Содержание
Что такое партеногенез
Партеногенез — это вид полового размножения, при котором организм развивается только от женской половой клетки (то есть яйцеклетки) [1]. Для партеногенеза не нужно оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом (мужской половой клеткой). Ученые предполагают, что партеногенез — побочный эффект эволюции двуполых организмов.
Партеногенез также называют однополым или «девственным» размножением. Хотя при этом виде размножения между мужскими и женскими гаметами (половыми клетками) не происходит слияния, его все равно считают половым: новый организм развивается при участии половой клетки. Обычно при половом размножении яйцеклетка и сперматозоид представляют по половине генетической информации, которая необходима для создания новой жизни. При партеногенезе гены, которые обычно обеспечивают сперматозоиды, восполняются другим способом.
Виды партеногенеза
Существует несколько классификаций партеногенеза:
- Ученые выделяют естественный и искусственный партеногенез [2]. Первый является нормальным способом размножения некоторых существ в природе. Второй же реализуется в экспериментальных условиях в лабораториях.
- Если организм может размножаться только при помощи партеногенеза, его называют облигатным [3]. Если же существо может размножаться как путем партеногенеза, так и с помощью оплодотворения, такой способ будет считаться факультативным.
- В зависимости от пола потомства различают арренотокию (когда развиваются только самцы), телитокию (когда развиваются только самки) и дейтеротокию (когда могут развиваться особи обоих полов).
- Партеногенез бывает соматическим (диплоидным/полиплоидным) и генеративным (гаплоидным). В первом случае при делении клетки набор материнских хромосом копируется в изначальном количестве — получается, по сути, клон. Второй вариант больше напоминает самооплодотворение — при делении яйцеклетка разделяет между двумя клетками и свой набор хромосом. При этом в процессе хромосомы тасуются, и потомственные клетки уже не полная генетическая копия матери.
Как работает партеногенез
Партеногенез может происходить двумя путями. Их различают по тому, каким образом делится половая клетка (женская гамета):
Автомиксис
Женская половая клетка формируется так: сначала она размножается, создавая свои копии. Затем эти клетки начинают расти, накапливая питательные вещества, — и становятся первичными овоцитами (или ооцитами). По сути, это «подросшая» половая клетка, которая почти готова стать яйцеклеткой. Чтобы превратиться в нее, клетка должна дважды поделиться. При первом делении образуется ооцит второго порядка и полярное тельце (побочный продукт деления). После первого деления клетка имеет только половину материнских хромосом (одинарный набор). Вторичный ооцит снова делится — получается яйцеклетка и вторичное полярное тельце.
При автомиксисе яйцеклетка соединяется с полярным тельцем. Получается, что организм просто «перетасовывает» свои же материнские гены для создания потомства, которое будет похоже на нее, но не идентичным.
Апомиксис
Апомиксис чаще встречается у растений и происходит посредством митоза [4]. При этой форме клетка копируется — и создает два своих «клона» с двумя хромосомными копиями (а не с одним, как при мейозе). Из-за того, что такие клетки не проходят мейоз, потомство получается генетически идентичным со своими родителями.
Примеры партеногенеза
Естественный партеногенез встречается у многих живых существ. Среди членистоногих он встречается у пауков, ракообразных, насекомых (тараканы, тля, муравьи) [5]. Планктонное ракообразное — дафния — большую часть года размножается партеногенезом, в результате которого рождаются только самки [6]. Осенью, когда условия окружающей среды ухудшаются, из этих же яиц появляются уже самцы. Их самки используют для полового размножения.
У муравьев распространен такой вид партеногенеза, как телитокия, когда потомство представлено только самками. Он встречается у восьми видов муравьев [7]. Такой же способ полового размножения обнаружен у семи видов термитов [8].
Среди позвоночных партеногенез — явление очень редкое. Партеногенезом могут размножаться скальные ящерицы и комодские вараны, некоторые виды рыб, земноводных и даже птиц [9]. А вот среди млекопитающих ученые случаев естественного партеногенеза пока не обнаружили.
Искусственный партеногенез
Искусственный партеногенез — это вид полового размножения, при котором на неоплодотворенную яйцеклетку воздействуют различными раздражителями в ходе экспериментов [10]. Первым этим вопросом занялся русский зоолог Александр Тихомиров. В 1886 году он вызвал партеногенез у неоплодотворенных яиц тутового шелкопряда. Для этого он воздействовал на них концентрированной серной кислотой, трением и перепадами температур [11].
Дело Тихомирова продолжил советский биолог Борис Астауров, который в 1936 году разработал способ массового получения полного партеногенеза для тутового шелкопряда. Для этого он нагревал извлеченные из самки неоплодотворенные яйца до 46 °С на протяжении 18 минут. Этот способ позволил получать новые особи, но только женского пола. Они были идентичны исходной самке и друг другу. В дальнейшем советский генетик и селекционер Владимир Струнников смог добиться партеногенетического развития и самцов тоже: это важно, потому что самцы дают больше шелка, чем самки [12].
Успешные эксперименты проводились и над другими животными: морскими беспозвоночными вроде морских ежей, звезд, червей и моллюсков, над лягушками, кроликами [13].
Немецкий зоолог Оскар Гертвиг смог сделать так, чтобы началось дробление неоплодотворенных яйцеклеток у морского ежа и некоторых видов кольчатых червей. Для этого он воздействовал на них стрихнином, хлористым кальцием, дифтерийной сывороткой и морской водой.
Американский зоолог и биолог Жак Леб занимался разработкой методики искусственной активации яиц иглокожих: он сначала погружал яйца в кислоту, потом — в гипертоническую морскую воду (гипертоническая морская вода — жидкость, где концентрация соли выше, чем в погружаемой туда клетке, чтобы молекулы соли могли пройти сквозь клеточные стенки). После он помещал яйца в нормальные условия, и они развивались с помощью партеногенеза.
Американец Грегори Гудвин Пинкус работал над партеногенезом у кроликов [14]. Он забирал неоплодотворенные яйцеклетки кролика непосредственно из яичников или из фаллопиевых труб, а затем воздействовал на них гипертоническим раствором — или нагревал их три минуты при температуре 47 °С. После начала деления клеток Пинкус снова возвращал их в матку крольчихи, где они развивались дальше. Благодаря исследованиям ученый смог получить несколько взрослых особей.
Что касается растений, партеногенеза удавалось добиться у некоторых видов водорослей и грибов: для этого использовали гипертонические растворы и кратковременное нагревание. Австриец Эрих Чермак смог добиться искусственного партеногенеза у цветковых растений вроде хлебных злаков и бобовых посредством раздражения рыльца растения стерильной или чужеродной пыльцой, а также различными порошками (тальк, мука, мел).
Советский гистолог Евгений Вермель в 1972 году добился партеногенеза у смородины, томатов и огурцов. Для этого он воздействовал на клетки растений с помощью диметилсульфоксида [15]. Если поместить диметилсульфоксид в воду, начнет выделятся тепло и раствор будет нагреваться. Вещество используют в фармацевтике, а также в различных сферах производства.
Партеногенез у человека
Впервые наука встретилась с примером — хоть и неполным — партеногенеза у человека в 1995 году [16]. Родителей годовалого ребенка насторожила асимметричность его лица: если левая половина выглядела здоровой, то правая имела непропорциональные черты и неправильную форму.
Чтобы разобраться, ученые пересчитали хромосомы в клетках крови ребенка и обнаружили две Х-хромосомы (ХХ). Дело в том, что это «женское» сочетание хромосом, у мальчиков должно быть сочетание XY. Но при том, что кровь у ребенка была с набором ХХ, его кожа минимум на 95% была «мужской» (XY) — согласно исследованию клеток с щиколотки малыша, кариотип (полный хромосомный набор клетки) ребенка был 46,XY — то есть мужской.
Ученые так и не выяснили точно, что привело к такому развитию ребенка. Однако они предположили, что яйцеклетка осуществила первые деления слишком быстро: яйцеклетка успела объединиться с полярным тельцем — как это происходит при автомиксисе. И только после этого до нее добрался сперматозоид. Поэтому часть клеток у мальчика получила XY-набор хромосом, а часть — двойной набор хромосом матери.
Известны также случаи, когда у детей была часть клеток с набором хромосом ХХ, а часть — с набором XY (женским и мужским), но при этом во всех клетках были отцовские хромосомы. По мнению исследователей, это могло произойти из-за того, что изначально яйцеклетка самостоятельно «активировалась», но после первого деления ее оплодотворили два разных сперматозоида — или по причине того, что женская половая клетка просто нестандартно прошла процесс деления [17], [18].
В 2017 году ученые предположили, что партеногенез среди людей может просто оставаться незамеченным — и на помощь должно прийти секвенирование геномов всех новорожденных [19]. Ряд исследователей работает над гипотезами о том, как именно у человека может происходить партеногенез. Однако подтверждение этих гипотез по этическим причинам пока невозможно. Ученые предполагают, что некоторые партеногенетические явления у людей вроде тератомы яичников (доброкачественных образований, которые формируются из оставшегося зачатка одной из эмбриональных тканей) или химер (вроде мальчика, о котором писали в Nature) могут быть частью процесса эволюции, а что в дальнейшем партеногенез у людей может стать реальностью.
Читайте также:
👀 Следите за телеграм-каналом «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.