Формы размножения организмов. Клонирование

Размножение организмов является их важнейшим свойством и служит безграничному продолжению жизни в новых поколениях, при том, что отдельные особи смертны. Существует два способа размножения организмов - бесполое и половое.

Бесполое размножение наиболее распространено у растений. Это известно любому дачнику. В практике широко используется размножение черенками (смородина), усами (земляника), клубнями (картофель) и другими частями тела.

Поскольку новые растения вырастают из вегетативных (не половых) органов, этот механизм называют также вегетативным размножением. Реже встречается бесполое размножение у животных, причем с повышением уровня организации эта способность снижается, а у высших животных и человека она совсем утрачивается.

Легко почкуются гидры и медузы. Плоские черви планарии восстанавливаются из оторванных частей тела. Морские звезды вырастают со всеми органами из отдельных оторванных лучей. Но если разрезать пополам насекомое, например, жука или муху, или позвоночное животное - рыбу, лягушку, не говоря уже о птицах и млекопитающих, то из этого ничего хорошего не выйдет.

Общим принципом бесполого размножения является участие одного «родителя». Важно и то, что дочерние особи образуются из обычных соматических (не половых) клеток, которые делятся митозом, как это описано выше. Это означает, что все поколения имеют в клетках один и тот же набор хромосом, один и тот же генотип - от одного родителя. Поэтому земляника, разводимая усами, или картофель при посадке клубнями будут сохранять из поколения в поколение одни и те же сортовые качества. С годами они заражаются вирусами, приобретают случайные нежелательные мутации и стареют, как стареет отдельный организм. Время от времени посадочный материал приходится менять на молодой, полученный при половом размножении. Но об этом чуть позже.

Одной из форм бесполого размножения является клонирование растений и животных. Теория и практика клонирования уже давно не новые, хотя заговорили об этом в последние годы, когда в 1997 году в Шотландии удалось вывести знаменитую овечку Долли. Но практичные японцы без шума в прессе выращивают клонированных коров уже с начала 90-х годов. Что же такое клонирование?

Клон - это совокупность генетически однородных особей, полученных путем простого митотического размножения клеток без полового процесса, без хромосомного комбинирования. Клонированные организмы генетически идентичны, как однояйцовые братья или сестры. Этим клон отличается от потомков, полученных половым путем, у которых имеются хромосомы двух родителей. По сути потомство одного растения или животного, полученное обычным черенкованием или почкованием, это тоже клон. Но в последнее время клонирование особей ведут из отдельных клеток. Это повышает генетическую чистоту клона и имеет ряд других преимуществ. Схемы клонирования растений и животных приведены ниже.

У растения берут какую-нибудь ткань, например, кусочек корнеплода моркови, помещают в колбу или пробирку с плотной питательной средой, добавляют гормоны роста. Через некоторое время клетки теряют признаки прежней дифференцировки и приступают к размножению. В это время клетки можно рассадить по одной штуке во множество колб или пробирок, и процесс пойдет с прежним темпом в каждой из них. Образуется клеточная масса (каллус), в которой далее идет дифференциация по разным тканям, формируются органы: корень, стебель, листья и в конце концов цветки. Растение в пробирке готово. Ценность метода клонирования растений заключается в том, что таким образом удается вырастить стерильный, не пораженный вирусами или бактериями, посадочный материал. Если это к тому же элитный сорт, урожай после пересаживания в открытый грунт будет превосходный. Естественно, делается это в специальных лабораториях, стерильно, с применением особых и дорогих сред и стимуляторов роста, поэтому широкого применения в практике клонирование растений пока не получило.

Клонирование животных в хозяйственных масштабах также делает первые шаги. Главный резон этой технологии - рациональное использование генотипов элитных, особо ценных и редких производителей. Для клонирования берут соматические клетки эмбриона или даже взрослого животного. Так для выращивания овечки Долли взяли клетки молочной железы взрослой овцы. Клетки размножают в культуре, получается «посадочный» материал из генетически однородных клеток, которые представляют клеточный клон. Каждая клетка содержит ядро, а в ядре диплоидный (элитный!) набор хромосом. Теперь выращенные элитные ядра можно пересаживать в яйцеклетки других особей того же вида, предварительно удалив из них собственные ядра. Яйцеклетка с встроенным полноценным (то есть диплоидным) ядром представляет аналог зиготы, образуемой при обычном оплодотворении. Далее такую комбинированную зиготу имплантируют (пересаживают, вживляют) в матку взрослой самки для эмбрионального развития. Это может быть та же особь, от которой брали соматические клетки с ядрами, или особь, давшая яйцеклетку, или вообще другая самка. Так, злополучная Долли, зачатая без участия отца, имеет трех матерей, поскольку ядро и яйцеклетка были получены от двух разных овец-доноров, а реципиентом, принявшим зиготу для дальнейшего развития, была третья овца. В 1999 году было сообщено о клонировании обезьяны от разделенного на отдельные клетки 4-клеточного зародыша (после того, как зигота проделала два цикла деления). Эта методика значительно проще и дешевле, чем клонирование от более поздних стадий развития (как было в случае с Долли), и она по сути воспроизводит лишь то, что иногда происходит в природе. Именно так, но без участия экспериментатора, получаются обычные однояйцовые близнецы: начавшая делиться зигота по разным причинам не удерживает дочерние клетки, они расходятся и развиваются далее самостоятельно. Получаются абсолютно идентичные дети.

Проблема клонирования решена в биологическом плане, но встали чисто гуманитарные вопросы о допустимости клонирования человека. Шотландский ученый Ян Вильмут, который со своими сотрудниками и проделал опыты по выращиванию Долли (и наверное может считаться ее «крестным отцом»), высказался против клонирования людей. В ряде стран такие эксперименты запрещены законодательно.

Но история науки и техники знает, как трудно удержать в стенах лаборатории выдающиеся открытия. Так было с расщеплением радиоактивных материалов, которое вылилось в гонку ядерных вооружений, так же, вероятно, будет и с клонированием человека. Последствия пока трудно предвидеть, но это вопрос не биологический. Это поле деятельности политиков, юристов, правозащитников, церкви - всей мировой общественности.

Половое размножение принципиально отличается от бесполого и различных форм клонирования тем, что в образовании нового организма участвуют два родителя разного пола. Как уже показано в сегменте 20 и на рис. 12, первая клетка нового организма - зигота - образуется от слияния яйцеклетки и сперматозоида. Их ядра несут по гаплоидному (одинарному) набору хромосом, так что ядро зиготы получает после слияния нормальный диплоидный набор. Но если при бесполом размножении во всех поколениях копируется одна и та же комбинация парных (аллельных) генов, то в зиготе всякий раз образуются новые комбинации из отцовских и материнских генов.

Надо понимать важную тонкость природы генов. Как мы уже знаем, ген - это участок молекулы ДНК, отвечающий за синтез одного вида белка. Но дело в том, что под действием различных факторов среды гены постоянно изменяются, то есть мутируют, и, если эти мутации не приводят к полной потере структуры и функции кодируемого белка, такие организмы выживают, и мутация закрепляется в потомках. Если родители не являются близкими родственниками, то как правило, у них один и тот же ген чем-нибудь да различается, а если у них появляются дети, то эти различия комбинируются. Так, если одна половая клетка несет полноценный ген (исходный, или дикий, тип), а в другой этот же ген мутантный, то после слияния хромосом в зиготе полноценный ген доминирует над мутантным (доминантный и рецессивный гены, аллели), но если оба гена мутантные (рецессивные), причем каждый в своей степени, то в фенотипе проявится один из них. Это будет новый фенотипический признак, отсутствовавший у дикого предка. Кроме того, если углубиться в процесс формирования самих половых клеток, то можно увидеть, что в процессе мейоза (особое деление, которое и приводит от диплоидного набора хромосом к гаплоидному) идет так называемый кроссинговер - схождение и коньюгация одноименных (гомологичных) хромосом, разрезание нитей ДНК, их переворот крест-накрест и сшивка в новом сочетании генов. Так что даже у одного родителя в разных половых клетках (допустим - в двух сперматозоидах) комбинации разнокачественных генов получаются разные. Поэтому у одной родительской пары дети различаются по многим признакам (кроме уже упомянутых случаев однояйцовых близнецов). Кроме того, яйцеклетка имеет большой объем цитоплазмы с питательными веществами и некоторыми дополнительными цитоплазматическими генами (нехромосомная ДНК ряда органоидов), которые тоже вносят свой вклад в генетическое разнообразие потомков.

Таким образом, в результате случайного сочетания отцовских и материнских хромосомных наборов, в которых одноименные гены могут заметно различаться, потомство получает самые разнообразные комбинации признаков родителей, так что у детей общий баланс генов - генотип - будет отличаться и от отцовского, и от материнского. Поэтому у людей разный цвет кожи и глаз, разная форма носа, разные группы крови, разные предпочтения в пище (разные ферменты и рецепторы), разные интеллектуальные способности и т. д. и т. п. На Земле нет двух одинаковых людей, если они не однояйцовые близнецы.

Заметим, что половое размножение свойственно всем эукариотным организмам, начиная от одноклеточных водорослей и простейших и кончая человеком. (Даже у прокариот, у бактерий, где нет настоящей диплоидности и полового размножения, внехромосомные гены - плазмиды - могут мигрировать от одной клетки-особи к другой, внося генетическое разнообразие в популяцию). Те виды, которые хорошо размножаются бесполым путем (растения, низшие беспозвоночные - см. выше), через несколько вегетативных поколений обязательно вступают в половой процесс.

Комбинативная изменчивость особей одного вида, возникающая только при половом размножении, - очень важный фактор генетического разнообразия, которое служит материалом для отбора на лучшие комбинации признаков. В этом – движущий фактор эволюции. Исключение полового размножения, переход на варианты клонирования обедняет генетическое разнообразие и становится тормозом эволюции.

С другой стороны, бесполое размножение и клонирование позволяют тиражировать однажды полученную генетическую комбинацию во многих поколениях, что и используется в сельскохозяйственной практике.

Развитие организма

Развитие нового организма, полученного половым путем, начинается от оплодотворенной яйцеклетки - зиготы и заканчивается смертью. Мы уже рассмотрели общую схему онтогенеза, идущего от слияния половых клеток. Важно помнить, что в ядре зиготы содержатся два набора хромосом от двух родителей (гибридный генотип). При клонировании в целом выдерживается та же схема онтогенеза, с той лишь разницей, что зигота имеет подсаженное диплоидное ядро от одного родителя.

Биологическое развитие происходит по общим диалектическим принципам развития, которое можно наблюдать в неживой природе или в обществе. Чтобы убедиться в этом, сопоставим стадии «развития вообще», заимствованные нами из философского словаря, и стадии нормального онтогенеза многоклеточного организма, например, человека.

Индивидуальное развитие системы, в том числе организма, происходит циклично, так что восходящее развитие всякий раз сменяется нисходящим.

Восходящее развитие идет от простого, низшего (предзиготическая стадия) к сложному, высшему (многоклеточный организм). Нисходящее - от сложного, высшего (многоклеточный организм) к простому, низшему (бесклеточная мертвая материя).

Законы диалектики утверждают, что развитие как конечный процесс с самого начала в скрытом виде содержит тенденции, ведущие от низшего к высшему и обратно. То есть развитие имеет векторный, направленный характер.

Чем же задается этот вектор? Чем детерминировано (предопределено) индивидуальное развитие? Где программа развития и как она реализуется? Как из оплодотворенного яйца - из одной клетки - получается сложный многоклеточный организм, в котором тканевые клетки с одинаковым набором генов (одним генотипом) имеют разную структуру и функции (разный фенотип)? Поставленные вопросы составляют основной научный смысл науки эмбриологии или, говоря шире, биологии индивидуального развития. Они имеют и практическое медико-биологическое значение, так как нарушение процессов развития приводит к болезни и сокращает сроки полноценной жизни человека.

Чтобы сократить путь к пониманию программы развития, вспомним главную идею о том, что развитие находится под контролем двух начал – генетического (внутреннего) и эпигенетического (внешнего). Найдем эти начала в развивающемся организме.

Внутренняя, генетическая программа развития заложена в ДНК зиготы. Это генотип организма. Помним, что при размножении клеток – от зиготы до самой последней клетки тела - ДНК каждый раз удваивается и делится поровну, так что все клетки получают полный набор генов. В ДНК записана информация о всех белках организма.

При этом надо иметь в виду, что существуют гены и белки двух классов: структурные и регуляторные. Первые обеспечивают построение рабочих структур клеток и межклеточного вещества, ферментативный катализ, транспорт и прочие жизненно важны функции. Вторые регулируют активность первых, то есть гены-регуляторы производят соответствующие регуляторные белки, которые управляют активностью структурных генов. Сейчас установлено, что и среди регуляторных генов есть взаимозависимость - одни гены активируются другими.

Таким образом, гены образуют функциональные цепи с заранее предопределенной последовательностью включения. Работает принцип домино: продукт первого гена активирует второй ген, продукт второго - третий и т. д. Благодаря слаженной работе таких конвейеров контролируются тесно увязанные шаги морфогенеза, развитие приобретает динамичный и направленный (векторный) характер.

Однако организм - очень сложная система, чтобы ее развитие было выстроено по простому алгоритму домино. Отдельные морфогенетические процессы часто идут независимо и параллельно. В разных зачатках эмбриона, а потом в клетках разных тканей эти процессы расходятся, идет дифференциация клеток по функциям. Но при этом все клетки имеют один и тот же набор генов (!). Возникает ключевой вопрос проблемы клеточной дифференциации - почему при одинаковом наборе генов синтезируются разные белки и получаются разные клетки? Современная биология развития дает ответ и на этот сложный вопрос.

Внешняя, эпигенетическая программа развития контролирует и направляет реализацию генетической программы. Под действием внешних сигналов, биологически активных веществ, через посредство клеточных рецепторов и внутриклеточных мессенджеров (молекул-посланников) происходит избирательная активация одних генов и подавление других. В итоге в дифференцированных клетках разных органов и тканей работают не все гены, а только та их часть, которая ответственна за данную тканевую функцию. Генетики называют этот механизм дифференциальной экспрессией генов. Но встает новый вопрос: что является самой первой командой к дифференциации клеток? Ведь развитие начинается с одной клетки - зиготы.

Установлено, что в онтогенезе работают, сменяя друг друга, три системы регуляции.

1. Эмбриональная детерминация развития на основе позиционной информации, заложенной в яйце. В процессе роста и созревания яйцеклетки, когда она еще находится в материнском организме, в ее цитоплазме неравномерно откладываются различные РНК и белки-регуляторы, которые предопределяют будущий план раннего развития и ранней дифференциации клеток. Начало этой топологической неоднородности цитоплазмы яйца задает его полярное положение в яичнике: одним полюсом яйцо контактирует со стенкой (отсюда идет питание), другим обращено в просвет (здесь сосредотачиваются продукты сложных синтезов). Таким образом, еще до начала развития генетический материал (хромосомы в ядре) лежит в неоднородной, анизотропной среде, насыщенной биологически активными регуляторами. Уже в яйце мы имеем сочетание генетического (хромосомы) и эпигенетического (цитоплазма с регуляторами) факторов развития. После оплодотворения зигота многократно делится, и дочерние ядра попадают в различно детерминированные участки цитоплазмы, содержащие разные регуляторы. Эти регуляторы и становятся первыми внутренними индукторами дифференцировки эмбриональных клеток.

2. Эмбриональная индукция - влияние одних зачатков на другие с помощью выделяемых клетками веществ-регуляторов. Этот механизм включается в ранних зародышах и представляет по сути эмбриональную гуморальную регуляцию; внешние регуляторы - индукторы выступают в роли первых гормонов. Так, например на стадии гаструлы (двухслойный зародыш) под действием выделений внутреннего слоя клеток впячиваются и дифференцируются клетки будущей нервной системы.

3. Нейрогормональная регуляция дефинитивного (окончательного) типа, осуществляемая сложной системой желез внутренней секреции и нервной системой. Заметим, что гормоны вырабатываются железами под контролем нервной деятельности, а нервная система в свою очередь находится под воздействием внешней среды.

Таким образом, окружающая среда генотипа сформированного организма, например, человека, включает цепь управляющих факторов: факторы собственно внешней среды (свет, тепло, другие природные явления, социальное окружение, трудовая деятельность, образование, воспитательные меры и т. п.), общий ритм и режим жизни, качество питания, активность нервной системы, гормональные регуляторы клеток, внутриклеточные мессенджеры и модуляторы активности генов. В этом же ряду стоят все окружающие нас живые организмы, в том числе паразиты, микробы, вирусы. В результате клетки и сами организмы могут иметь разную скорость размножения и роста, разную продолжительность жизни, разную интенсивность синтеза белков и, следовательно, разное проявление всех жизненных функций. Например, даже у однояйцовых близнецов, с абсолютно одинаковым генотипом, со временем выявляются фенотипические различия (рост, мышечная сила, структура кожи, трудовые навыки и др.), если они выросли в разных условиях, допустим - в городе и деревне.

Вся совокупность внешних относительно генотипа условий и регуляторов - от природно-климатических до нейрогормональных и внутриклеточных - и составляет сложную эпигенетическую программу развития, поскольку все эти факторы существенно влияют на генную активность, стимулируя одни гены и подавляя другие.

Из сказанного следуют важные определения:

- фенотип - это совокупность всех признаков и свойств организма, формирующихся в процессе взаимодействия его генотипа (генетической структуры) и внешней среды;

- в фенотипе никогда не реализуются все генетические возможности;

- в конкретных условиях развивается конкретный фенотип.

Таким образом, в развитии фенотипа, то есть конкретного организма со всеми его индивидуальными свойствами, имеет место единство генетического и эпигенетического начал, проявляющих себя на разных уровнях организации жизни - молекулярно-генетическом, клеточном, организменном.

На вопрос: что первично, курица или яйцо? - должен последовать ответ: первично и конечно единство яйца (генотипа, программы) и курицы (фенотипа, сомы). Результатом этого единства является развивающийся организм.

Думается, что каждый сумеет сделать и некоторые практические выводы в отношении своего собственного организма и развития (это никогда не поздно), но в особенности в отношении развития своих будущих детей, которое начинается задолго до их появления на свет и даже до их зачатия. В первую очередь это касается будущих матерей, так как внешнее управление развитием закладывается уже в цитоплазме яйцеклетки, еще даже не оплодотворенной. Нарушения этой закладки в результате болезней, неправильного питания, употребления алкоголя, токсических веществ, лекарств и т. п. чревато развитием у зародыша уродств, врожденных заболеваний, а то и полным бесплодием. Не исключение и представители сильного пола. Названные внешние факторы приводят к потере подвижности сперматозоидов (одна из наиболее распространенных причин мужского бесплодия), нарушению их производства или повреждениям ДНК (мутациям), которые неминуемо передадутся клеткам ребенка. Важное полезное заключение для будущих родителей касается также роли воспитания и обучения в развитии личности. Врожденные (генотипические) интеллектуальные, художественные наклонности и даже физические задатки не проявятся в полной мере, если соответствующие гены не будут востребованы. А востребованы они будут при постоянной нагрузке, которая и создается в процессе воспитания, обучения, трудовой деятельности.

Заключение по теме

Самовоспроизведение и индивидуальное развитие - неотъемлемое свойство и способ существования организмов. Это свойство составляет основную суть онтогенетического уровня организации живой материи.

Возвращаясь к истории вопроса о движущих силах развития, можно видеть, что противоборствовавшие сторонники преформизма и эпигенеза отражали «две стороны одной медали». Индивидуальное развитие организма детерминировано («преформировано») на уровне генетической информации, в молекулах ДНК, в генах.

Но развитие находится под многосторонним эпигенетическим контролем и управлением. Единство генетических и эпигенетических факторов развития можно трактовать как единство преформизма и эпигенеза. Философ сказал бы и был бы прав, что развитием движет единство и борьба противоположностей. Другой добавил бы, что развитие есть переход количества в качество, имея в виду увеличение числа клеток, их дифференциацию и последующую интеграцию в единый организм с помощью нейрогуморальной системы. Третий заметил бы, что онтогенез совершается циклично, а точнее - по спирали, так как в каждом новом витке индивидуального развития есть нечто новое по сравнению с предыдущим витком родителей. Это и комбинативные генетические изменения, связанные с половым процессом, и возможные новые мутации, полученные в прежней жизни. Об этих свойствах процесса индивидуального развития мы вспомним при рассмотрении механизмов биологической эволюции.