеспечивающие даже очень сложные формы поведения, но эта сегментарная координационная система не способна осуществлять адекватную реакцию насекомого на изменения во внешней среде без участия высших центров. Наиболее важными центрами регуляции локомоторной активности являются грибовидные тела и центральное тело, связанные между собой антагонистическими взаимоотношениями, а также подглоточный ганглий. Надглоточный и подглоточный ганглии, не определяя большей частью картины той или иной формы мышечной активности, регулируют её уровень при помощи тормозных или возбуждающих неспецифических влияний. Иными словами, высшие локомоторные центры модулируют типы движений, определяемые сегментарными ганглиями, обеспечивая тем самым поведение насекомого как единого организма.



Рис. 5.21. Схематическое трёхмерное изображение головного мозга дрозофилы: MB (mushroom bodies) - грибовидные тела; red, fan shaped bodies; green, ellipsoid bodies; pink, noduli; yellow, protocerebral bridge.

CC (central complex) - центральный комплекс, включающий все четыре вышеупомянутых элемента;

AL (antennal lobes) - антеннальные доли; SE (subesophageal ganglia) - подглоточный ганглий;

OL (optic lobes) - оптический доли.

Восприятие звуков, в частности, у двукрылых осуществляется с помощью джонстоновых органов, которые представляют собой наиболее сложно устроенные хордотональные органы и локализуются во втором членике антенн.

По своему строению, эти органы сходны у разных видов насекомых. В состав каждой сенсиллы джонстонова органа входят 3 сенсорных нейрона и 3 обслуживающих клетки; дендриты нейронов несут на вершинах по одной видоизменённой ресничке, покрытой снаружи кутикулярной оболочкой. Вершина этой оболочки прикрепляется к сочленовной мембране, соединяющей второй и третий членики антенны.

Фонорецепторы джонстонова органа реагируют не на абсолютную величину звукового давления, как у позвоночных животных, а на его изменения - градиент давления. Импульсы возбуждения передаются нейронами джонстонова органа непоредственно в головной мозг, где и находятся несколько высших центров анализа слуховой информации.

По-видимому, слуховые центры функционально связаны и с грибовидными телами, поскольку переход к следующей стадии ухаживания - стадии лизания - сопровождается снижением подвижности самок, а именно грибовидные тела являются основным источником тормозных влияний на локомоторную активность насекомых.

Рис.5.22. Схематическое изображение расположения и строения джонстонова органа дрозофилы.

В управлении поведенческими реакциями у насекомых, равно как и у других высокоорганизованных животных, существуют различные уровни, т.е. иерархия командных систем управления. Подобное разделение функций внутри центральной нервной системы биологически обосновано, поскольку освобождает головные ганглии (главным образом надглоточный) для выполнения наиболее сложных функций, связанных с условнорефлекторной деятельностью, памятью и др. Для насекомых это особенно важно, так как число нейронных элементов, включённых в интегративную деятельность, у них относительно невелико.

Несмотря на некоторую фрагментарность знаний по нейрофизиологии внутренних органов насекомых, очевидно, что управление ими со стороны нервной системы является достаточно сложным, что это управление осуществляется в тесном взаимодействии с гуморальными факторами. В отличие от управления локомоторной активностью наибольшее значение здесь приобретает вегетативная нервная система.

Последовательность событий при управлении половым поведением насекомых в самых общих чертах такова. Все изменения во внешней среде животное улавливает с помощью соответствующих рецепторов. Информация об этих изменениях передается в мозг, где она анализируется, и с помощью эндокринных органов (прилежащих и кардиальных тел) создает необходимый (для данного этапа) гормональный фон, обеспечивая готовность насекомого к осуществлению той или иной стадии полового цикла. Однако для реализации определенных двигательных реакций, сопровождающих половое поведение, необходимы дополнительные сведения об окружающей обстановке, например, о наличии полового партнера и т. п. Эти сведения насекомое также получает с помощью органов чувств. Сигнал передается в мозг, который запускает соответствующие реакции, придавая им, если нужно, ту или иную гормональную окраску. Таким образом, непосредственная регуляция полового поведения насекомых обеспечивается сложным комплексом нейрогуморальных воздействий.

5.3.5 Эволюционные аспекты поведения насекомых

Вопрос о роли поведенческих признаков в эволюционных процессах видообразования давно интересует биологов. Впервые Ф. Добжанский показал, что половая изоляция не всегда является следствием предшествующей географической изоляции, а может обеспечиваться половым поведением.

Половое поведение животных отличается высокой видовой специфичностью. Даже слабое отклонение от видоспецифичного полового поведения ведет к уменьшению шансов особи на размножение. Эволюционная стабильность полового поведения не только предотвращает спаривание особей разных видов, т. е. служит одним из механизмов репродуктивной изоляции, но и в некоторых случаях синхронизирует половой цикл у противоположного пола.

Как показано, на примере дрозофилы, половое поведение самцов представляет собой серию стереотипных двигательных реакций, осуществление которых так же, как эффективность их воздействия на самок, зависит от рецепторных систем, координирующих нервных центров и периферических эффекторов.

Психосексуальная изоляция может основываться на различиях в пороговой чувствительности тех или иных рецепторов самок, воспринимающих действие строго специфических тактильных, химических или звуковых сигналов, или на различиях в интенсивности этих сигналов, формирующихся в результате поведения ухаживания самцов. У различных видов доминантную роль в вызывании гомологичных реакций могут играть различные рецепторы.

Например, виды дрозофилы отличаются по зависимости от зрительной стимуляции в период ухаживания. Некоторые виды никогда не спариваются в отсутствие света, другие же виды, наоборот, стимулирует темнота. Самки некоторых видов дрозофилы наиболее чувствительны к зрительным стимулам самцов, самки других -- к обонятельным. Показано, что изоляция между географическими расами одного из видов дрозофилы (D. paulistorum) возникает на основе различий в химической рецепции.

Звуковая рецепция в сексуальной изоляции имеет, вероятно, меньшее значение по сравнению с химической. Но вибрация крыльями, формирующая характерные звуковые сигналы, служит одним из важных компонентов полового поведения дрозофилы.

Изоляция между D. pseudoobscura и D. persimilis основывается на различном характере песни. Песня D. pseudoobscura имеет качественные и количественные отличия от песни D. persimilis. Качественные отличия определяются характером звуковых импульсов: частотой звуковых колебаний и числом их фаз в одном импульсе. Частота же повторения звуковых импульсов является количественной характеристикой песни. Эти два вида дрозофилы в естественных условиях обитания не скрещиваются, однако в лаборатории получаются гибриды между ними.

Несмотря на то, что, гибридные самцы стерильны, они проявляют все компоненты полового поведения. Самки же первого поколения фертильны и, скрещивая их с самцами родительских линий, можно получить потомство от возвратных скрещиваний. Генетический анализ показал, что качественная характеристика звуковых импульсов детерминируется геном или группой тесно сцепленных генов, локализованных в X хромосоме. Частота же повторения звуковых импульсов генетически независима от характера импульсов и контролируется аутосомными генами.

Вероятно, гены, контролирующие у самцов формирование видоспецифического полового поведения, у самок детерминируют восприимчивость к соответствующим компонентам ухаживания. Так, путем замещения хромосом показано, что генетические факторы пороговой чувствительности самок D. pseudoobscura и D. persimilis к ухаживанию самцов локализованы в X-хромосоме и во II паре хромосом.

Возможно, факторы, локализованные во II хромосоме, детерминируют количественную характеристику песни, т. е. частоту повторения звуковых импульсов, которая генетически не так жестко детерминирована, как характер звуковых импульсов, и подвергается значительным средовым модификациям, например с помощью температурного воздействия.

Не случайно многие компоненты полового поведения -- это признаки, сцепленные с полом. В этом случае даже все рецессивные мутации у самцов будут проявляться, и подвергаться более быстрой фиксации или элиминации, чем аутосомные мутации. А если еще предположить, что эти мутации выполняют двойную функцию у разных полов, то становится понятной одновременная эволюция характера песни и ее восприятия.

В связи с этим следует сказать, что вибрация крыльев регулируется грудным нервным ганглием. Однако в случае формирования видоспецифической песни работа грудного ганглия находится под контролем головного. Если мозаичная самка имеет головной ганглий генотипа самца, то она будет формировать видоспецифические звуковые сигналы полового поведения. Возможно, что пороги возбудимости тех нейронов головного ганглия, которые у самцов регулируют работу грудного ганглия при вибрации крыльев, у самок определяют пороговую рецептивность к ним.

Экспериментальный генетический анализ видоспецифической песни сверчков также указывает на то, что одни и те же факторы полового поведения, локализованные в X-хромосоме, у самцов контролируют его эфферентный характер, у самок определяют афферентное восприятие соответствующих стадий полового поведения. Гибридные самки, полученные в результате скрещивания Teleogryllus oceanicus и Т. commodus, отвечают в основном на зов гибридных, а не родительских самцов. Иными словами, та гибридная генетическая комбинация, которая изменяет характер видоспецифического зова у самцов, у самок влияет на характер его предпочтения.

Роль дивергенции звуковых компонентов полового поведения в репродуктивной изоляции возрастает у сверчков, кузнечиков, цикад. Например, единственным изолирующим механизмом двух близкородственных видов кузнечиков является песня.

Если самки одного вида привлекаются к чужим самцам песней собственного вида, записанной на магнитофонной ленте, то они успешно спариваются с чужими самцами и дают гибридное потомство.

Гены, влияющие на выбор среды обитания, также могут приводить к половой изоляции. Даже если два родственных вида сосуществуют в одном и том же районе, они редко занимают одну и ту же экологическую нишу, соревнование между ними будет вести к специализации. В отсутствие соревнования они могут иметь широкий ранг микросред, но в условиях соревнования каждый вид стремится занять только те среды, где он может выжить лучше, чем его родственник. Так, например, ген, влияющий на цвет крыла у мотыльков, также изменяет температурный оптимум насекомых и интенсивность света, необходимую для полетов. Белые самки наиболее активны ранним утром и перед заходом солнца, когда температура воздуха и интенсивность света ниже. У желтых и оранжевых самок пик активности в полдень. Если гены пигментации влияют на активность самцов так же, как и на активность самок, то они могут влиять и на частоту спаривания между различными генотипами.

Ареал двух близкородственных видов дрозофилы (D. pseudoobscura и D. persimilis) широко перекрывается в юго-западных частях США. Но внутри этого ареала эти виды выбирают различные микросреды: первый предпочитает более сухие и светлые места, второй -- более холодные и влажные. Вероятно, это один из механизмов, обеспечивающих репродуктивную изоляцию между ними. Эта изоляция поддерживается также специфическими звуковыми сигналами, которые, как отмечалось выше, у D. pseudoobscura и D. persimilis различны.

Таким образом, гены, влияющие на выбор среды обитания, могут до некоторой степени ускорять половую изоляцию.

5.3.6 Генетика полового поведения близких видов саранчовых (Acridoidea)

Очень часто признаки, от которых зависит привлекательность самца, связаны с его поведением во время ухаживания (яркий пример -- брачные песни птиц и прямокрылых насекомых). Более того, у многих видов насекомых межвидовая изоляция только на этих поведенческих признаках и держится, а в лабораторных условиях представители разных видов, лишенные возможности выбора, вполне способны скрещиваться между собой и производить живое и плодовитое гибридное потомство.

Прекрасным объектом для изучения генетики брачного поведения являются близкие виды саранчовых (Acridoidea), различающиеся брачными песнями самцов и редко скрещивающиеся друг с другом в природе, но способные к этому в условиях искусственного содержания. Именно такими видами являются обитающие в Европе кобылки Chorthippus albomarginatus и Chorthippus oschei. Ареалы этих видов частично перекрываются, и в этой пограничной зоне, проходящей по территории Украины и Молдавии, между ними иногда происходит гибридизация. В работах В.Ю. Ведениной (Институт проблем передачи информации РАН) и ее коллег были обнаружены интересные особенности генетики полового поведения этих объектов.

Исследователи скрещивали между собой кобылок, пойманных в России и Германии (Ch. albomarginatus), Болгарии и Украине (Ch. oschei), а затем анализировали песенки гибридного потомства.

Песенка у кобылок является результатом трения задних ног, на которых имеются специальные ряды мелких бугорков, о жилки надкрылий. Оказалось, что песня гибридов мозаична: она включает в себя элементы песенок обоих родительских видов. Но это не простая механическая смесь двух мотивов. Часто в песенке гибридов появляются новые элементы, которых не было ни у одного из родителей -- так удивительным образом из смешения двух «стандартных» песен рождается нечто совершенно новое.

Кроме того, выяснилось, что песни гибридных самцов, в отличие от «чистокровных», весьма вариабельны и разнообразны (на рисунке показан только один из возможных вариантов). Изменчивость по отдельным количественным характеристикам песни у гибридов в три-четыре раза превосходит таковую у представителей родительских видов. Песни сильно различались у разных гибридных особей, и даже у одного и того же самца песенка не всегда получалась одинаковой. По четырем из семи изученных количественных характеристик песни (таких как длительность и амплитуда отдельных элементов) гибриды превосходят крайние значения, характерные для родительских видов.



Рис. 5.23. Запись песенок (S) и движений задних ног (HL) у Chorthippus albomarginatus (a), Ch. oschei (e), гибридов первого поколения (c), потомков «возвратного» скрещивания гибридов с первым видом (b) и со вторым (d). У Ch. oschei важным элементом ритуала ухаживания является «вскидывание» задних ног.

Самки каждого вида отчетливо предпочитают песни «своих» самцов, однако лишь самки Ch. oschei способны отличить «свою» песню от гибридной. Гибридные самки не проявляют четкой избирательности: они охотно спариваются с самцами обоих родительских видов, а также с гибридными.

Весьма любопытно наследуется характерное «вскидывание» задних ног, являющееся важным элементом ритуала ухаживания у Ch. oschei, но не встречающееся у Ch. albomarginatus. Гибриды первого поколения вообще не машут ногами, то есть ведут себя как Ch. albomarginatus. Однако во втором поколении гибридов примерно четверть самцов делают характерный взмах, хотя и не совсем такой, как самцы Ch. oschei. Если скрестить гибридов первого поколения с Ch. oschei (так называемое «возвратное скрещивание»), то ноги будет вскидывать примерно половина потомков. Это очень похоже на классическое расщепление «по Менделю», характерное для фенотипических различий, определяемых одним-единственным геном.

Для песни, в отличие от взмахов ног, пришлось предположить гораздо более сложный способ наследования. Проанализировав количественное распределение признаков у потомства от разных скрещиваний, авторы пришли к выводу, что отдельные элементы, из которых складывается песня, скорее всего, определяются наборами многократно дуплицированных генов. Косвенно в пользу этого свидетельствует тот факт, что геномы прямокрылых насекомых необычайно велики по размеру, и в них очень много дуплицированных участков. При этом один и тот же элемент песни может у разных видов определяться разными копиями дуплицированного гена (или генов). В результате у гибридов экспрессируются ключевые гены, полученные от обоих родителей, что и порождает необычайное разнообразие гибридных песен и их уникальные черты.

Авторы пришли к заключению, что Ch. oschei с его более сложной песней и причудливыми взмахами ног, вероятно, обособился от Ch. albomarginatus в результате полового отбора. Не исключено, что всё началось с самок, которые предпочитали самцов с более изощренной и энергоемкой манерой ухаживания. Косвенно в пользу этой гипотезы свидетельствует тот факт, что песня гибридов в целом более похожа на песню Ch. albomarginatus -- это значит, что многие признаки Ch. albomarginatus являются доминантными, более «устойчивыми», что может свидетельствовать о большей древности этих признаков. Кроме того, самки Ch. oschei более «придирчиво» относятся к песням самцов.

Глава 6. Генетика поведения дрозофилы

6.1 История изучения поведенческих мутаций дрозофилы

Первым исследовал поведенческие мутации дрозофилы А. Стёртевант, затем, в 1918 году Р. Макэвен осуществил опыты по оценке реакции на свет и гравитацию ряда крыловых и пигментных мутантов D. melanogaster. Им, в частности, показано, что мутация tan (коричневатое тело), приводит к исчезновению положительной фотореакции.

Среди работ по изучению поведения дрозофилы, проведенных в сороковых годах прошлого века, наиболее интересными были исследования Р. А. Мазинг. В отличие от других исследователей она не ограничилась констатацией различий между мутантными и нормальными линиями по выбранным поведенческим признакам -- интенсивности фотореакции и избирательности яйцекладки. Мазинг был поставлен вопрос о роли генотипической среды в выражении изучаемых признаков. Для ответа на него применялась процедура возвратных скрещиваний с мухами дикого типа с отбором выщепляющихся мутантных особей. В результате почти во всех случаях гибридное потомство, несмотря на мутантный фенотип, по изучаемым признакам поведения приближалось к норме.

Заслуживают внимания также исследования М. Пауэра, в которых анализ двигательной активности у мутантных и нормальных мух сопровождался тщательным гистологическим и анатомическим изучением центральной нервной системы.

С начала 50-х годов многие исследователи обратились к изучению полового поведения дрозофилы. В немалой степени этот интерес был вызван концепцией изолирующих механизмов Ф. Г. Добжанского и в частности постановкой вопроса о роли поведенческих механизмов избирательности спаривания.

X. Спайз в начале пятидесятых годов ХХ века представил сравнительное описание полового поведения многочисленных видов рода Drosophila.

Заметной вехой в работах шестидесятых годов ХХ века стала работа М. Бэсток по сравнению полового поведения самцов yellow и дикого типа. Мутантные самцы заметно уступали нормальным в конкуренции за самок, причем решающим фактором служили различия между ними в интенсивности вибрации крыльев. Таким образом, был найден один из механизмов половой стимуляции самок, который мог нарушаться отдельными мутациями. Эти результаты были подтверждены наблюдениями А. Ювинга, выявившего на крыловых мутантах прямую зависимость между успехом самцов в спаривании и степенью редукции их крыловой пластинки. Звуки, издаваемые самцами путем вибрации крыльев, получили название «брачной песни», и ее акустика тщательно изучена.

Для успешного проявления полового поведения важна нормальная зрительная рецепция. В своих опытах Б. Гир и М. Грин показали, что белоглазые самцы white уступают на свету при конкуренции за самок самцам с более интенсивной пигментацией. В то же время непрерывное пребывание мух на свету подавляет интенсивность ухаживаний.

Пигментные мутации дрозофилы представляют особый интерес для нейрогенетики потому, что некоторые предшественники образования пигментов служат одновременно источником синтеза нейроактивных веществ. Мутации yellow, ebony и tan, изменяющие окраску тела и снижающие половую и двигательную активность мух, одновременно обусловливают и сниженное содержание дофамина.

Но работа с морфологическими мутациями при всей ее важности не могла служить основой для интенсивного развития генетики поведения. Для раскрытия составляющих частей системы генотипа было необходимо:

§ получение представительных выборок мутаций по заданному признаку;

§ их распределение по отдельным генам;

§ картирование этих генов;

§ выяснение, по возможности, функций отдельных генов и характера их взаимодействия.

Для направленного получения в достаточных количествах нужных поведенческих мутаций требовалась разработка новых подходов. Ряд подходов был предложен Сеймуром Бензером. В качестве анализируемого признака он первоначально выбрал зрительную рецепцию.

Бензер поставил своей целью получения мутантных особей с аномалиями зрительной системы. Для разделения нормальных и аномальных особей был сконструирован прибор, основу которого составляли разъемные стеклянные трубки достаточной длины. В исходном положении испытуемых мух перемещали к одному из концов трубки, и у противоположного конца включали свет. Большинство особей сразу же устремлялось к источнику света, и лишь некоторая часть оставалась на месте или совершала ненаправленные перемещения. Через некоторое время трубки разнимали и мух каждой такой неравноценной по объему группы возвращали порознь в исходное положение. Затем процедуру повторяли сначала. Путем многократных повторных испытаний всю исходную выборку подразделяли на группы, в соответствии с характером их ответа на световой раздражитель.

Другими авторами была использована более сложная автоматическая аппаратура для отбора мутантов с нарушенной оптомоторной реакцией. Отцов испытуемых самцов дикого типа подвергали воздействию химическим мутагеном, чаще всего этилметансульфонатом (ЭМС) и индивидуально скрещивали с самками тестерной линии С(1)RМ, имеющей сцепленные Х-хромосомы с маркерами у и f и Y хромосому. Сыновья от таких скрещиваний получают отцовскую Х-хромосому, обработанную мутагеном.

В других экспериментах самцов, подвергшихся воздействию ЭМС, скрещивали с самками тестерной линии FM6. Х-хромосома FM6 содержит серию инверсий, надежно предотвращающих кроссинговер, а также ряд доминантных и рецессивных маркеров. Методика выделения сцепленных с полом мутаций FM6 аналогична классической методике Muller-5, но отличается большей надежностью. В F₂ анализ вели посемейно. Сходство аномального поведения родных братьев -- носителей Х-xpoмосом одинакового происхождения -- могло свидетельствовать об индукции мутации. Анализируемую хромосому изогенизировали, и результаты дальнейших испытаний ее гомозиготных (самки) или гемизиготных (самцы) носителей подтверждали или опровергали наличие в ней поведенческой мутации.

На следующем этапе генетического анализа отобранные мутации независимого происхождения попарно сочетали в генотипе самок для испытания их на аллелизм. Полагали, что число найденных аллельных групп соответствует числу рецессивных генов, контролирующих изучаемый признак. На последнем этапе эти гены картировали с помощью цепочки рецессивных маркеров в половых хромосомах.

Работами С. Бензера и его последователей была решена задача создания генетической коллекции мутаций по выбранным поведенческим и нейрологическим признакам, которые составили основу для последующих углубленных физиолого-генетических исследований.

В семидесятые годы ХХ века В. Каплан и его группа остановили свой выбор на сцепленных с полом мутациях дрозофилы, вызывающих характерное подергивание лапок при анестезии с помощью эфирного наркоза. Аномальных мух отбирали путем визуальных оценок и на основании автоматических записей движений отдельных лапок.

Д. Сузуки с сотрудниками обратили внимание на температурочувствительные мутации, которые обусловливают паралич мух при температуре 29°С и выше. Эта особенность позволила в экстремальных условиях легко отделять мутантов от нормально двигающихся мух.

Опыты велись в специально оборудованных популяционных ящиках. Было получено 11 температурочувствительных нейрологических мутантов. При температуре 22°С они полностью восстанавливали активность и переставали отличаться от мух дикого типа.

Высокоэффективные среды для отбора физиологических мутантов с нулевой активностью алкогольдегидрогеназы были разработаны В. Сойфером с сотрудниками. Воздействие на мух дикого типа парами спирта пентенола приводила к тому, что он, проникая в организм, под действием нормальной алкогольдегидрогеназы окислялся в высокотоксичную субстанцию -- кетон. В результате мухи сначала приобретали очень высокую активность, а затем в течение часа погибали. Выживали лишь исключительно редкие особи, у которых алкогольдегидрогеназа неактивна.

Поведенческие мутанты играли и играют важную роль в изучении генетики поведения дрозофилы.

6.2 Зрительные мутации дрозофилы

Мутации зрительной системы у дрозофилы интенсивно изучали три лаборатории в США и ФРГ под руководством С. Бензера, В. Пака и М. Гейзенберга.

В первой своей публикации в 1967 году С. Бензер описал мух с аномальным поведением. Они были выделены при испытании нескольких тысяч особей и характеризовались такими отклонениями от нормы как:

§ отрицательный фототаксис;

§ неизбирательная реакция на включение и выключение света;

§ полное отсутствие или ослабление фотореакции.

Затем Бензер представил результаты изучения пяти индуцированных мутантов с отсутствием фототаксиса и восьми пигментных мутантов: tan, yellow, blond, black, sable, silver, straw и ebony. Он применял электрофизиологическую методику снятия электроретинограмм (ЭРГ) для характеристики клеток ретины, воспринимающих и перерабатывающих световое раздражение в нервный импульс. Из 13 взятых мутаций только две пигментные мутации-- tan и ebony -- плейотропно изменяли, в сравнении с нормой, ЭРГ, обусловливая гипополяризацию (tan) или гиперполяризацию (ebony) зрительных рецепторов.

В дальнейшем С. Бензер с сотрудниками занимались выявлением структур, затрагиваемых поведенческими мутациями путем получения мозаиков.

Группа В. Пака пошла по пути углубленного изучения процесса фототрансдукции с помощью тонких электрофизиологических и биохимических методик. Им удалось разработать методику отведения электрических потенциалов от отдельных пресинаптических и постсинаптических нейронов в ретикулярном и ламинарном слоях клеток сложного глаза дрозофилы и выявить различия по составу белков между нормальными и мутантными формами.

Группа исследователей из Института биологической кибернетики имени Макса Планка в Тюбингене получила интересные мутации по оптомоторному поведению.

Все три группы обменялись своими коллекциями мутаций зрительной системы для испытания их на аллелизм. После установления общности отдельных мутаций была введена единая их номенклатура. Результаты совместной работы подытожил В. Пак, в 1975 году. Всего тремя лабораториями было получено свыше 100 сцепленных с полом мутаций, нарушающих ЭРГ.

Примеры зрительных мутаций у дрозофилы.

Ген sevenless (sev). Мутанты по гену не обнаруживают нормального фототаксиса на ультрафиолетовый свет. Изменяется и стереотип поведения: самки, у которых этот ген поврежден, предпочитают откладывать яйца на поверхности, окрашенные в голубой цвет вместо обычных серого, желтого и коричневого.

Ген optomotor-blind (omb). Гомозиготы по мутациям этого гена не реагируют на вращающиеся вертикальные полосы, особенно сильно во время ходьбы, в полете действие мутаций проявляется слабее. У мутантов по гену (omb) отсутствует гигантский тяж нейронов в оптической доле головного мозга. У других двукрылых насекомых, более крупных, чем дрозофилы, эти тяжи необходимы для обнаружения передвигающихся предметов. Молекулярные размеры гена omb велики - около 100 тыс. пар нуклеотидов (т.п.н.). С этого гена считывается около 20 видов различных молекул мРНК.

Ген small-optic-lobes (sol). У мутантных куколок дегенерирует около 50% клеток в оптической доле головного мозга. В результате у мух нарушаются система ориентировки и правильность поведения при посадке после полета. Ген sol клонирован, он располагается в участке ДНК размером 14 т.п.н. С него считываются два транскрипта длиной 5,8 и 5,2 т.п.н. Больший транскрипт кодирует белок, состоящий из 1597 аминокислот. Этот белок имеет способность связываться с ДНК, то есть может блокировать активность регулируемых им генов.

6.3 Мутации двигательной системы у дрозофилы

Мутации двигательной системы явились предметом изучения группы В. Каплана, работающего в тесном контакте с группой С. Бензера. Ими были выбраны мутации с узким характером проявления, типа шейкер, вызывающие подергивание лапок при впадении мушек в эфирный наркоз.

Мутации индуцировали в Х-хромосомах половых клеток самцов линии Canton-S. Для их выделения взяли тестерную линию FM6 в которой аутосомы предварительно были заменены на аутосомы стандартной линии Canton-S для уравнивания генотипического фона. Из 3000 культур F₂ только в четырех были обнаружены самцы, выявившие аномальное поведение при эфиризации. В итоге удалось выделить четыре сцепленные с полом полудоминантные мутации и картировать их. Эти четыре мутации стали объектом всех последующих генетических и нейрофизиологических исследований В. Каплана и его сотрудников.

Исследователи применили комплексную физиологическую оценку частоты и амплитуды движений лапок отдельных особей. Мутанты Hk^l и Hk² совершают от трех до шести заметных по продолжительности и регулярно повторяющимся циклам биений лапками в минуту. Мухи Hk¹ превосходят по активности мух Hk². Для тех и других мутантов характерна бурная кинетогенная реакция -- прыжки, падения на быстро двигающийся вблизи посторонний предмет. Мутанты Hk⁵ осуществляют короткие по амплитуде, но более интенсивные, более частые и менее регулярные подергивания, при этом они расставляют крылья. Иные параметры отличают двигательные реакции мутантов Eag.

При попарном сочетании всех этих мутаций в гетерозиготном и гомозиготном состояниях аддитивного эффекта не наблюдалось. Более того, мутация Hk⁵ в гомозиготном состоянии заметно подавляет проявление мутаций Hk¹ и Hk². Различия в генотипической среде не отражаются заметным образом на действии и взаимодействии изученных мутаций.

Важное значение в рассматриваемом цикле работ имело использование тонкой электрофизиологической методики отведения потенциалов от отдельных нейронов.

При сравнении нормальных, мутантных и мозаичных особей К. Икеда и В. Каплан установили, что шейкер-мутации нарушают работу отдельных мотонейронов торакального ганглия, и произвели их локализацию. Исследователи выделили два типа нейронов. При воздействии на мутантную особь эфиром нейроны первого типа освобождают потенциалы действия без образования препотенциалов, тогда как потенциалам действия нейронов второго типа всегда предшествует слабая остаточная деполяризация. Возможно, что реже встречающиеся нейроны второго типа определяют характер потенциалов первого типа и именно они затрагиваются мутацией.

Ученые выдвинули гипотезу о возможном влиянии шейкер-мутаций на белки, входящие в состав мотонейронов, и на изменение вследствие этого порога возбудимости мотонейронов.

Кроме шейкер-мутаций были изучены некоторые мутации, нарушающие полет дрозофил.

Дж. Левин и Р. Вимэн исследовали морфологию летательных мышц и их иннервацию у мутантов stripe. Мутантные гомозиготные мухи, не имея каких-либо морфологических нарушений, тем не менее, не способны летать. Их моторная активность редуцирована до кратковременных высокочастотных фибрилляций. Основываясь на результатах, полученных с помощью микроэлектродной техники, исследователи пришли к выводу о том, что ненормальное поведение мух stripe обусловлено дисбалансом в передаче импульсов, направляемых синергическим волокнам, и импульсов, направляемых мышцам-антагонистам.

И. Хотта и С. Бензер описали мутации, обусловливающие вертикальное положение крыльев и неспособность летать: wing-up-A (рецессивная) и wing-up-B (доминантная). Эти мутации неаллельны, но расположены близко друг от друга в районе локуса forked Х-хромосомы. Обе они, как показали гистологические исследования с применением световой и электронной микроскопии, вызывают аномалии двигательной мускулатуры крыльев вплоть до полного отсутствия миофибрилл в пораженных вертикальных и продольных мышцах.

6.4 Температурочувствительные мутации у дрозофилы

В начале 70-х годов ХХ века Д. Сузуки и его группа приступили к изучению температурочувствительных мутаций, вызывающих паралич. Благодаря эффективной системе отбора мутантов ученым за сравнительно короткий срок удалось испытать многие сотни тысяч особей и получить достаточно представительную выборку индуцированных этилметансульфонатом сцепленных с полом мутаций. При испытании на аллелизм эти мутации распределились по нескольким локусам в Х-хромосоме, из которых наибольший интерес представили три: paralytic ^ts , shibire ^ts и stoned. Индекс ts указывает на температурочувствительность мутаций в этих локусах, выражающуюся в том, что при температурах свыше 29°С мутантные особи впадают в состояние паралича.

Мутанты по локусу shibire ^ts (shi ^ts) отличаются быстрой и сильной реакцией на действие высокой температуры. При перенесении их в температуру 29°С они впадают в паралич в первые 2 мин и, не выходя из этого состояния, через 12 часов погибают. Ряд аллелей shi^ts обусловливают температурочувствительность на всех стадиях развития -- от яйца до имаго.

Воздействие повышенной температурой в определенные моменты развития (чувствительные периоды) приводит к характерным фенотипическим дефектам глаз, крыльев, лапок и щетинок.

О нейрологической природе мутантов shi^ts свидетельствуют опыты по применению нейротоксина ТТХ (тетродотоксин). При температуре 22°С мухи shi^tsl выявляют устойчивость к ТТХ в 3 раза большую, чем мухи дикого типа. Инъекция ТТХ непосредственно в голову воздействует на ЭРГ нормальных мух, а на мух shi^ts не влияет. Поскольку ТТХ специфически блокирует натриевый канал при возникновении потенциалов действия, Л. Келли предположил, что мутации в локусе shi'^s затрагивают компоненты данного механизма.

Л. Зондергаард получил с помощью ЭМС чувствительную к пониженной температуре сцепленную с полом доминантную мутацию Ocd^ts. Уже при температуре 18°С данная мутация вызывает торможение активности и паралич, подобно тому, как это происходит у мух дикого типа при помещении их в температуру 8°С и ниже. Один из эффектов мутантного гена Ocd^ts состоит в повышении энергии активации митохондриальной сукцинатцитохромредуктазы при температуре ниже 18⁰С.

О. Сиддики и С. Бензер индуцировали две паралитические мутации в локусе comatose^ts. Мутанты com^ts, помимо чувствительности к высокой температуре, подобно мутантам para^ts оказались чувствительными также к пониженным температурам. Паралич у них наступает при снижении температуры до 12--10°С.

Сравнение электрофизиологических параметров мускулатуры, участвующей в обеспечении полета, при внутриклеточном отведении мембранных потенциалов у мутантов para^ts , shi^ts и com^ts выявило четкие различия между ними, свидетельствующие о различном характере генетически контролируемых повреждений.

6.5 Мутации, нарушающие циркадные ритмы у дрозофилы

Для мух дикого типа D. melanogaster характерна закономерная цикличность жизненных процессов, таких как время выхода имаго из куколок или суточная двигательная активность взрослых особей. В их основе лежит генетически контролируемый эндогенный ритм нейросекреторной и гормональной активности, осуществляющийся в естественных условиях при чередовании периодов темноты и света.

При 12-часовом световом дне большинство мух вылупляется на заре, в первые часы рассвета. Этот ритм сохраняется даже в условиях постоянной темноты, если только куколки когда-либо подвергались световому воздействию.

Морфологические мутации L4 и G1, приводящие к нарушению оптических долей, одновременно сбивают и нормальные циркадные ритмы.

В лаборатории С. Бензера при воздействии ЭМС (этилметансульфонат) получены три сцепленные с полом рецессивные мутации, изменяющие суточную цикличность выхода имаго: per⁰, per^s, per¹. Все три мутации локализованы на коротком участке Х-хромосомы. Мутация null-period-arhythmic (per⁰) обусловливает более или менее равномерное распределение частот выхода имаго в течение суток. Мутация short-period (per^s) контролирует вполне четкий ритм, но не при 24-часовом, а при 19-часовом цикле. Наконец, мутация long-period (per¹) удлиняет цикл выхода имаго до 28 часов.

Все рассмотренные мутации одновременно воздействуют на двигательную активность взрослых мух.

6.6 Мутации, изменяющие половое поведение дрозофилы

Половое поведение животных весьма разнообразно. Дрозофила не исключение. Как и у многих других насекомых, у дрозофилы копуляции предшествует ритуал ухаживания, в процессе которого партнёры по очереди осуществляют видоспецифические движения (фиксированные комплексы действий). С физиологической точки зрения, последовательность действий в процессе ухаживания представляет собой обмен сенсорной информацией различной модальности между самцом и самкой. Целью этого обмена является достижение порогового значения возбуждения нервной системы, необходимого для осуществления спаривания.

Ухаживание и копуляция у дрозофилы происходит на субстрате (на твёрдой поверхности), в отличие от некоторых других насекомых отряда двукрылых, которые способны осуществлять эти действия в полёте.

Репертуар ухаживания дрозофилы включает следующие стадии:

Стадия ориентации - оказавшись в достаточной близости от самки, самец начинает двигаться вокруг неё, получая, таким образом, необходимую зрительную информацию о размерах тела самки и её местоположении.

Стадия прикосновения - самец прикасается к брюшку самки первой парой ног, передавая таким образом тактильную информацию. Известно, что при помощи толстостенных вкусовых сенсилл, расположенных на лапках, мухи способны воспринимать химическую информацию. Установлено, что на данной стадии ухаживания происходит передача полспецифических химических сигналов от самки самцу. Становление химического профиля особи происходит параллельно с половым созреванием. Самцы ухаживают за самками своего и других видов, не достигшими половой зрелости, с одинаковой интенсивностью. Единственным критерием избирательности спаривания является «песня» самца.