Шабанов Д. А., Литвинчук С. Н. Зеленые лягушки: жизнь без правил или особый способ эволюции? // Природа. – 2010. – № 3 (1135). – С. 29–36. 

 

Зеленые лягушки: жизнь без правил или особый способ эволюции?

© Шабанов Д. А., Литвинчук С. Н., 2010

	Дмитрий Андреевич Шабанов, кандидат биологических наук, доцент кафедры зоологии и экологии животных Харьковского национального университета им. В.Н.Каразина. Область интересов — популяционная экология, батрахология, эволюционная биология
	Спартак Николаевич Литвинчук, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института цитологии РАН. Область интересов — цитогенетика, зоология, эволюционная биология

Современные представления об организмах, популяциях и видах созданы усилиями многих поколений биологов. Познавая мир, они попытались выстроить упорядоченную картину действительности, систематизировав всех обитателей планеты. Основная единица систематики — вид — это не просто название организма, но и качественный этап эволюции, совокупность особей, связанных процессом размножения и определенной эволюционной судьбой.

Большинство животных и растений размножаются половым способом, при котором новый организм получает два набора наследственной информации (генома) — от матери и отца. В геномах потомков наследственные задатки родителей сочетаются (рекомбинируют) по вероятностным законам, что порождает неисчерпаемое генетическое разнообразие.

Особи одного вида существуют в составе определенных популяций. Под влиянием изоляции две части когда-то единой популяции могут измениться настолько сильно, что скрещивание между их представителями окажется затруднено. Так возникают новые виды.

Все это верно, но не всегда. Как известно, нет правил без исключений. Поиск таких исключений, точнее нарушений известных биологических законов, — один из способов понимания феномена жизни. Рассматривая их, можно перейти от уже понятых «правил игры» к более глубоким истинам.

Отступать и от упомянутых «правил игры», и от многих других могут, казалось бы, вполне изученные животные — например, лягушки. Конечно, в ХХ в. — в эпоху биохимии, генетики и молекулярной биологии — классическими объектами исследований стали мыши, крысы, дрозофилы и круглый червь Caenorabditis. Но до этого долгое время подопытными животными биолога (и даже нигилиста Базарова) были именно лягушки, и чаще всего зеленые (Rana sp.). Это они сидят по берегам почти любого пресного водоема и шлепаются в воду при приближении человека.

Все не как у людей

В начале 60-х годов XX в. польский гидробиолог Лешек Бергер захотел разобраться в путанице, гулявшей по страницам зоологических определителей того времени. Было неясно, два или три вида (или подвида) лягушек населяют польские водоемы. Он поступил просто: рассадил лягушек по парам в небольшие пруды в собственном огороде и дождался их потомства. Один из «видов» лягушек оказался гибридом двух других. Что ж, бывает и так. Парадоксальнее было то, что при скрещивании гибридов с особями родительского вида получались или лягушки родительского вида, или такие же гибриды [1]. Отступление от канонов вызвало пристальный интерес исследователей. Загадку решил немецкий биолог Хейнц Тюннер. Он сначала догадался, а потом с помощью генетических маркеров доказал, что у гибридных лягушек в половые клетки переходит лишь один из родительских геномов [2]. Аналогичное явление незадолго до того обнаружили у одного американского рода живородящих рыб и назвали гибридогенезом.

Открытия Бергера и Тюннера были лишь началом череды чудес, связанных с зелеными лягушками. Отступив от истории, кратко опишем особенности этой группы. Восточноевропейские зеленые лягушки представлены двумя родительскими видами и их гибридами: озерная лягушка (Rana  ridibunda)^* и прудовая лягушка (R. lessonae), скрещиваясь, порождают съедобных лягушек (R. esculenta) (рис. 1).

^*В последние годы многие систематики выделяют этих лягушек в отдельный род Pelophylax и называют соответственно — P. ridibundus, P. lessonae и P. esculentus.

Рис.1. По этому экземпляру сам Карл Линней описал вид Rana esculenta! Можно считать, что это — лягушка №1, т.е. носитель видового имени, или голотип. Фото С.Н.Литвинчука

Строго говоря, обычные гибриды видовых имен не получают, и съедобные лягушки сохранили свое имя не потому, что его дал в 1758 г. Карл Линней, а вследствие того, что они представляют отдельную линию эволюции, способную не только поддерживать себя во взаимодействии с родительскими видами, но даже и воспроизводиться самостоятельно (рис. 2, 3).

Рис.2. Схема изначального возникновения гибридов. L — геном прудовой лягушки, R — озерной. Особи с генотипом LR получаются от скрещивания двух родительских видов — LL и RR. Здесь и далее фото А. В. Коршунова и Д. А. Шабанова

Рис.3. Схема воспроизводства гибридных лягушек при их скрещивании с особями родительского вида. Символ клонального генома (в данном случае — генома прудовой лягушки L) взят в скобки.

Чтобы проще осознать необычность способа размножения гибридных лягушек, сравним образование половых клеток у них и у людей. Клетки нашего тела имеют по 46 хромосом, а лягушек — по 26. В обоих случаях половина этих хромосом получена от матери, а половина — от отца. У людей в половых клетках формируется фактически новый геном, состоящий из перемешанных «материнских» и «отцовских» фрагментов. Количество возможных сочетаний при этом невообразимо. Даже простая перетасовка хромосом (в какую половую клетку войдет «материнская», а в какую — «отцовская») дает 2²³ комбинаций. На самом деле вариантов несоизмеримо больше, так как после обмена участками между хромосомами каждая из них (кроме половых, X и Y) перестает быть «материнской» или «отцовской», становясь новой, рекомбинантной. Среди сотен миллиардов сперматозоидов, которые мужчина производит за свою жизнь, нет двух одинаковых. Смысл такой «перетасовки» — поиск удачных сочетаний наследственных задатков. В этом отношении человек — вполне обычный представитель животных, а вот лягушки — не вполне.

У лягушек рекомбинация наследственной информации происходит при размножении особей одного вида, а вот у гибридов, возникающих при скрещивании лягушек разного вида, все иначе! Такие особи производят одинаковые (клональные^*) половые клетки, несущие один из родительских геномов. А что случается со вторым? Он попросту уничтожается, элиминируется. Такое наследование называется гемиклональным (от греч. γεμι — полу- и  κλων— отпрыск, ветвь).

^*Клональность генома мы обозначаем заключением его символа в скобки: если клонально передается геном прудовой лягушки — (L), если озерной — (R).

А к чему приводит скрещивание гибридных лягушек с особями родительского вида? Все их потомки получают один и тот же клональный геном и разные рекомбинантные геномы (рис.3).

Теперь представим ситуацию, когда в одном водоеме присутствуют особи, относящиеся к разным видам и формам. Совместно размножаясь, они передают как рекомбинантные, так и клональные геномы. Такую совокупность особей можно назвать гемиклональной популяционной системой (ГПС) (рис. 4, 5). В ГПС, в которой, допустим, размножаются озерные лягушки — RR и гибриды, которые клонально передают геном прудовой лягушки — (L)R, возможны три варианта скрещивания. При размножении озерных лягушек все их потомство принадлежит к одному виду: RR×RR→RR. Скрещивание озерной лягушки и гибридов приведет к появлению гибридного потомства: RR×(L)R→(L)R. А что будет при скрещивании гибридов?

Рис. 4. Размножение в составе гемиклональной популяционной системы: в общем нерестовом котле встретились особи родительского вида и разнообразные гибриды. Их легко различить по цвету резонаторов самцов: у съедобной лягушки (гибрида озерной и прудовой лягушек) они белые, у самцов озерной — серые. Фото Д.А.Шабанова

Рис.5. Схема истории нескольких поколений лягушек, основанная на анализе передачи геномов (цветные шарики). В случае наследования с рекомбинацией в половые клетки переходит геном, образующийся при смешении наследственной информации родителей (показано смешением цветов). Клональные геномы передаются как единое целое (цвет сохраняется).

Как ни странно, во многих случаях скрещивание гибридов, передающих клональный геном одного вида, приводит к появлению нежизнеспособного потомства: (L)R×(L)R→[(L)(L)]→†. Этот феномен принято объяснять накоплением мутаций в клональном геноме. Раз он передается из поколения в поколение без обновления в ходе рекомбинаций, он не может избавляться от неизбежно возникающих в нем летальных мутаций. Запомним этот факт и вернемся к рассмотрению судьбы системы, состоящей из особей с генотипами RR и (L)R. Скрещивания «гибрид-родитель» будут приводить к увеличению доли гибридов, пока в такой гемиклональной популяционной системе не исчезнут представители родительского вида. ГПС, состоящая из гибридов, неспособных произвести жизнеспособное потомство, погибнет...

К счастью гибридных лягушек и их исследователей, так происходит не всегда. Во-первых, преимущество в воспроизводстве гибридов может уравновеситься их пониженной жизнеспособностью и плодовитостью, что приведет к стабилизации численности двух форм в популяции в каком-то определенном соотношении. Во-вторых, существуют разные формы гибридов, и некоторые из них, обитая совместно, способны порождать вполне устойчивые популяционные системы.

Особенности жизни без правил

Нам посчастливилось участвовать в открытии в 2002 г., а также дальнейшем изучении необычного центра разнообразия зеленых лягушек — региона, где одновременно встречается много их форм. Этот центр разнообразия связан с р. Северский Донец [3-5].

Кроме озерных лягушек и диплоидных (с двумя геномами) гибридов в этом центре массово представлены триплоидные гибриды, т.е. особи с тремя геномами (таблица, рис. 6)! Среди молодых особей зарегистрированы даже единичные тетраплоиды (по два генома прудовой и озерной лягушек), а также прудовые лягушки. Вероятно, тетраплоидные гибриды и прудовые лягушки гибнут в молодом возрасте. И это еще не все. Диплоидные гибриды в этих ГПС представлены тремя формами, отличающимися по составу их половых клеток. Эти формы можно обозначить (L)R, L(R) и (L)(R).

Таблица Состав гемиклональной популяционной системы в Северско-Донецком центре разнообразия зеленых лягушек (окрестности биостанции Харьковского университета в с.Гайдары и Национальный парк «Гомольшанские леса») Генотипы R LR LLR LRR LLRR LL Сеголетки +++ +++ ++ +++ + + Самки +++ ++ + ++   Вероятно, не доживают до половозрелости Самцы +++ +++ + ++ Половые клетки самцов R L R L и R одновременно* L R Половые клетки самок** R L R L и R одновременно LR LR *Количество плюсов показывает обилие различных форм. * В редких случаях отмечались и гаметы со смешанными (гибридными) геномами. ** Половые клетки самок указаны на основе предположений, так как их изучение — намного более сложная проблема, чем изучение половых клеток самцов; прочие результаты зафиксированы с помощью проточной ДНК-цитометрии и подтверждены комплексом других методов.

Рис.6. Результаты проточной ДНК-цитометрии, позволяющей определить массу ДНК буквально в каждой клетке. На основании очевидных отличий в массе геномов прудовой (LL) и озерной (RR) лягушек, а также четырех форм их гибридов (LR, LLR, LRR и LLRR) получены, в частности, данные, приведенные в таблице

Хотя все перечисленные формы (см. табл.) были известны науке и ранее, системы такого сложного состава раньше никто не находил. Наиболее разнообразные ГПС найдены в Харьковской области Украины, но зона распространения триплоидов простирается вниз по течению Северского Донца вплоть до Ростовской области России [6].

В самом деле, нормальная жизнеспособность триплоидных гибридов плохо согласуется с традиционными представлениями о генетике животных. Вдумайтесь: геномы и прудовой, и озерной лягушек — результат длительной эволюции диплоидных организмов с одинаковыми хромосомными наборами. Способность трех таких геномов, сошедшихся в одной особи в соотношении 2:1, обеспечивать ее нормальное развитие и размножение парадоксальна! Кстати, данные, полученные в ходе определения возраста лягушек с помощью учета «годовых колец» — линий, образующихся во время зимовки в их трубчатых костях (рис. 7), свидетельствуют, что триплоиды, которые дожили до половозрелости, живут не меньше, а растут даже немного быстрее, чем диплоидные гибриды.

Рис. 7. Срез фаланги лягушачьего пальца. Так определяют возраст и динамику роста лягушек. Фото Е .Е .Усовой

Если вас это не удивляет, учтите, что триплоиды «построены» из более крупных клеток. Дело в том, что размер ядра клетки определяется количеством содержащегося в нем генетического материала, а соотношение размеров ядра и цитоплазмы клетки — приблизительно постоянная величина для каждой ткани. В полтора раза больше хромосом — в полтора раза больше объем ядра клетки — в полтора раза больше и масса самой клетки. А вот размеры и масса самих лягушек не увеличиваются! Триплоиды если и обгоняют диплоидов в росте, то ненамного и в весьма «зрелом» возрасте. Есть целый ряд процессов, для которых важны размеры клеток.

Поведение триплоидов, по крайней мере на первый взгляд, ничем особенно не отличается от поведения диплоидов. Однако из всего сказанного вытекает, что функционирование нервной системы триплоидов должно отличаться от нормы. Или клеток в мозгу триплоидов действительно меньше, или они функционируют иначе, чем диплоидные. Так что трем геномам, эволюционировавшим в разных видах, приходится управлять лягушачьим развитием с существенными отличиями по сравнению с нормой. И ничего, справляются!

Еще непривычнее для традиционных представлений существование гибридных особей, которые производят половые клетки, принадлежащие или одному, или другому родительскому виду. Возможно, это следствие мозаичности их тканей, борьбы двух геномов, каждый из которых приспособился уничтожать соперника, или какого-то еще механизма. Какой бы ни оказалась причина существования таких особей, в любом случае это — интеллектуальный вызов для современной науки.

Вы думаете, что проблема зеленых лягушек — лишь частность, касающаяся единственной группы животных? Нет. Дело в том, что в этом и подобных случаях проявляют себя принципы работы самых общих механизмов. Одна из таких проблем — проблема мейоза. И вот почему.

Живые организмы, существующие в меняющейся среде, вынуждены сочетать консервативность своего развития с поиском новаций. Настоящим прорывом в эволюции стало оплодотворение — слияние двух клеток, соединяющих свой эволюционный опыт, записанный в их геномах. Однако новая клетка будет иметь вдвое больший набор наследственной информации! Значит, в жизненных циклах организмов, где есть оплодотворение, должен присутствовать не только митоз (клеточное деление, при котором комплекс наследственной информации передается клеткам-потомкам без изменений), но и мейоз — деление, сокращающее наследственную информацию вдвое (рис. 8)! Подавляющее большинство по-настоящему сложных организмов на нашей планете использует мейоз в своем жизненном цикле. Мейоз у фораминифер (морских «амеб», раковинки которых образовали залежи мела), яблони, белого гриба и человека имеет свои особенности, но в основных чертах сходен.

Рис.8. Так выглядят хромосомы, образовавшиеся во время мейоза в клетках семенников лягушек (флуоресцентное окрашивание). Обмен участками в хромосомах произошел, и они отходят друг от друга, но все еще соединены концами. Фото Н.А.Агафоновой

Гемиклональное наследование у гибридных зеленых лягушек — следствие нарушения мейоза. И разнообразие состава гамет, производимых разными гибридами, означает, что нарушен он у них по-разному! Геномы прудовой и озерной лягушек, встречаясь в одной особи, порождают такую неустойчивость мейоза, которая может приводить не к одной его аномалии, а к нескольким. Устойчивость таких ГПС, которые мы изучаем в северско-донецком центре разнообразия зеленых лягушек, связана именно с тем, что в них сосуществуют и воспроизводят себя особи с различными аномалиями мейоза, производящие разные гаметы.

Одна из интересных особенностей Северско-Донецкого центра разнообразия лягушек состоит в том, что он расположен за пределами ареала прудовой лягушки (см. табл.) [7]. Это означает, что геномы L в этом центре передаются от гибридов к гибридам в течение длительного времени. Согласно всем канонам популяционной генетики, такие «оторвавшиеся от корней» геномы должны были утратить генетическое разнообразие и попросту дегенерировать. Почему-то этого не происходит. Возможно, в Северско-Донецком центре важную роль по поддержанию жизнеспособности геномов прудовой лягушки выполняют триплоиды LLR, в чем-то играющие роль особей родительского вида [8]. Впрочем, в других регионах гибриды могут выходить за пределы ареала одного из родительских видов и не образовывать при этом триплоидов. Очередная загадка...

Еще одна необычная особенность гибридных лягушек в том, что их геномы выполняют различные функции. Малая жизнеспособность особей с двумя клональными геномами одного вида свидетельствует, что выживание особи в большей степени определяет рекомбинантный геном. Зато важная задача клонального генома — перейти в половые клетки самому и не пустить туда иной геном. У гибридов первого поколения, получившихся от скрещивания особей родительских видов, производство половых клеток сталкивается с большими проблемами. Многие из гибридов практически бесплодны. Передаются в следующие поколения лишь те клональные геномы, чьи обладатели смогли обеспечить формирование жизнеспособных половых клеток. В результате гибриды, клональные геномы которых прошли через целый ряд поколений, воспроизводятся намного надежнее. Это свидетельство особой формы эволюции геномов — эволюции, в которой происходит накопление приспособлений к клональной передаче.

Рис.9. Самцы триплоидных гибридов.Фото С.Н.Литвинчука