Дарвинизм в XX веке

С полиплоидными рядами связан один парадокс эволюции. Так, если гаплоидное число хромосом у растения n, а диплоидное, соответственно, 2n, то тетраплоидная форма (4n), возникнув в течение одного поколения, сразу поведет себя как новый вид, генетически изолированный от материнской формы. Это вполне понятно: при скрещивании образуется стерильный триплоид, так как одна гамета имеет хромосомный набор n, вторая 2n, а оплодотворенная яйцеклетка 3n. Три, как известно, на два не делится. Поэтому процесс редукционного деления ядра у триплоидов (мейоз, см. стр. 19) приведет к неравномерному расхождению генного материала по гаметам и бесплодию. Многие специалисты так и полагают, что в данном случае скачком возникает новый вид. Вряд ли это правильно — генетическая информация у полиплоидных форм та же, изменяется только ее количество. Генетическая изоляция, неспособность скрещиваться, — мы будем это неоднократно подчеркивать — необходимый, но еще недостаточный критерий вида.

Однако фенотип полиплоидов нередко изменяется. Полиплоиды — часто крупные, а то и гигантские формы с увеличенными ядрами и клетками. Жизнеспособность и продуктивность их может быть гораздо выше, чем у обычных диплоидов, что нередко используется в селекции культурных растений. Известны высокопродуктивные полиплоиды картофеля и хлопчатника, льна и гречихи, пшеницы и овса, земляники и сахарного тростника — список этот можно многократно увеличить. Главный поставщик натурального каучука — гевея у себя на родине, в Бразилии, имела 36 хромосом (здесь и далее без оговорок приводятся числа для диплоидных наборов — 2n). В юго-восточной Азии культивируются 72-хромосомные формы гевеи.

Даже не образующие семян триплоиды высоко ценятся в хозяйстве — упомянем только гигантскую триплоидную осину, культурный бессемянный банан и ряд других форм, размножающихся вегетативно.

Было бы, однако, ошибкой утверждать, что полиплоидия всегда связана с увеличением мощности растения. По-видимому, есть некий оптимальный уровень полиплоидности, разный у разных видов, за которым начинается как бы разлад взаимоотношений ядра и цитоплазмы и, как следствие этого, — карликовость, снижение жизнеспособности и продуктивности.

В эволюции растений полиплоидия проявляется двояко — как тормоз и как стимулятор прогресса. Многие древние растения (такие как древовидные папоротники, магнолия, гигантская секвойя или необычайный ботанический монстр из пустыни Калахари — вельвичия удивительная) — полиплоиды. В данном случае избыточность генетической информации в полиплоидном наборе тормозит эволюцию. В других случаях полиплоиды более изменчивы, легче приспосабливаются к новым условиям, нередко заселяют места на границе ареала с крайними условиями существования. Больше всего полиплоидов в Арктике, в высокогорных районах и пустынях (на Шпицбергене, например, 80 % видов — полиплоиды).

Не менее широко распространена у растений аллополиплоидия — удвоение генного материала у межвидовых или межродовых гибридов. Обычно такие гибриды бесплодны, так как хромосомы одного вида не находят себе парных хромосом-гомологов при мейозе. Иное дело, если хромосомный набор гибрида удваивается (возникает амфидиплоид). Здесь нельзя не вспомнить пионерские работы замечательного советского генетика Г. Д. Карпеченко, получившего впервые межродовой гибрид капусты и редьки. Такие гибриды обычно не давали потомства, потому что образовывали гаметы с нарушенным числом хромосом. Полученный Карпеченко гибридный тетраплоид был вполне плодовитым и не скрещивался ни с кем из родителей — ни с редькой, ни с капустой. Формально он заслуживал выделения в новый род — редькокапуста — рафанобрассика.

По проложенному Карпеченко пути устремилось немало исследователей. При этом не только создавались новые виды (вернее, гибриды, могущие стать новыми видами после «пришлифовки» отбором к условиям внешней среды), но и ресинтезировались старые. Из скрещивания алычи с терном удалось, например, заново сконструировать сливу. Таким же путем был ресинтезирован табак и рапс, пикульник и разные виды пшениц.

Возникают ли в настоящее время подобные гибридные формы в природе?

Такие случаи были описаны. На юге Якутии, по опушкам хвойных лесов на протяжении более 300 км обнаружена популяция оригинального кустарника — рябинокизильника, возникшего в результате естественного скрещивания сибирской рябины с кизильником. Это уже, пожалуй, настоящий гибридный вид, захвативший немалую территорию и успешно отвоевывающий себе место под солнцем. Сходным путем в США возник гибридный вид из двух видов диких подсолнечников.

А встречается ли авто- и аллоплоидия в царстве животных, и если да, то какое значение она имеет для их эволюции? На этот вопрос ответить нелегко.

Возникновение полиплоидов у раздельнополых животных (как и двудомных растений) затрудняется существованием хромосомного механизма определения пола.

Вспомним, что, например, у человека 46 хромосом. Из них 22 пары (их называют аутосомами) одинаковы у обоих полов. Но, помимо 44 аутосом, женщины имеют 2 одинаковые х-хромосомы, а мужчины — 1х и 1у хромосому. В половых клетках число хромосом уменьшается вдвое. Нетрудно сообразить, что яйцеклетки всегда будут иметь, помимо 22 аутосом, одну х-хромосому, а спермии — или х- или (y-хромосому. Спермий, несущий х-хромосому, сливаясь с яйцеклеткой, всегда дает зиготу женского пола (восстанавливается набор хх). Спермий с у-хромосомой, напротив, обусловит мужской пол (набор ху). Представим теперь полиплоид с набором ххуу. Такой набор приводит к возникновению гамет: 25 % хх, 50 % ху и 25 % уу. Зиготы же будут иметь набор 25 % хххх, 50 % ххху и 25 % ххуу. Половина потомства, таким образом, окажется аномальной в половом отношении, почти наверняка бесплодной. Возникновение таких организмов приведет к снижению плодовитости полиплоида и вытеснению его с жизненной арены.

Этого мало: ведь даже для того, чтобы описанный процесс произошел, нужно, чтобы оба родителя оказались одинаковыми полиплоидами. Вероятность такого события — величина чудовищно маленькая. Скрещивание же, например, тетраплоида с обычной, диплоидной, особью другого пола приводит к образованию триплоидов, генетически стерильных. Полиплоид, как и вообще любой организм с достаточно существенной хромосомной перестройкой, оказывается в положении библейского Каина. Если верить библии, у первых людей на Земле — Адама и Евы, было два сына — Каин и Авель. Каин убил Авеля, чем поставил под угрозу дальнейшее существование рода человеческого, но взял себе в жены «женщину из страны Нод», предки которой остались неизвестными, и род человеческий продолжился. Парадокс Каина неизбежно встает на пути всех теоретиков, которые, не удовлетворяясь дарвиновской теорией, ищут материал для эволюции в крупных, революционных перестройках генома. На ком женился Каин? Где найдет пару полиплоид?

Разумеется, хромосомный механизм определения пола может существенно отличаться в деталях от описанного нами. Половая хромосома может быть лишь одна (тогда самки имеют набор хх, а самцы хо); у птиц и ряда насекомых одинаковые половые хромосомы присущи самцам, а не самкам; наконец, половые хромосомы могут быть не самостоятельными, а прикрепляться к аутосомам. Однако во всех этих случаях объяснение редкости полиплоидии у животных, данное выдающимся американским генетиком Германом Меллером, остается в силе.

Наиболее убедительное его доказательство — это то, что у гермафродитных животных (например, дождевых червей) и у тех видов и рас двуполых животных, которые размножаются партеногенетически, без оплодотворения яйцеклетки, существуют полиплоидные ряды (n, 2n, Зn и т. д.), во всем аналогичные полиплоидным рядам растений.

Небольшой рачок артемия, обитающий в водах соленых озер, часто теряет способность к двуполому размножению, и у него отмечены партеногенетические полиплоидные расы. Такие же расы обнаружены у многих насекомых — жуков-долгоносиков, бабочек, прямокрылых, тлей.

Еще более интересны случаи так называемого гиногенеза — оригинальной модификации партеногенеза. Уже давно было подмечено, что в популяциях серебряного карася во многих наших прудах самцы встречаются крайне редко, а то и совсем отсутствуют. Оказалось, что икра карасей из таких однополых популяций развивается партеногенетически, без оплодотворения, но развитие икринки должно быть активировано спермием самца другого вида (вьюна, карпа). Спермий, дав толчок развитию, рассасывается в цитоплазме икринки. В потомстве, естественно, возникают одни самки. Однополая форма карася оказалась триплоидной, с тремя наборами хромосом (у двуполой формы 2n = 94, у однополой 141).