Чтение онлайн

Границы видов, особенно видов животных, устанавливаются репродуктивной изоляцией между ними. Это разделение поддерживается разнообразными изолирующими механизмами, которые можно разбить на две широкие категории - презиготические и постзиготические, в зависимости от того, подавляется ли передача генетической информации до или после оплодотворения. Презиготические преграды служат для предотвращения слияния гамет и могут сводиться всего лишь к экологическим различиям между двумя предполагаемыми брачными партнерами. Если две группы животных экологически изолированы либо реальным физическим расстоянием, либо тем, что они занимают достаточно различные ниши в одной и той же общей области, то скрещивание между ними маловероятно. Второй тип наблюдаемой презиготической изоляции-это временная изоляция. Если животные различаются по суточным ритмам активности или если растения различаются по срокам цветения, то они лишены возможности обмениваться генетической информацией. Третий тип презиготической изоляции специфичен для полового процесса как такового. У многих животных выработались весьма сложные брачные церемонии, которые должны быть выполнены во всех деталях, для того чтобы могло совершиться спаривание и произошло слияние гамет. В некоторых случаях при этих церемониях происходит не только обмен слуховыми и зрительными сигналами, но также выделение самцом, самкой или обоими партнерами специфических феромонов или половых аттрактантов. Четвертый презиготический механизм заключается в физической несовместимости. Этот механизм связан с величиной и формой половых органов самца и самки. Например, у животных с внутренним оплодотворением половой член самца должен соответствовать строению половых органов самки, с тем чтобы было возможно введение спермы. У растений, опыляемых насекомыми, каждый вид связан с определенным видом опылителей, и успех опыления зависит от величины, формы, окраски и запаха цветка и его способности привлекать насекомых именно данного вида.

Наконец, существует несовместимость гамет. Гаметы, продуцируемые организмом с тем, чтобы произошла сингамия, или слияние мужского и женского пронуклеусов с образованием диплоидного ядра зиготы, должны узнавать друг друга и обладать для этого специальными опознавательными признаками. Среди животных это наиболее ярко выражено у видов с наружным оплодотворением, которые выделяют гаметы в окружающую среду, обычно водную. Морские ежи и другие иглокожие, для которых характерно наружное оплодотворение, обладают опознавательными признаками, предотвращающими межвидовой обмен генами. Нельзя не испытать известного зловещего очарования, представив себе тот хаос, который мог возникнуть, если бы выброшенные в океан гаметы начали соединяться случайным образом. У растений несовместимость гамет чаще всего проявляется в неспособности пыльцевого зерна одного вида, попавшего на рыльце другого вида, прорасти в столбик, в результате чего мужской пронуклеус лишается возможности достигнуть яйцеклетки. Очевидно, этот же механизм предотвращает самооплодотворение у многих однодомных растений.

Ко второй крупной категории - постзиготическим изолирующим механизмам - относятся те механизмы, которые вступают в действие после того, как произошло слияние гамет. Первый из них - это летальность гибридов. Образование гибридов возможно, по крайней мере в лабораторных условиях, однако они гибнут на той или иной стадии развития. Гибель может произойти либо вскоре после оплодотворения, либо на довольно поздней стадии развития; она бывает обычно вызвана либо неспособностью отцовского генома выжить и/или функционировать в материнской цитоплазме, т.е. в цитоплазме яйцеклетки, либо несовместимостью отцовского и материнского геномов. Эти механизмы продемонстрировали Дени и Браше (Denis, Brachet) в своем исследовании причин летальности при скрещиваниях между двумя видами иглокожих – Paracentrotus lividus и Arbacia lixula. Яйца P. lividus можно оплодотворить спермой A. lixula, и они начинают развиваться, однако гибридный зародыш гибнет до гаструляции. Причиной прекращения развития может быть утрата отцовской ДНК дробящимся яйцом вследствие элиминации отцовских хромосом во время клеточных делений. Кроме того, в этих экспериментах не наблюдалось усиления синтеза РНК, которое обычно происходит при гаструляции или непосредственно перед ее началом. Летальность гибридов несколько иного рода была обнаружена при скрещиваниях между другой парой видов иглокожих - Dendraster excentricus и Strongylocentrotus purpuratus (Whiteley, Whiteley). В этом случае зародыши проходили через стадию гаструлы, но не достигали нормальной личиночной стадии. Возможно, что такое прекращение развития вызвано нарушением экспрессии отцовского генома, потому что при этом не происходит синтеза белков, специфичных для отцовского вида.

Другая форма постзиготической изоляции - это стерильность гибридов: межвидовые гибриды жизнеспособны, но не оставляют потомства. Классическим примером служит мул. Стерильность по вызывающим ее причинам делится на две основные категории - хромосомную и генную. Хромосомная стерильность часто возникает в результате неспособности хромосом отцовского и материнского происхождения к нормальной конъюгации и расхождению во время мейоза, что приводит к массивному «нерасхождению» при первом мейотическом делении. На рис. 3-5 изображено нормальное течение мейоза (слева) и случай нерасхождения (справа).

Рис. 3-5. Нормальный мейоз и аномальный мейоз, приводящий к нерасхождению хромосом. При нормальном мейозе все гаметы содержат равноценные гаплоидные наборы хромосом. При нерасхождении не происходит равномерного распределения хромосом по гаметам, так что гаметы содержат несбалансированные хромосомные наборы.

Как показывает этот гипотетический пример, аномальное распределение генетического материала при мейозе приводит к образованию анэуплоидных гамет, несбалансированных на хромосомном, а поэтому и на генном уровнях. Это происходит несмотря на то, что гибридный индивидуум во всех других отношениях совершенно нормален. Однако образуемые им анэуплоидные половые клетки неспособны соединяться ни друг с другом, ни с нормальными гаметами, с тем чтобы обеспечить нормальное развитие, а поэтому гибриды стерильны. Пример такой стерильности при скрещиваниях между двумя видами табака описали Клаузен и Гудспид (Clausen, Goodspeed). У Nicotiana tabacum диплоидное число хромосом равно 48, а у N. glutinosa оно равно 24. Эти два вида дают при скрещивании жизнеспособные гибриды с диплоидным числом хромосом, равным 36. Эти растения стерильны и не производят семян, потому что 12 хромосом N. glutinosa и 24 хромосомы N. tabacum, по-видимому, неспособны нормально конъюгировать и расходиться при мейозе.

Хромосомная стерильность другого типа может возникнуть при скрещивании двух близкородственных видов, обладающих различной хромосомной конституцией. Это легче всего наблюдать, если геном одного вида отличается от генома родственного вида по перестройке, состоящей в иной ассоциации плеч хромосом, т. е. если у одного вида произошла транслокация или слияние плеч хромосом. Гибрид от скрещивания между такими двумя видами продуцирует анэуплоидные гаметы вследствие аномального расщепления генетической информации, расположенной в них по-разному. У гибридного индивидуума, гетерозиготного по одному элементу транслокации, плодовитость будет понижена вдвое, а дальнейшие перестройки понизят ее даже еще больше. Аналогичное, хотя и менее выраженное, влияние хромосомные инверсии могут оказывать и оказывают на плодовитость внутривидовых гибридов. Следовательно, изменения числа хромосом и хромосомные перестройки могут блокировать обмен генетической информацией и создавать изоляцию, способствуя видообразованию.

Необходимо, однако, ясно понимать, что, устанавливая зависимость между изменениями генома (особенно это касается крупных изменений, различимых на глаз) и видообразованием, следует соблюдать осторожность и не путать причину и следствие. В некоторых случаях хромосомные изменения, несомненно, играют роль факторов, поддерживающих изоляцию, а не причин, вызывающих видообразование. Об этом свидетельствуют два примера. Один из них состоит в том, что, как мы увидим ниже, среди гавайских Drosophilidae часто происходит видообразование, не сопровождающееся хромосомными перестройками. Кроме того, среди этих же самых Drosophilidae встречаются многочисленные случаи полиморфизма по инверсиям, который поддерживается стабилизирующим отбором в популяциях, принадлежащих к одному виду, не приводя к кладогенезу. Полиморфизм по инверсиям можно лучше всего интерпретировать как существование блоков сцепленных генов, подвергающихся нормальному расщеплению, подобно сбалансированному полиморфизму в этой же популяции. Эти блоки, по-видимому, функционируют как супергены, обусловливающие гетерозис, потому что большая часть кроссоверов в пределах данной инверсии не попадает в ооцит, а элиминируется в полярных тельцах во время мейоза у самок. У самцов дрозофилы обычно не наблюдается кроссинговера при мейозе. Поэтому инверсии не снижают плодовитости. В этом отношении они отличаются от транслокаций. Хромосомные перестройки не всегда бывают связаны с видообразованием; и их присутствие необязательно свидетельствует о наличии процесса видообразования. При генной стерильности гибридные особи одного или обоих полов стерильны обычно вследствие аномального гаметогенеза. Нарушения возникают либо до, либо после мейоза. Пример этого в сочетании с интересным типом летальности гибридов наблюдается при скрещиваниях между двумя видами-двойниками – Drosophila melanogaster и D. simulans. Эти два вида морфологически идентичны, различаясь лишь по строению половых придатков самцов. В метафазе их кариотипы идентичны; при изучении их политенных хромосом обнаружена одна большая инверсия в 3-й хромосоме и пять или шесть мелких инверсий, разбросанных по остальному геному. Стертевант (Sturtevant) при скрещивании самок D. melanogaster с самцами D. simulans получал потомков только женского пола. При реципрокном скрещивании самок D. simulans с самцами D. melanogaster все потомство было мужского пола. В обоих случаях жизнеспособное потомство было полностью стерильным как при скрещиваниях между собой, так и при возвратных скрещиваниях с любым из родительских видов. Гонады у гибридов были мелкие и недоразвитые и не вырабатывали гамет.

Выявленный у этих гибридов тип летальности указывает, по мнению Стертеванта, на то, что для выживания гибридного потомства необходимо наличие Х-хромосомы D. simulans. Однако даже присутствия этой Х-хромосомы недостаточно для восстановления жизнеспособности, если в цитоплазме D. simulans присутствует также Х-хромосома D. melanogaster. Ключ к непосредственной причине этой летальности, а также подтверждение правильности гипотезы Стертеванта были получены в более поздних исследованиях этого явления. Дьюрика и Кридер (D. Durica, H. Krider) сумели показать, что в гибридных генотипах один из организаторов ядрышка (место синтеза рибосомной РНК) подавлен, что, очевидно, приводит к ослаблению синтеза белка. Большой интерес представляет доминантный аллель, недавно обнаруженный Такамурой и Ватанабе (Т. Takamura, Т. Watanabe) в природе у D. simulans; его присутствие спасает оба летальных класса при реципрокных межвидовых скрещиваниях. Мы вправе допустить, что этот аутосомный локус 2-й хромосомы ответствен за активацию или инактивацию рибосомных генов у межвидовых гибридов. Далее генетические исследования, проведенные несколько лет назад Мёллером и Понтекорво (H.J. Muller, G. Pontecorvo), позволяют считать, что число генов, контролирующих стерильность гибридов, невелико, но оно больше единицы. Хотя летальные взаимодействия, очевидно, детерминируются одним геном, находящимся во 2-й хромосоме, точное число, по-видимому, разбросанных по всему геному локусов, которые обусловливают стерильность жизнеспособного гибридного потомства, еще предстоит выяснить. Более четкая оценка генетической дифференцировки между двумя видами-двойниками дана в конце настоящей главы.

Последний тип постзиготической изоляции называют разрушением гибридов, или гибридным дисгенезом. При такой изоляции гибридные индивидуумы образуются, и они плодовиты; однако у потомков этих гибридных индивидуумов наблюдаются разнообразные нарушения развития: от летальности до пониженной жизнеспособности и стерильности. Примером этого явления служит скрещивание между Zea mays и . mexicana. Мангельсдорф (Mangelsdorf) получил от этого скрещивания гибридные растения, а затем скрещивал их с растениями Z. mays родительской линии. Потомки от этого скрещивания оказались высоко «мутабильными» и дали в свою очередь потомство с дефектами, затрагивавшими эндосперм, высоту стебля и другие признаки, от которых зависит мощность растений. Подобного рода эффект наблюдается не только у растений; недавно он был обнаружен и проанализирован у Drosophila melanogaster. В этом случае проявления дисгенеза можно видеть у гибридов от скрещиваний между мухами диких линий, выловленными в природе, и лабораторными линиями, которые были изолированы от диких линий в течение всего нескольких лет. Результаты дисгенеза проявляются в виде разрывов хромосом и их элиминации в процессе митотических клеточных делений у развивающихся личинок и в высокой частоте мутаций. Как показал генетический анализ этого процесса, он контролируется одним или несколькими генами и, возможно, связан с перемещением (транспозицией) небольших участков «кочующей» (мобильной) ДНК. Поэтому создается впечатление, что «разрушение» гибридов вызывается генами, влияющими на сохранение генома. В самом деле, возможно, что именно подобного рода механизм вызывает летальность гибридов, наблюдаемую в приведенном выше примере с иглокожими. Наконец, необходимо подчеркнуть, что репродуктивная изоляция редко бывает вызвана одной-единственной причиной; как в примере с гибридами между D. melanogaster и D. simulans, она может быть обусловлена несколькими факторами, блокирующими обмен генами. Некоторые из них могут быть пре-, а другие постзиготическими по своему действию. Конкретная комбинация факторов и природа механизма зависят от участвующих в гибридизации видов, от особенностей их поведения и физиологии размножения.

Механизмы изоляции генофондов сами по себе ничего не говорят о том, как первоначально возникла изоляция. Буш (Buch) обрисовал четыре возможных типа видообразования, которые если и имели место, то привели бы к кладогенезу. Эти четыре типа схематически представлены на рис. 3-6.

Рис. 3-6. Типы видообразования у животных (Bush, 1975).

Первый из них (тип 1а) обычно называют классическим, или аллопатрическим видообразованием. В исходном состоянии популяция представляет собой обширную панмиктическую (свободно скрещивающуюся) популяцию. Какое-либо изменение географии или климата разбивает эту большую популяцию на две отдельные части и при помощи той или иной физической преграды исключает возможность обмена генами между ними. Под действием отбора или просто в результате случайного дрейфа генетических элементов эти две некогда идентичные популяции превращаются в две генетически обособленные группы. Это изменение происходит не в результате одновременного изменения всех членов данной субпопуляции, а путем медленного замещения первоначальной генотипической конституции исходной популяции, происходящего за счет перераспределения генетического материала. Если физическая изоляция сохраняется на протяжении достаточно длительного времени, то возникает некоторый уровень генетической дивергенции, так что две новые популяции оказываются изолированными при помощи одного или нескольких внутренних изолирующих механизмов, которые мы уже обсуждали. Если на этой стадии устранить внешнюю преграду, то между такими прежде идентичными популяциями обмен генами происходить не будет. Таким образом, согласно определению, можно считать, что возникли два отдельных вида. Если (одновременно с репродуктивной изоляцией) у этих двух популяций появятся и другие признаки, в силу которых они станут занимать разные ниши, то они могли бы совместно обитать в одной и той же географической области (стать симпатрическими в результате миграции). В противном случае между ними может начаться конкуренция, которая приведет к вымиранию одного из двух видов.

Рис. 3-6 содержит еще одно уточнение, касающееся этого способа. Если репродуктивная изоляция несовершенна (особенно в тех случаях, когда возникает только постзиготическая изоляция), то возможен отбор, направленный на создание дополнительных преград. Существование одной лишь постзиготической изоляции привело бы к большой потере гамет для обеих популяций в любой точке их перекрывания, а любая особенность поведения, ведущая к презиготической изоляции, устранит эту потерю и будет подхвачена отбором. Следует указать, что видообразование такого типа протекает медленно.