8.1.1. Исследования на насекомых

Диалекты языка пчел [2044; 2047]. Насекомые, особенно колониальные виды, способны производить сложную последовательность движений, имеющую определенный смысл. Пчела, обнаружив пищу на ближайшем поле, информирует других рабочих пчел своего улья о находке при помощи кругового танца. Однако, если это поле слишком далеко, она исполняет танец другого типа, указывающий направление, следуя которому можно найти пищу. Этот вид поведения жестко фиксирован генетически, но его генетический механизм неясен. Эксперименты показали, что пчелы могут совершенствовать свои способности к пространственной ориентации путем обучения и что способность к обучению сама по себе является наследственным признаком, по которому могут различаться генетические линии [2111; 2112]^*. На уровне формальной генетики оказалось возможным выяснить генетический механизм для другого поведенческого признака пчелы.

^* (Приложение терминов "язык" и "диалект" к танцу пчел семантически неадекватно, поскольку такой поведенческий паттерн совершенно отличен от человеческого языка и диалекта. Весьма различна и их нейрофизиологическая основа. Мы используем эти термины вслед за Фришем [2044] ввиду отсутствия простого описательного термина для такого поведения.)

Американская личиночная гниль: проблема гигиены улья [2185]. Между культивируемыми линиями пчел существуют различия в поведении при очистке улья. Эти различия были обнаружены в ходе селекции по признаку, не имеющему, казалось бы, никакого поведенческого аспекта - устойчивости к бактериальной инфекции, поражающей личинок: американской личиночной гнили. Сравнивали две линии - устойчивую и чувствительную. Рабочие пчелы устойчивой линии немедленно открывали ячейки сот, содержащие пораженных личинок, и удаляли их, в то время как пчелы чувствительной линии не делали этого. При скрещивании пчел, принадлежащих двум разным линиям, оказалось, что гибриды F₁ не чистили ульев. При обратном скрещивании с устойчивыми насекомыми было обнаружено четыре типа потомства в отношении 1:1:1:1. Гибриды первой группы вели себя совершенно так же, как устойчивые пчелы: они открывали ячейки сот с пораженными личинками и удаляли погибших. Гибриды второй группы открывали ячейки, но не удаляли погибших. Гибриды третьей группы не открывали ячейки, но удаляли мертвых личинок, если ячейки открывали искусственно. Наконец, гибриды четвертой группы не открывали ячеек и не удаляли погибших личинок, т. е. вели себя подобно пчелам чувствительной линии. Такой тип поведения можно объяснить при допущении рецессивного типа наследования двух разных генов: один ген контролирует открывание сотовых ячеек, другой - удаление пораженных личинок.

Этот пример показывает, как весьма сложный, генетически фиксированный вид поведения может контролироваться различиями в единичных генах. Мы, однако, не знаем, почему пчелы ведут себя подобным образом. Нужно еще провести поэтапный анализ от наблюдаемого фенотипического (менделевского) уровня до физиологических механизмов действия генов. Обнаруживают ли устойчивые пчелы мертвых личинок с помощью обоняния? Замечают ли они легкие изменения цвета ячейки? Какой стимул запускает их поведение?

Масштабные эксперименты по выявлению генетических механизмов, детерминирующих поведенческие признаки, были проведены на другом, более знакомом генетикам насекомом - Drosophila melanogaster.

"Генетический анализ поведения" у дрозофилы [2004]. У дрозофилы известно огромное количество мутантов, большинство которых характеризуется по морфологическим критериям и окраске. Стертевант еще в 1915 г. [2212] показал, что фенотипическое проявление сцепленной с Х-хромосомой мутации "белые глаза" (white) затрагивает и выбор брачного партнера. Другие мутации специфически влияют на поведение при ухаживании и копуляции или на моторную активность. Одни мутантные мухи не летают, несмотря на анатомически нормальные крылья, а другие утрачивают правильный суточный ритм. На рис. 8.1 представлен график, показывающий число мух, вылупляющихся из куколки в течение 4-х дней. В норме этот процесс приурочен к рассвету, когда воздух влажный и прохладный, и мухи имеют время, чтобы их крылья расправились и кутикула затвердела до того, как они станут жертвой хищников. Такое поведение, подобно другим признакам, например активности мух, контролируется "внутренними часами", независимыми от внешних условий. Например, эти часы могут работать даже в полной темноте.

Рис. 8.1. Число мух, вылупившихся из куколок в течение 4-х дней. На ординате указано число вылупившихся мух, на абсциссе - время дня. А. Мухи дикого типа обычно вылупляются рано утром. Б. Мутант, у которого утрачен нормальный суточный ритм: вылет примерно с равной вероятностью происходит в течение всего дня [2004]

Однако некоторые мутанты лишены внутренних часов. Мухи вылупляются на протяжении всего дня (рис. 8.1), утренний максимум полностью исчезает. Генетический анализ показал, что эта мутация сцеплена с Х-хромосомой. Каков механизм такого аберрантного поведения? Для ответа на этот вопрос была разработана остроумная генетическая методика: интересующий нас мутантный ген с помощью рекомбинации был введен в Х-хромосому, уже несущую мутации white и yellow, которые служат фенотипическими маркерами (рис. 8.2 и 8.3). Мутантного самца скрещивали с самкой, имеющей кольцевую Х-хромосому (rХ) (рис. 8.3). В разд. 2.2.2 указывалось, что кольцевые хромосомы не всегда стабильны - они могут разрываться во время митоза с утратой ацентрических фрагментов. В результате этого могут образовываться мозаичные зиготы, такие, как ХrХ/ХО или XY/XO. В противоположность человеку у дрозофилы особи ХО являются самцами. Тип мозаика установить легко: части тела, содержащие только отцовскую хромосому, имеют фенотип white и yellow и гемизиготны по поведенческой мутации. В частях тела, которые содержат кольцевую Х-хромосому, фенотип будут определять аллели дикого типа всех трех доминантных мутаций (рис. 8.4).

Рис. 8.2. Х-хромосомы, маркированные рецессивными мутациями white и yellow, несут также тестируемую поведенческую мутацию. А. Мутант; поведенческий ген (b) находится в гомологичной Х-хромосоме. Б. Кроссинговер. В. Поведенческий ген (b) локализован теперь в Х-хромосоме, которая несет гены у и w [2004]

Рис. 8.3. Скрещивание самца, имеющего X-хромосому с двумя маркерами white и yellow и поведенческую мутацию, с самкой, несущей кольцевую Х-хромосому (заключена в кружок на темном фоне). Кольцевая хромосома может быть утрачена при делении клетки, что ведет к образованию клона клеток, несущих только нормальную Х-хромосому [2004]

Рис. 8.4. Различные типы мозаиков в потомстве от скрещивания самцов с Х-хромосомой, несущей мутантные гены white и yellow и поведенческую мутацию, и самок-носителей кольцевой хромосомы. А, Б, В. Различные стадии эмбрионального развития. Г, Д, Е. Положение двух клеточных клонов (с кольцевой Х-хромосомой и без нее) и характер мозаичной окраски насекомых [2004]

Можно сравнить поведенческие фенотипы большого числа мозаиков с различным распределением двух типов клеток. Такой анализ возможен у дрозофилы благодаря удобной особенности ее эмбрионального развития, в ходе которого миграция и перемешивание клеток незначительны. Положение клеток друг относительно друга не меняется. С помощью такой методики было обнаружено, что внутренние часы наиболее тесно связаны с головой насекомого. Среди мух с мозаичной головой у одних был нормальный, а у других - аномальный ритм. Однако у единичных особей обнаружен уникальный ритм, свидетельствовавший о том, что каждая половина мозга генерирует свой ритм независимо, но мухи отвечают на оба.

Этот метод был усовершенствован использованием в качестве маркера мутации недостаточности кислой фосфатазы, ген которой локализован в Х-хромосоме. В норме он экспрессируется во всех клетках, включая нервные, и фермент обнаруживается при помощи гистохимического окрашивания. С помощью этого биохимического маркера, а также фенотипических маркеров white и yellow можно соотнести аномальный поведенческий паттерн с определенной группой нервных клеток. Например, было показано, что фоторецепторные клетки глаза происходят из других областей эмбриональной бластодермы, нежели нейроны пластинки, на которую они проецируются. Фоторецепторные клетки образуются непосредственно в сетчатке глаза, в то время как ламинарные нейроны мигрируют сюда из мозга. Следовательно, некоторые мозаичные мухи имеют нормальную сетчатку, но мутантную пластинку, и наоборот. Оба дефекта приводят к одинаковому нарушению фототаксиса - прекрасный пример генетической гетерогенности (разд. 3.3.5).

Большинство поведенческих паттернов у дрозофилы, проанализированных подобным образом, оказались генетически детерминированными во всех деталях. Это обстоятельство, конечно, упрощает генетический анализ, однако затрудняет сопоставление с человеком, так как самой важной особенностью нашего поведения является способность учиться на опыте. Правда, ограниченная способность к обучению обнаружена также у дрозофилы. Это позволяет надеяться, что будут найдены новые пути генетического анализа способности к обучению.

Мутантные мыши с нарушением эмбрионального развития мозга. Анализ характера стенотипических отклонений у мутантных мышей начался с выяснения механизмов нормального эмбрионального развития центральной нервной системы. Одним из примеров такой мутации является "reeler", при которой имеются серьезные нарушения в поддержании равновесия тела. Мозг у мутантной мыши развивается нормально, за исключением коры мозжечка и гиппокамповой формации, в которых оказываются нарушенными упорядоченность в расположении клеток и распределение внутрикорковых синаптических связей. Эти области являются единственными областями мозга мыши, где клетки, которым предстоит установить друг с другом синаптические контакты, изначально расположены неправильно. Такого рода данные указывают на повреждение специфических механизмов опознавания, благодаря которым в норме достигается упорядоченное расположение клеток. Есть и другие мутации у мыши, полезные для анализа развития мозга.

Использование такого природного материала при изучении нормальной биологической функции оказывается очень эффективным. Возможно, что сходные механизмы действуют при развитии мозга человека.

Что полезного для изучения генетики поведения человека мы можем извлечь из опытов на дрозофиле и мыши? Эксперименты на дрозофиле и мыши, интересные сами по себе, к сожалению мало могут помочь нам в оценке роли генетических факторов в изменчивости поведения человека. Замысел таких экспериментов основан главным образом на особенностях дрозофилы, которые отсутствуют у человека. Например, невозможно сконструировать мозаиков человека и пометить клетки подходящими мутациями, изменяющими фенотип, а самое главное - варианты поведения человека никогда не бывают фиксированы так жестко, как у насекомых. С этой точки зрения вопросы, которые можно поставить и решить в опытах на дрозофиле, носят не столько генетический, сколько эмбриологический и отчасти нейроанатомический и нейрофизиологический характер. Эти исследования можно сравнить, например, с экспериментами на кошках, у которых разрушают определенную часть мозга или периферические нервы и анализируют функциональные последствия, выясняя, как эти части структуры соотносятся с нормальной функцией. Когда невропатолог изучает неврологические симптомы для определения мозговой локализации повреждения, то это фактически аналогично обсуждаемым исследованиям на дрозофиле. Мутанты дрозофилы, используемые в этих экспериментах, были получены искусственно при помощи химических мутагенов. Хотя они могут возникать и спонтанно, их жизнеспособность в большинстве случаев снижена. Например, мутантные личинки с отсутствием внутренних часов обычно вылупляются на протяжении всего дня, это повышает для них вероятность погибнуть от высыхания или быть съеденными хищниками. Эти мутации можно сравнить с редкими наследственными болезнями, механизм которых неизвестен и которые поэтому дают мало информации о том, каким образом гены влияют на поведение в пределах "нормы". Однако вредные мутации, в том числе мутации, затрагивающие функцию определенных групп нервных клеток, известны и у человека. Для анализа аномального действия генов используются разные методы. К сожалению, среди них почти нет тех, которые применяются на дрозофиле: в большинстве своем они непригодны.

Общий вывод таков: изменчивость поведения, как и другие составляющие фенотипического разнообразия, по крайней мере отчасти определяется генами. Для анализа возможных генетических механизмов изменчивости поведения мы должны проследить пути от генов к каким-либо поведенческим признакам. В отличие от дрозофилы, однако, мы не можем ожидать здесь однозначных, прямых взаимоотношений, необходим опосредованный подход. Есть ли у нас на самом деле какой-либо шанс обнаружить гены, влияющие на поведение? Эту проблему мы рассмотрим в разд. 8.2.3.4. А сейчас зададимся вопросом, помогут ли нам в ее решении эксперименты на млекопитающих? Наиболее детально изученным в генетическом отношении животным является мышь.