Бабочки и птицы

Как было сказано выше, задача произвольного управления полами у бабочек и птиц с принципиальной точки зрения не отличается от таковой у млекопитающих с той лишь разницей, что у них по наличию Х- или У-хромосомы нужно было бы научиться различать не сперматозоиды, а неоплодотворенные яйца. Однако возможность использовать этот прямой подход для решения данного вопроса здесь ограничена самой природой, поставившей на этом пути пока что непреодолимые препятствия.

Для уяснения сущности этих препятствий уточним еще раз смысл понятия "яйцо". Яйцами или яйцеклетками мы называем зрелые неоплодотворенные женские половые клетки, независимо от их принадлежности к тому или иному виду млекопитающих, птиц, насекомых и т. д. Употребление этих понятий для обозначения женских зрелых половых клеток млекопитающих не влечет каких-либо терминологических затруднений. Возникновение яиц, их развитие и дальнейшая судьба связаны с материнским организмом: в тех случаях, когда яйца оплодотворены, из них развиваются зародыши; если же оплодотворения не произошло, яйца выводятся из организма матери, причем это последнее событие происходит столь малозаметным образом, что не привлекает к себе внимания.

А теперь вспомним, что представляют собой снесенные в гнездо яйца птиц или отложенные на соответствующий субстрат яйца бабочек, о которых здесь идет речь. На общежитейском языке это тоже "яйца". Но это не гаметы, не те зрелые, еще не оплодотворенные женские половые клетки в принятом здесь смысле, которые в рамках рассматриваемого вопроса представляли бы интерес для опытов по их фракционированию. У бабочек и птиц, так же как и у млекопитающих, оплодотворение яиц происходит в половых путях самок. Поэтому к моменту откладки "яйца" бабочек и птиц не только оплодотворены, но зачастую уже значительно продвинулись в развитии. Пол заключенных в них зародышей необратимо фиксирован в соответствии с составом половых хромосом еще в неоплодотворенных яйцах.

Вот почему с отложенными "яйцами" бабочек и птиц экспериментатору, увы, делать нечего; тот прямой путь, по которому исследователи идут в решении проблемы применительно к млекопитающим, к бабочкам и птицам неприменим.

Истинные любители курочек здесь могут остановить нас вопросом: все это так, поскольку речь идет об оплодотворенных яйцах (т. е. по принятому условию о яйцах в кавычках). Но если в стаде кур нет петуха, то куры несут неоплодотворенные яйца (т. е. яйца без кавычек). Может быть, с ними все же можно что-нибудь сделать?

Кто знает, может быть, и можно; ведь недаром говорят, что наука все может сделать, и это положение до известной степени правильно. Однако для решения поставленного вопроса надо было бы научиться не более и не менее как искусственно оплодотворять снесенные и хитроумно упакованные в скорлупу и оболочку яйца, физиологическая готовность которых к оплодотворению, возможно, к моменту откладки уже частично или даже полностью утрачена.

Но и это еще не все и даже не главное. Для опыта, о котором идет речь, очевидно, надлежало бы взять яйца с уже известными данными в отношении их половых хромосом. Только тогда результаты опыта продвинули бы вперед решение проблемы искусственной регуляции пола у бабочек и птиц. В противном случае, т. е. без соблюдения этого условия, шансы на получение цыплят, например, женского пола остались бы в этом опыте такими же, как и у той расчетливой хозяйки, которая ожидает их как "милость от природы".

Таким образом, вопрос наших любезных хозяек дал возможность выкристаллизовать его сущность в форме следующей двухстадийной и очень сложной задачи: для фронтального наступления на проблему искусственной регуляции пола у бабочек и птиц необходимо было бы, во- первых, научиться дифференцировать еще не оплодотворенные яйца на типы с Х- и У-хромосомами и, во-вторых, разработать метод искусственного оплодотворения отложенных и физиологически, несомненно, перезрелых яиц.

К сказанному выше о трудностях решения второй части задачи прибавить больше нечего. Что же касается первого этапа исследований, т. е. дифференциации яиц на типы с Х- и У-хромосомами, то он внушает еще меньше надежды на успех. О более чем скромных достижениях в опытах по разделению смеси сперматозоидов на фракции с Х- и У-хромосомами было сказано выше. Несоизмеримо большие трудности стоят на пути решения этого вопроса применительно к отложенным неоплодотворенным яйцам: ведь масса яйца, в особенности у птиц, в миллионы раз превышает массу сперматозоида. И все же нерешенные вопросы и незакрытые проблемы не перестают питать любознательность ученых даже в тех случаях, когда их разработка наталкивается на непреодолимые трудности. Такова сущность науки, диалектика ее развития.

Под такой не вполне оптимистический вывод мы и расстанемся с нашими добрыми знакомыми - хозяйками и всеми другими поклонниками пернатых, независимо от подоплеки их интересов к проблеме искусственного регулирования пола. Общение с ними было полезно и много способствовало выяснению истины.

К взаимному разочарованию мы должны признать, что каждому куриному яйцу в буквальном смысле слова "написано на роду" развиться в цыпленка именно этого, а не противоположного пола; что у приверженцев к пернатым пока что нет серьезных оснований рассчитывать на близкие и столь крупные успехи в науке, которые каждого из них сделали бы хозяином своего положения, и что им в ближайшие десятилетия не остается ничего другого, как "ожидать милостей от природы", отнюдь, конечно, не пренебрегая тем жизненным опытом, которым каждый из них, безусловно, обладает.

Что же касается промышленного птицеводства, то единственная возможность частичного решения вопроса, о котором идет речь, заключается в выбраковке цыплят менее желательного пола сразу по вылуплении их из яиц. Кратко об этом приеме было упомянуто в главе I. А теперь о нем несколько подробнее.

Если яйца для инкубации получить от кур-плимутроков и петухов-леггорнов, то вылупившиеся из таких яиц курочки унаследуют наряд отца, т. е. будут черные, а петушки - наряд матери, т. е. будут полосатые (см. рис. 1).

Однако у только что вылупившихся цыплят характерная для плимутроков полосатость еще незаметна - она проявляется значительно позже, по мере развития оперения. Здесь на помощь приходит другая особенность цыплят-плимутроков, а именно - наличие у них белого пятнышка на затылочной части головы и отсутствие его у цыплят других пород кур. Это пятнышко хорошо выражено уже у только что вылупившихся цыплят, и именно по его наличию можно безошибочно отобрать курочек от петушков сразу по поступлении их из инкубатора и в дальнейшем использовать их применительно к направлению данного птицеводческого хозяйства. Этот прием, конечно, не решает проблемы искусственного управления полом у кур, но все же имеет определенное практическое значение.

Этот же метод нашел применение в промышленном шелководстве, причем здесь он дает возможность выбраковывать потомство менее желательного пола еще раньше, чем у кур, а именно - на стадии яиц или молодых гусениц. У тутового шелкопряда также известны свои "плимутроки" и "леггорны", т. е. расы бабочек, которые при соответствующих спариваниях (скрещиваниях) производителей дают возможность безошибочно различать яйца на самок и на самцов или вылупившихся из них гусениц по их окраске. А так как из мужских коконов шелка можно получить на 25 - 30% больше, то при помощи конвейера и фотоэлемента имеет смысл отсортировать их и только их передавать в дальнейшее производство: недобор шелка при этом будет перекрыт сокращением издержек на одну из наиболее трудоемких операций шелководства - выкармливание гусениц.

Итак, лобовая атака на проблему искусственного регулирования пола у бабочек и птиц при современном состоянии науки оказывается невозможной. Остается искать обходные пути решения вопроса - иногда они приносят неплохие результаты.

Применительно к упомянутой группе организмов положительные результаты получены в опытах с одним видом бабочек, а именно с тутовым шелкопрядом. Рассмотрим эти опыты и лежащие в их основе предпосылки.

В одном из них была поставлена задача получить исключительно женское потомство шелкопряда путем вмешательства в процесс созревания яиц. Основанием послужили известные к тому времени факты естественного и экспериментального девственного развития яиц у ряда насекомых и в том числе у тутового шелкопряда. Девственное, или партеногенетическое, развитие, т. е. развитие без оплодотворения, является приспособительным признаком и у разных организмов наблюдается с неодинаковой периодичностью и частотой.

Опыт сводился к проверке следующей догадки: если ничтожно малый процент неоплодотворенных яиц тутового шелкопряда может развиваться без оплодотворения и если из таких неоплодотворенных яиц возникают самки (ХУ), то, очевидно, они развиваются из тех яиц, при созревании которых редукционное деление выпало, не произошло (ХУ). Нельзя ли эти исключения сделать правилом и процент партеногенетических самок в потомстве существенно увеличить или даже довести до 100?

Эта догадка получила полное подтверждение. В результате серии предварительных опытов было найдено, что если незрелые яйцевые клетки (овогонии) оперативным путем извлечь из яичников бабочек и на 18 минут погрузить в воду при 46°, то редукционные деления в них будут полностью подавлены, а сами яйца приобретут способность к развитию без оплодотворения.

У бабочек-самок, как мы теперь знаем, имеются Х- и У-хромосомы. Вследствие выпадения редукционного деления в результате температурной обработки яиц их хромосомный состав останется неизменным и имитирующим тот случай, как если бы все нормально созревшие яйца с У-хромосомой (на самок) были оплодотворены сперматозоидами с Х-хромосомой. Если эти предположения правильны, то все развившиеся из неоплодотворенных яиц бабочки должны быть самками. Так оно и оказалось в действительности.

Эффективный метод искусственного партеногенеза состоит в активации неоплодотворенных яиц посредством погружения в горячую воду. Для этого необходимо извлечь яичники из тела неоплодотворенных самок, высвободить яйца из яйцевых трубочек посредством их протирания через тюлевое сито, промыть яйца под струйкой воды, высушить их на фильтровальной бумаге и спустя примерно 12 часов подвергнуть тепловому воздействию. Для этого яйца в марлевых мешочках надо погрузить на 18 минут в воду, нагретую точно до 46°, и затем охладить в течение 5 - 10 минут в воде комнатной температуры. В дальнейшем с неоплодотворенными активированными яйцами можно обращаться так же, как с нормально оплодотворенными.

В результате теплового воздействия часть яиц неизбежно погибала. Тем не менее средний выход партеногенетических самок был равен 55 - 60%, а в отдельных опытах достигал 82%.

Таким путем была решена первая часть задачи - получение у шелкопряда преимущественно женского потомства. Нельзя ли, однако, решить и вторую часть задачи - получение исключительно мужского потомства - тем более, что, как было сказано выше, мужские коконы тутового шелкопряда содержат шелка на 30% больше, чем коконы женские?

Успех сопутствовал и этим опытам, которые основывались на учете двух других биологических особенностей тутового шелкопряда.

Одна из этих особенностей, свойственная, впрочем, не только шелкопряду, но и вообще всем организмам, заключается в неодинаковой чувствительности цитоплазмы и хромосом половых клеток к повреждающему действию ионизирующей радиации и в том числе рентгеновых Лучей.

Предварительными опытами была подобрана доза рентгеновых лучей, которая для половых клеток является абсолютно смертельной. Отмирание клеток наступает в результате повреждения именно хромосом, а не цитоплазмы; последняя не утрачивает жизнеспособности даже от такой колоссальной дозы, которая в 500 раз превышает абсолютно смертельную дозу для человека, равную 600 - 700 рентгенам. Эта дифференциальная чувствительность хромосом и цитоплазмы яиц и была использована в опытах по получению у шелкопряда мужского потомства.

Опыт был спланирован следующим образом. Яйца нормальных самок, чтобы разрушить их ядра, облучали в теле бабочек перед оплодотворением большой дозой рентгеновых лучей. После оплодотворения самок сперматозоидами необлученных самцов свежеотложенные яйца обрабатывали горячей водой (46°) в течение 18 минут, т. е. посредством того воздействия, которое легко побуждает неоплодотворенные яйца к девственному развитию.

Здесь следует пояснить одну особенность оплодотворения яиц шелкопряда, которая создает возможность развития облученных, т. е. безъядерных, яиц, оплодотворенных необлученными сперматозоидами. Такие яйца содержат гаплоидный, а не диплоидный набор хромосом и, казалось бы, не должны развиваться.

Дело в том, что в яйцо шелкопряда, как правило, проникает несколько сперматозоидов, из которых в нормаль- пых случаях лишь один участвует в оплодотворении. В рассматриваемом же опыте, когда яйцо лишено своих хромосом, оплодотворение достигается слиянием ядер двух сперматозоидов. В результате число хромосом в оплодотворенных яйцах восстанавливается до нормального, диплоидного; вместе с тем восстанавливается и их способность к развитию.

Поскольку все сперматозоиды у шелкопряда одинаковы и каждый из них содержит Х-хромосому, все возникающие в результате "двойного" оплодотворения безъядерные яйца будут содержать по две Х-хромосомы. Следовательно, все развивающиеся из них бабочки должны быть самцами. Так оно и оказалось в действительности.

Таким путем была решена и вторая часть задачи - получение у тутового шелкопряда исключительно мужского потомства. Оба эти приема нашли применение как в промышленном шелководстве, так и в исследовании других, чисто генетических вопросов, которых мы здесь не касаемся.

Оба метода весьма специфичны, а их результативность применительно к шелкопряду обусловлена его биологическими особенностями. Тем не менее рассмотренные опыты представляют большой теоретический и практический интерес. Они показали важность дифференциального подхода к решению проблемы в зависимости от биологических особенностей организмов; возможно, этот путь приведет к дальнейшим, еще более крупным успехам в управлении полом по желанию.

В заключение следует отметить, что случаи девственного развития яиц описаны также у дрозофилы. Из 28 исследованных видов дрозофилы партеногенез наблюдался у 23. Однако его частота была крайне незначительна, а взрослые партеногенетические мухи были получены лишь у трех видов с частотой, равной 0,01 - 0,005%. Путем отбора родителей с большей склонностью к партеногенезу частоту партеногенетических особей удалось повысить до 1,5 - 0,7%.