Глава 17
Определение пола: химические вещества и репродукция
В осеннем лесу, на развилке дорог, Стоял я, задумавшись, у поворота; Пути было два, и мир был широк, Однако я раздвоиться не мог, И надо было решаться на что-то.
Недавние исследования, посвященные влиянию на рыб природных и антропогенных загрязнителей, дали весьма интересные результаты. Например, добавление в экспериментальный водоем на северо-западе канадской провинции Онтарио этинилэстрадиола, основного синтетического эстрогена, входящего в состав оральных контрацептивов, привело к исчезновению популяции рыб-толстоголовов, там обитавших. У самцов рыб, пойманных в реках Великобритании ниже очистных сооружений, был обнаружен гермафродитизм различной степени – аномалия, при которой одна и та же особь способна производить как женские, так и мужские половые клетки. Самое неприятное, что у самцов с гермафродитными признаками были выявлены репродуктивные отклонения: способность к успешному размножению зависела от уровня гермафродитизма.
Эти исследования порождают ряд интересных вопросов. Во-первых, каким образом рыбы могут быть настолько репродуктивно пластичны, что загрязняющие вещества, находящиеся в воде в низкой концентрации, настолько сильно влияют на способность рыб к выживанию и размножению? Во-вторых, почему именно рыбы? Может ли произойти такое с млекопитающими – например, с выдрами или дельфинами?
О влиянии химических веществ на размножение диких животных известно давно; и здесь, так же как в «Безмолвной весне» Рэйчел Карсон, именно крупные рыбоядные птицы впервые привлекли внимание к этой проблеме. В 1970-х гг. было отмечено снижение численности этих птиц во многих районах США, от Флориды до Калифорнии и Великих Озер. Но в отличие от случаев, описанных в «Безмолвной весне», птицы не падали замертво, а просто отказывались размножаться. Особенно было заметно отсутствие брачных игр и нежелание строить гнезда. В некоторых местах птицы откладывали яйца, но птенцы так и не вылуплялись или вылуплялись с врожденными дефектами. В других местах в одном гнезде оказывались две самки и двойное количество яиц.
Одним из тех, кто помог сложить воедино кусочки головоломки, была доктор Тео Колберн, работавшая в Фонде охраны природы. Она показала, что такие вещества, как вышеупомянутый этинилэстрадиол, попадают в кровь птиц и действуют как клеточные сигналы, изменяя репродуктивную физиологию, морфологию и поведение животных. Чтобы разобраться в ее исследовании эндокринных нарушений у птиц, вначале нужно в целом ознакомиться с репродуктивной биологией, начав с самых привычных позвоночных животных – птиц и млекопитающих.
Репродуктивная система позвоночных животных может развиваться по мужскому или женскому типу: и мужские семенники, и женские яичники возникают из одной и той же зародышевой ткани. У млекопитающих и птиц пол определяется генетически и остается стабильным на протяжении всей жизни. Дифференциация гонад (половых желез) всегда идет одним и тем же путем, что в итоге приводит к появлению зрелых семенников или яичников. У млекопитающих результат определяется геном SRY, локализованным в коротком плече Y-хромосомы. Те особи, у которых имеется Y-хромосома и ген SRY, развиваются как самцы.
У птиц все происходит подобным же образом за исключением того, что у самцов половые хромосомы гомологичны, или одинаковы (ZZ), а у самок – различны (ZW). Недавние исследования показали, что развитие самцов у птиц запускается единственным геном, DMRT1. Если активность этого гена затухает, происходит феминизация. Чтобы понять, как такие гены, как SRY или DMRT1, определяют пол, нужно изучить развитие внутренних половых органов. На раннем этапе зародышевые гонады начинают развиваться без половых клеток (яйцеклеток или сперматозоидов); эти клетки мигрируют в гонады позже. Внутренние половые органы (семявыводящие протоки, придатки семенников и семенные пузырьки у самцов и фаллопиевы трубы, матка и верхняя часть влагалища у самок) в эмбриогенезе появляются из развивающихся почечных канальцев, и у самцов их судьба оказывается иной, чем у самок.
В ходе эмбрионального развития часть мезонефрической почки дает два типа канальцев, вольфиевы и мюллеровы. Вольфиевы канальца под влиянием тестостерона дифференцируются на семявыводящие протоки, придатки семенников и семенные пузырьки. Вторая пара эмбриональных канальцев, мюллеровы, начинает развиваться параллельно. У самцов развитие мюллеровых канальцев подавляется мюллеровым ингибирующим фактором (МИФ), гормоном, выделяемым семенниками. Развитие по мужскому типу зависит от секреции тестостерона, и в его отсутствие у генетически мужской особи возникает фенотип самки. Синтез МИФ, по всей видимости, активируется геном SRY, что, в свою очередь, гарантирует атрофию мюллеровых канальцев и нормальное развитие мужских органов.
Развитие самок происходит «по умолчанию». Если ничто не подавляет развитие мюллеровых канальцев, они дифференцируются на фаллопиевы трубы, матку и верхние части влагалища, хотя для полного развития женского фенотипа требуется наличие эстрогена. Вольфиевы канальца, не поддерживаемые тестостероном, дегенерируют.
У млекопитающих и птиц вышеописанные процессы четко обусловлены: пол особи определяется геном половой хромосомы. Однако репродуктивная функция зависит не только от генетического определения пола. Репродуктивная система взрослого млекопитающего формируется стероидами, которые начинают влиять еще на эмбриональной стадии. Система изначально чувствительна к стероидам, главное – искать их в нужном месте. Для млекопитающих таким нужным местом является плацента. После того как оплодотворенная яйцеклетка имплантируется в эндометрий матки, между матерью и плодом начинает развиваться плацента – сложная сеть капилляров. Капилляры матери и плода соединяются между собой. И хотя кровь матери напрямую не смешивается с кровью плода, кислород, питательные вещества и другие соединения, в частности сигнальные стероиды, могут передаваться от матери к развивающемуся плоду.
Однояйцевые близнецы, развивающиеся в результате разделения одной яйцеклетки, обладают такой связью не только с матерью, но и друг с другом. Так как однояйцевые близнецы всегда одного пола, стероиды, которыми они обмениваются, одинаковы. У человека разнополые разнояйцевые близнецы защищены от воздействия «неправильных» стероидов, так как у них разные плаценты.
Но у других крупных млекопитающих – например, коров или буйволов – химическое общение становится проблемой. Если в матке матери одновременно развиваются телята разного пола, родившаяся самка обязательно оказывается стерильной, и ее называют фримартин. Дело в том, что два плода делят одну плаценту и, следовательно, часть гормонов, ответственных за половое развитие. МИФ, один из главных гормонов для развития самцов, проходит через плаценту от зародыша мужского пола к зародышу женского и нарушает нормальное развитие мюллеровых канальцев. Поэтому матка не развивается и самка оказывается стерильной.
Если у двух плодов общая плацента, обмен стероидами оказывает весьма серьезное влияние – для плода женского пола оно поистине разрушительно. У других млекопитающих, у которых в норме рождается много детенышей, тонкие различия внутриматочной среды воздействуют на развивающиеся зародыши весьма интересным образом. Например, у грызунов и свиней матка по сути представляет собой цилиндр, где зародыши расположены в ряд. За исключением крайних в ряду, каждый из зародышей находится между двумя другими, поэтому возможны три варианта: соседями могут быть две самки, два самца или самец и самка.
Пол непосредственных соседей имеет большое значение и служит важным определяющим фактором репродуктивной вариабельности из-за химической среды, создаваемой ими. У зародышей грызунов женского пола, развивающихся между двумя зародышами мужского, повышен уровень тестостерона, и во взрослом состоянии они более чувствительны к этому гормону и производят больше потомства мужского пола. Такие самки также более склонны проявлять признаки полового поведения, свойственного самцам, занимают большую территорию и более агрессивны. Самцы, развивающиеся между двумя другими самцами, также более агрессивны, занимают большую территорию, ярче проявляют родительское поведение и более чувствительны к тестостерону по сравнению с самцами, развивающимися между двумя самками.
Исследования приплода животных с многоплодной беременностью демонстрируют нам как явные, так и тонкие эффекты эндогенных химических веществ на развитие зародышей. Но химическое воздействие вовсе не обязательно должно производиться веществами, поступающими от матери или соседей по матке; эти вещества могут даже не иметь природного происхождения – как те, что повлияли на культуры тканей в лаборатории Аны Сото, о чем мы рассказывали в главе 14. Эти вещества могут поступать из внешних источников, например сточных вод или сельскохозяйственных угодий.
Первое свидетельство этого явления было обнаружено не у человека, а у домашнего скота. Уже более 50 лет назад было замечено, что у беременных животных, пасущихся там, где много красного клевера (Trifolium pretense), возникают нарушения фертильности. Последующие эксперименты показали, что в красном клевере содержится смесь изофлавоноидов – природных фитоэстрогенов, которые могут влиять на фертильность самок. Влияние клевера обратимо (маток можно просто перевести на другое пастбище), однако на этом примере мы видим эффект природного вещества, которое действует как неверный клеточный сигнал.
Еще один пример – эпидемиологическое исследование Артура Хербста (подробно описанное в главе 13), детализирующее негативное влияние ДЭС на женскую репродуктивную систему. Диэтилстильбэстрол, хотя и не является стероидом, нарушает работу эндокринной системы. Он порождает структурные дефекты, изменяя схему развития через клеточные сигналы. В частности, воздействие ДЭС на ранних стадиях развития приводит к неполной атрофии вольфиевых канальцев, и далее запускается целый каскад эмбриональных изменений, в конечном итоге приводящий к репродуктивным аномалиям. Трагическая история с ДЭС иллюстрирует тот факт, что вещества, нарушающие работу эндокринной системы, могут наносить непоправимый ущерб.
Наблюдая половую дифференциацию у млекопитающих, исследователи приходят к общему выводу, что между генетикой и морфологией существует жестко закрепленная связь. Однако даже у млекопитающих наличие фримартинов и других типов внутриутробного влияния свидетельствует о том, что генетические особенности связаны с морфологическими через клеточные сигналы, и такие сигналы, полученные через плаценту, могут затмевать сигналы, посылаемые развивающимся половым структурам от генетического материала. Кроме того, у птиц половая дифференциация подвержена достаточно скромным изменениям, у рептилий и амфибий, а в особенности у рыб, это гораздо более пластичный процесс. У холоднокровных позвоночных животных генетическое определение пола может преобладать, а может полностью отсутствовать.
Среди рептилий существуют различные формы генетического определения пола. Самки змей гетерогаметны (аналогично самцам млекопитающих), но у различных видов черепах и ящериц гетерогаметными могут быть и самки, и самцы. У других видов ящериц пол определяется генотипически, но без участия гетерогаметных хромосом. Подобная ситуация существует и у амфибий: у некоторых видов гетерогаметны самцы (XY), а у других – самки (ZW). У японской морщинистой лягушки (Rana rugosa) в одних популяциях гетерогаметны самцы, а в других – самки, что позволяет предположить, что эволюция половой дифференциации у этого вида продолжается и в настоящий момент. Интересно, что при скрещивании гомогаметных самцов (ZZ) и самок (XX) получается гетерогаметное потомство (XZ), полностью состоящее из самцов.
Среди амфибий есть и другие примеры недостаточно четко определенных отношений между генетическим и морфологическим определением пола. Африканская шпорцевая лягушка (Xenopus laevis) – вид с гетерогаметными самками (ZW) и гомогаметными самцами (ZZ). Однако при воздействии эстрадиола на головастиков может возникать несоответствие между генетикой и морфологией: у генетически мужских особей ZZ развиваются все внешние и внутренние половые органы женских особей. При этом они могут скрещиваться с «настоящими» (генетически и морфологически) самцами, имеющими те же половые хромосомы (ZZ), и давать потомство, состоящее исключительно из самцов – и генетически, и морфологически.
У некоторых пресмыкающихся и небольшого числа земноводных пол определяется преимущественно температурой, при которой развиваются зародыши. Ученые считают, что такое определение пола зависит не от какого-либо главного гена (подобного гену МИФ у млекопитающих или DMRT1 у птиц), а от «парламентской системы» контроля, при которой изменения температуры внутренней среды в яйце вызывают значительные изменения ферментной активности многих белков, ответственных за определение пола.
Все вышеописанные варианты управления половой дифференциацией весьма впечатляют, однако наибольшая вариабельность ее форм наблюдается среди 24 000 видов рыб. Как и у пресмыкающихся, у разных видов рыб гетерогаметны могут быть самцы (ZW), самки (XY) или ни один из полов. У видов, которым свойственен гермафродитизм, обычно отсутствует жесткая система определения пола. Хотя некоторые рыбы строго раздельнополы и развиваются как особи определенного пола, сохраняя его на протяжении всей жизни, у других видов, среди которых представители как минимум 25 семейств, может в той или иной степени проявляться гермафродитизм. Он может быть последовательным, когда особь вначале функционирует как самец, а на более позднем этапе становится самкой, или наоборот; а может быть синхронным, когда у одной и той же особи одновременно функционируют семенники и яичники.
У раздельнополых видов, особи которых имеют либо яичники, либо семенники, гермафродитизм и спонтанное изменение пола встречаются очень редко. Однако такие случаи все же отмечались как в природе, так и в лабораторных условиях. Смена пола и аномальный гермафродитизм может возникать у рыб под воздействием экзогенных химических веществ. Также имеется много свидетельств возможности изменения процесса дифференциации половых желез у раздельнополых видов. Воздействие мужских гормонов или подобных им веществ может вести к регрессу ткани яичников и появлению семенников, производящих нормальную сперму. Аналогичным образом, воздействуя на организм эстрогенами, можно получить самку, даже если первоначально уже началось развитие семенников.
Гибкость процесса определения пола у низших позвоночных животных допускает гораздо более впечатляющие изменения в репродуктивной системе, чем те, что могут происходить у млекопитающих и птиц. Это уже давно известно тем, кто занимается разведением рыб, так как бывают ситуации, когда требуется выпустить в природу стерильную популяцию животных. Один из способов гарантировать, что рыбы не будут размножаться, – создать однополую популяцию, изменив пол химическим путем. При воздействии стероидами на определенных ранних стадиях развития можно получить популяцию, состоящую из одних самок или одних самцов. У рыб, живущих ниже очистных сооружений или целлюлозно-бумажных комбинатов, также отмечается изменение соотношения полов в популяциях, пусть и не такое драматическое.
В развитии репродуктивной системы позвоночных возможны два результата – женский или мужской организм. Эти результаты удобно представлять как дихотомию, однако на самом деле все несколько сложнее. Как уже говорилось выше, генетические самцы не всегда морфологически становятся ими, даже у млекопитающих. Важную роль здесь играют изменения химического состава среды, в которой развивается плод или личинка, так как эти изменения могут нарушать систему внутренних эндокринных сигналов, что приводит к нарушениям формирования репродуктивных органов. Кроме того, пластичность репродуктивной системы выше всего у рыб – так же как и пластичность реакции на экзогенные химические сигналы. Вызывая проблемы с размножением или полное уничтожение популяции, как в экспериментальном озере в Онтарио, эти сигналы могут очень серьезно воздействовать на экосистемы.
