Сумчатые лягушки
Эугения М. Дель-Пино
У некоторых тропических квакш самка вынашивает свою икру на спине, зачастую в специальной сумке. По ряду черт эта адаптация сходна с беременностью млекопитающих.
Млекопитающие рождают детенышей и вскармливают их молоком; птицы откладывают яйца и их высиживают. Лягушки, как и другие земноводные, откладывают икру в воду, где из нее выходят водные личинки — головастики. В пределах одного класса общий способ размножения объединяет животных самого различного облика: летучих мышей со слонами, колибри со страусами.
В дождевых лесах и горных районах Центральной Америки и тропической Южной Америки живут 60 с лишним видов лягушек из семейства квакши (Hylidae), которые оказываются исключением из этого правила. Во взрослом состоянии они выглядят подобно другим квакшам, но размножаются совсем не по-лягушачьи. Развитие икринок у них происходит не в воде, а на спине у матери, часто в особом вместилище — кожном кармане, или сумке. У многих таких видов молодь выходит оттуда полностью сформированными лягушатами, у других — развитыми головастиками.
В связи с этим необычным характером размножения развился ряд замечательных специальных приспособлений. Будучи защищенным на спине у матери, эмбрион может развиваться «без спешки». Более долгий срок развития в свою очередь означает, что эмбрион должен иметь достаточный запас питательных веществ и возможность обмена жидкостями и газами с внешней средой. Все это потребовало изменений в физиологии материнского организма, в структуре и молекулярных свойствах икринок, а также в программе эмбрионального развития. Многие из этих специальных приспособлений очень заманчиво наводят на аналогию между вынашивающими икру квакшами и эволюционно очень отдаленными от них животными — млекопитающими и птицами.
Сумка квакш напоминает сумку сумчатых млекопитающих. Внутренняя структура лягушачьей сумки и гормональные механизмы, управляющие инкубацией икры, имеют сходство с анатомическим и гормональным обеспечением беременности у млекопитающих. Большая, заполненная желтком икринка сумчатой квакши скорее похожа на яйцо птицы или рептилии, чем на лягушачью икру. То же по ряду черт можно сказать и о развитии эмбриона. Однако в некоторых аспектах биология размножения квакш, инкубирующих икру на спине, уникальна. Это свидетельствует о том, что параллелизм с другими классами животных является результатом не единой линии эволюции, а конвергенции, протянувшей мостики через миллионы лет обособленной эволюционной истории.
В 1972 г., когда я начала преподавать в Папском католическом университете в Кита (Эквадор), необычная биология размножения вынашивающих икру квакш была известна только в общих чертах. Для меня эти лягушки были не более чем диковинкой из учебника. Однако вскоре после приезда в Кито, я обнаружила, что в университетском саду живут особи одного из видов сумчатых квакш Gastrotheca riobambae. Я стала изучать этот вид и его репродуктивные особенности, а также искать представителей других видов лягушек, инкубирующих икру на спине.
G. riobambae — один из немногих видов лягушек, успешно освоивших высокогорные местообитания в районе Кито, который расположен на высоте около 3000 м над уровнем моря. Большинство вынашивающих икру квакш живет в пологе тропического леса низменностей Эквадора и других районов Южной и Северной Америки. При изучении этих видов я пользовалась, во-первых, музейными образцами, а во-вторых, живыми экземплярами, которые собирали и поставляли в мою лабораторию У. Дьюлмэн, Л. Труб, Дж. Симмонс и другие сотрудники Музея естествознания Канзасского университета.
Тропический дождевой лес, где квакши, вынашивающие икру, наиболее разнообразны, является, по-видимому, и местом их эволюции. Довольно очевидно, какие факторы естественного отбора могли способствовать развитию вынашивания икры. Многочисленные виды обитающих в тропических лесах лягушек интенсивно конкурируют за места размножения (в Эквадоре в окрестностях Санта-Сесилия У. Дьюлмэн со своей ученицей М. Крамп обнаружили на площади 3 км2 81 вид лягушек — примерно столько, сколько насчитывается во всей Северной Америке!). Кроме того, икре и головастикам в болотах и реках угрожает множество хищников.
В результате многие тропические виды лягушек приспособились к использованию новых мест для откладки икры. Некоторые виды используют для этого листья надводной растительности — дожди затем смывают вышедших из икры головастиков в воду. Другие лягушки прячут свою икру в лесную подстилку; у таких видов из икринок вылупляются сразу маленькие лягушата. Более хитроумное приспособление — инкубация икры на спине у самки — возникло в подсемействе Неmiрhractinae семейства Hylidae.
Эта группа квакш весьма древняя. Б. Скэнлэн и Л. Максон из Иллинойсского университета, работавшие совместно с Дьюлмэном, проследили во времени эволюцию вынашивающих икру квакш путем сравнения аминокислотных последовательностей определенных белков у различных видов. Если считать, что скорость изменения молекулярной структуры белков в процессе эволюции постоянна, разница между аминокислотными последовательностями данного белка двух сравниваемых видов живых организмов будет пропорциональна эволюционному расстоянию между этими видами, т.е. времени, которое прошло с тех пор, как их линии эволюционного развития отделились от общего предка. Сравнительный анализ белков показал, что дивергенция вынашивающих икру квакш началась 40-80 млн. лет назад. По всей вероятности, к этому времени уже сложились приспособления для инкубации икры на спине самки.
Сумка, наполненная развившимися эмбрионами, придает эквадорской квакше Gastrotheca riobambae непомерно раздутый вид (слева). После того как из отверстия сумки (оно заметно в задней части ее спины) вышло 218 головастиков, лягушка обрела свои обычные размеры (справа). Фотографии Ч. Майерса из Американского музея естествознания
К нашему времени группа вынашивающих икру квакш, в которую входит 7 родов, включающих вместе около 60 видов, достигла значительного разнообразия. В трех родах (Stefania, Cryptobatrachus и Hemiphractus) сумки нет; икринки просто прилипают к спине самки, где развиваются и из них вылупляются маленькие лягушата. Четыре рода (Fritziana, Flectonotus, Gastrotheca и Amphignathodon) это настоящие сумчатые квакши, обладающие сумкой той или иной конструкции. В данной статье я сосредоточу свое внимание на биологии размножения именно этих сумчатых видов.
Различия в конструкции сумки у разных родов указывают на то, что она возникла скорее всего из продольных складок кожи на спине. К примеру, у некоторых видов рода Fritziana, развивающиеся эмбрионы прикрыты такими складками, но не полностью. У других видов этого рода и в роде Flectonotus складки превратились в клапаны, которые сходятся по средней линии спины, так что эмбрионы заключены в сумку, получившуюся из двух боковых отделений. Более сложная сумка у рода Amphignathodon и у многих видов рода Gastrotheca: в ней еще имеются два боковых отделения, но они открываются узкой щелью в задней части спины над клоакой (которая совмещает функции экскреторного и полового отверстий). Высокогорные виды рода Gastrotheca (к нему относится и O. riobambae) обладают, по-видимому, наиболее эволюционно продвинутой сумкой, в которой два боковых отделения образуют одно целое.
Эволюция сумки привела к развитию новых форм репродуктивного поведения. Спаривание у лягушек происходит в процессе откладки самкой икры, которая оплодотворяется тотчас по выходе ее из клоаки. У большинства видов партнеры контактируют в воде, где затем будет оставлена икра. А сумчатые квакши спариваются на суше, и здесь возникает проблема, как переместить икринки из клоаки в сумку.
У трех видов из четырех, у которых мы наблюдали спаривание, это делает самец. У O. riobambae, например, самец взбирается на спину самки и открывает сумку своими задними ногами. По мере того как икринки выходят из клоаки самки (со скоростью 1-2 в минуту), самец подхватывает каждую икринку пятками задних конечностей и направляет ее в сумку. Икра оплодотворяется на пути туда спермой, которую самец изливает на спину самки. Процесс продолжается до тех пор, пока в среднем 130 икринок не окажется в сумке. Затем самка надавливает спиной о камень, чтобы икра в сумке расположилась несколькими ровными слоями.
У многих видов сумчатых квакш вылупление происходит лишь через несколько месяцев после оплодотворения. Чтобы выйти из сумки, молоди (у родов Fritziana, Flectonotus и нескольких видов из рода Gastrotheca это головастики, а у всех остальных — лягушата) снова нужна родительская помощь. Самка O. riobambae выпускает новорожденных головастиков в озерца и лужи, ухватываясь передними лапами за камень и работая при этом задними конечностями таким образом, чтобы сумка открылась. Пальцами она извлекает головастиков одного за другим. Чтобы вышло все потомство, ей требуется два дня или больше.
Лягушки, вынашивающие икру, принадлежат к подсемейству Hemiphractinae семейства Hylidae. Показанные здесь эволюционные связи основаны на результатах сравнительного анализа белков и биологии размножения. Схема предложена У. Дьюлмэном из Музея естествознания Канзасского университета и Р. Вассерсугом из Далхузского университета провинции Новая Шотландия (Канада). У трех родов сумки нет, и развивающиеся эмбрионы просто прилепляются к спине матери.У нeкoтopых родов эмбрионы развиваются в полностью сформированных лягушат, у других они выходят из сумки на стадии головастика (маленькие рисунки). В роде Gastrotheca у разных видов к моменту рождения достигаются различные стадии развития (рисунки сделаны без соблюдения масштаба)
У тех видов, у которых сумку покидают уже полностью сформировавшиеся лягушата, близость воды во время их выхода не обязательна. Пока эмбрионы сидят в сумке, у них развиваются в зачатке многие из тех признаков, которые обычно свойственны головастикам, но ко времени рождения метаморфоз завершается и они минуют водную стадию. Таким образом, многие из вынашивающих икру квакш, по-видимому, могут осуществлять весь свой жизненных цикл, не спускаясь из полога леса.
Благодаря сумке эмбриональное развитие у сумчатых квакш может идти гораздо медленнее, чем у тех видов, у которых икра развивается открыто и поэтому более уязвима. у O. riobambae, к примеру, инкубация икры длится 100-120 дней, тогда как у шпорцевой лягушки Xenopus laevis (этот вид удобен для сравнения, так как тщательно изучен) от откладки икринок в воду до вылупления проходят всего 1,5 суток. Каким образом обеспечивается жизнедеятельность икры в течение ее долгой инкубации? Лягушачий эмбрион, который превращается в свободноживущего головастика за несколько дней, не нуждается в специальных механизмах для обмена газов, жидкостей и других веществ с внешней средой. Однако у сумчатых квакш и мать, и эмбрион должны быть снабжены приспособлениями для такого обмена.
В промежутках между сезонами размножения, когда сумка пуста, ее внутренняя поверхность похожа на обычную лягушачью кожу. Но во время инкубации икры на стенках сумки развивается тонкая выстилка, обильно пронизанная кровеносными сосудами. Эта выстилка, которая после вылупления отслаивается и выходит наружу, соответствует форме икринок, образуя индивидуальную ячейку для каждой из них. Внутри ячейки эмбрион окружен собственной сосудистой оболочкой, представляющей собой особые жабры, называемые колокольчатыми; у других видов лягушек такие жабры неизвестны.
Колокольчатые жабры развиваются через несколько недель инкубации. Они появляются в виде тонких пленок по обеим сторонам головы эмбриона; у некоторых видов эти пленки разрастаются и покрывают эмбрион полностью, так что образуется наполненный жидкостью мешок, в котором плавает эмбрион. При рождении этот мешок рассасывается либо сбрасывается.
Особое репродуктивное поведение сопряжено с вынашиванием икры. У сумчатых квакш Gastrotheca riobambae при спаривании, пока самка откладывает икру, самец охватывает ее сзади и засовывает пальцы задних конечностей в сумку (слева). По мере появления икринок из клоаки самки самец направляет их в сумку и по пути они оплодотворяются той спермой, которую он предварительно отложил на спину самки. За несколько часов таким образом перемещается 100 и более икринок. Эмбриональное развитие длится более З месяцев; при этом самка настолько раздувается, что с трудом может передвигаться (в середине). Головастики выходят из сумки в воду, причем самка пальцами задних конечностей помогает им выбраться (справа)
Таким образом, мать и эмбрион в ее сумке находятся в тесном физиологическом контакте. Только студенистая оболочка, окружающая икринку, отделяет выстилку сумки от эмбрионального жаберного мешка, а у сумчатых квакш студенистая оболочка исключительно тонкая. Если у других лягушек толщина этого слоя несколько миллиметров, то у сумчатых квакш она может быть в 1000 раз меньше — всего несколько микрон.
В некоторых отношениях вынашивание развивающейся икры у сумчатых квакш напоминает беременность у млекопитающих. Заполненный жидкостью мешок, в котором развивается эмбрион этих лягушек, напоминает амниотическую полость, окружающую эмбрион млекопитающих. Что более существенно, тесный контакт между кровеносными системами матери и эмбриона через соприкасающиеся оболочки подобен функции плаценты млекопитающих, которая объединяет кровеносные системы матери и плода.
Плацента создает возможность для транспорта газов, жидкостей, питательных веществ и продуктов метаболизма между матерью и эмбрионом. Видимо, похожий обмен происходит и между выстилкой сумки и колокольчатыми жабрами у сумчатых квакш. Чтобы точно установить, что эмбрион получает от матери, Б. Эскобар и я взвешивали эмбрионы G. riobambae на различных стадиях инкубации икры. К концу инкубации влажный вес эмбрионов увеличивался втрое, но сухой вес оставался относительно постоянным. По-видимому, эмбрион получает от материнского организма воду, а также осуществляет с ее помощью газообмен, тогда как питательными веществами его обеспечивают в основном собственные запасы — желток.
Какие гормоны стимулируют подготовку сумки к инкубации икры? В поисках ответа на этот вопрос мои коллеги К. де Альбуха, М. Кампос и я также обнаружили параллелизм между вынашиванием икры у сумчатых квакш и беременностью у млекопитающих. У млекопитающих в подготовке матки к беременности принимает участие несколько гормонов. Гонадотропины, секретируемые гипофизом, стимулируют в яичниках фолликул капсулу из клеток, окружающую ооцит, из которого развивается яйцеклетка. В ответ на это фолликул выделяет эстрогены и прогестерон, вызывающие утолщение стенки матки, которая должна принять оплодотворенную яйцеклетку.
У большинства лягушек существует подобный двухстадийный гормональный механизм, но основной результат его действия — стимуляция роста и созревания ооцитов. Под влиянием гонадотропинов фолликулы в яичнике выделяют эстрогены и прогестерон; прогестерон вызывает ряд клеточных изменений, преобразующих ооцит в яйцеклетку. У сумчатых квакш, как мы установили, этот гормональный аппарат выполняет еще и дополнительную функцию — подготовку сумки к инкубации икры.
Мать и эмбрионы, развивающиеся из ее икры, у вынашивающих икру квакш находятся в тесном контакте. Здесь показаны форма сумки или места на спине, где вынашивается икра (слева) и вертикальный разрез этой части тела самки (в середине). Пронизанная кровеносными сосудами выстилка сумки (лиловая), окружающая каждую икринку, отделена от собственной сосудистой оболочки эмбриона, называемой колокольчатыми жабрами (красные), лишь тонкой студенистой оболочкой (голубая). Форма жабер может быть различной (справа); у некоторых родов они покрывают эмбрион целиком. У сумчатых квакш благодаря тесной связи между тканями матери и эмбриона происходит обмен газов и жидкостей, подобно тому как это осуществляется через плаценту у млекопитающих
С приближением сезона размножения у O. riobambae и других видов сумчатых квакш наблюдается предварительное изменение, которое состоит в том, что отверстие сумки, открытое большую часть года, сжимается, когда самка начинает готовиться к размножению. Сумка остается закрытой на всем протяжении инкубации икры, до тех пор пока головастикам или лягушатам не придет пора выходить.
Исследовать гормональную регуляцию закрывания сумки можно, вводя отдельные гормоны путем инъекции и наблюдая за их действием. Если лягушке ввести гонадотропин, сумка закроется только в том случае, если в яичнике имеются большие фолликулы. После инъекции прогестерона сумка закрывается в пределах 24 часов независимо от размеров фолликулов. По-видимому, именно прогестерон непосредственно ответствен за закрывание сумки, а гонадотропины просто стимулируют секрецию прогестерона.
Развитие в выстилке сумки ячеек, в которых эмбрион заключен в сосудистую оболочку, также, по-видимому, инициируется прогестероном. Если вне сезона размножения в сумку квакши поместить пластиковые шарики диаметром с икринку, они обычно извергаются оттуда не позже чем через несколько часов. Если же одновременно ввести лягушке прогестерон, сумка закроется и шарики будут погружены в сосудистую выстилку; при этом они удерживаются в сумке в течение целой недели.
Регуляция размножения у сумчатых квакш осуществляется при помощи ряда гормонов. Под действием гонадотропинов, секретируемых гипофизом (вверху изображен мозг лягушки и расположение в нем гипофиза), в яичниках фолликул (капсула из клеток, окружающих ооцит, являющийся предшественником яйцеклетки) выделяет прогестерон. Этот гормон стимулирует созревание ооцита и вызывает закрывание отверстия сумки. После выхода яйцеклетки из фолликула он может продолжать секретировать прогестерон, который теперь стимулирует развитие сосудистых оболочек, окружающих эмбрионы в сумке. Сходное гормональное обеспечение подготавливает матку к беременности у млекопитающих
К началу инкубации икры фолликулы уже лопнули и из них вышли яйцеклетки. Что же в этой ситуации служит источником прогестерона, который будет стимулировать рост сосудистой выстилки сумки и образование ячеек? У млекопитающих на ранних стадиях беременности «пустой» фолликул, из которого вышла яйцеклетка, продолжает производить прогестерон, стимулируя таким образом развитие стенки матки. У большинства лягушек фолликулы после выхода из них яйцеклеток остаются в яичнике менее недели и скорее всего не играют роли в гормональном обеспечении. Но у G. riobambae пустые фолкулы пребывают в яичнике месяц с лишним, т.е. на протяжении первой трети инкубации.
С целью проверить, могут ли пустые фолликулы быть источником прогестерона, Г. Санчес и я удаляли яичники (а с ними и все фолликулы) у лягушек с икрой в сумке. Если это делалось в первые несколько недель инкубации, то наблюдался абортивный эффект: частично развившиеся эмбрионы исторгались из сумки через 15--30 дней. Удаление яичников на более поздних стадиях инкубации икры не имело эффекта. Таким образом, можно предположить, что по крайней мере на ранних стадиях инкубации у сумчатых квакш пустые фолликулы секретируют гормоны, как у млекопитающих при беременности.
Вполне возможно, что сходство с беременностью млекопитающих есть и на более поздних стадиях инкубации икры. Гормональное обеспечение на поздних стадиях беременности у млекопитаюших создается самой плацентой, которая секретирует гонадотропины, прогестерон и другие гормоны. Возможно, колокольчатые жабры и сосудистая выстилка сумки у сумчатых квакш играют аналогичную роль, производя гормоны, которые необходимы для дальнейшей инкубации.
Я вкратце описала адаптации, благодаря которым сумчатые квакши вынашивают потомство. Какое значение имеет продолжительная инкубация икры в теле матери?
Внутренняя инкубация и неторопливость эмбрионального развития приводят к очевидным последствиям в строении икры: икринки имеют крупные размеры и много желтка, так что в этом отношении они больше похожи на яйца птиц и рептилий, чем на икру других лягушек. У Gastrotheca cornuta диаметр икринок 1 см, а размер 0,5 см среди квакш, вынашивающих икру, вполне обычен, в то время как, к примеру, у Хеnорus диаметр икринок лишь немногим больше миллиметра. Размер икринок больше связан с объемом желтка, т.е. с величиной запасов белков, жиров, углеводов и проч.; в крупных икринках эти запасы могут обеспечивать питание эмбриона в течение его длительного пребывания в сумке.
Второе отличие вынашиваемой икры от обычной обусловлено молекулярными особенностями ооцитов — предшественников яйцеклеток.
Быстрое развитие, которое характерно для эмбрионов большинства лягушек, требует быстрого синтеза белков — строительного материала тканей тела. Ооциты у этих видов содержат большие количества рибосомальных РНК (рРНК) и других рибонуклеиновых кислот, что обеспечивает резкий всплеск белкового синтеза.
Рибосомальные РНК являются одним из основных структурных элементов рибосом — клеточных органелл, осуществляющих синтез белков. Большое количество рРНК в ооците у большинства лягушек — иногда оно в 200 тыс. раз больше, чем в обычных клетках тела, — означает, что клеткам эмбриона не нужно их синтезировать заново, перед тем как начинать производство белков. Поэтому эмбриональное развитие может пройти быстро, что выгодно для ничем не защищенной икры. У млекопитающих же эмбрион хорошо защищен внутри тела матери и может развиваться медленнее, соответственно запасы рРНК в ооцитах невелики.
Ранние стадии развития эмбриона у сумчатой квакши (в середине) более похожи на таковые птиц (справа), а не лягушек (слева), откладывающих икру в воду (изображены в разном масштабе). У Xenopus в результате начальных клеточных делений (1) образуется полая сфера — бластула (2), затем происходит гаструляция: большие заполненные желтком клетки (желтые) мигрируют внутрь, а бедные желтком клетки (голубые) перемещаются таким образом, что покрывают поверхность эмбриона, и в результате образуется новая полость — первичная кишка (3). В формировании тела будущего животного участвует целиком весь эмбрион (4). В крупном, заполненном желтком курином яйце в гаструляции участвует только небольшой диск из клеток на поверхности желточной массы; из этого диска затем разовьется все тело цыпленка. У Gastrotheca, как и у Xenopus, в гаструляции принимает участие целиком весь эмбрион. Однако, по-видимому, из-за крупных размеров эмбриона и большого содержания желтка те клетки, которые принимают участие в дальнейшем развитии, сконцентрированы на одной стороне в диске, окружающем маленькую первичную кишку, и тело формируется на поверхности желточной массы, как у птиц
Высокое содержание рРНК в ооцитах отражает процессы, происходящие в ядрах этих клеток. Молекулы рибосомальной РНК, как и все другие РНК, образуются в результате тpaнскрипции генов ядерной ДНК. В ооцитах лягушек может накапливаться много рРНК благодаря тому, что соответствующие гены амплифицированы, т.е. представлены, множеством копий. Ооцит X. laevis, к примеру, содержит около 2 млн. копий рибосомальной ДНК. Эти гены находятся не в хромосомах вместе с остальными генами клетки, а формируют внутри ядра особые плотные тельца, называемые ядрышками; в зрелом ооците Хеnорus содержится более 1000 ядрышек.
Мерой быстроты развития, обеспечиваемой огромным количеством рРНК в ооците, может служить время гаструляции. Гаструляция — это стадия эмбрионального развития, на которой эмбрион, представляющий собой до этого просто сферу из клеток, изменяет форму таким образом, что образуется новая, двухслойная сфера, окружающая полость, которая в последующем станет полостью кишечника. У X. laevis гаструляция наступает уже через 14 часов после оплодотворения. А у Gastrotheca riobambae период до этой стадии длится целых 14 дней. Я заинтересовалась, не связано ли такое замедленное развитие с пониженным уровнем амплификации рибосомальных генов и более низким содержанием рРНК. Эта догадка подтвердилась. М. Тренделенбург из Онкологического центра в Гейдельберге (ФРГ) и я, изучая строение ооцита С. riobambae, насчитали в нем менее 300 ядрышек, т.е. приблизительно вчетверо меньше, чем у Xenopus. Можно думать, что меньшее число ядрышек свидетельствует о более низком уровне амплификации рибосомальных генов и соответственно меньших запасах рРНК.
Для оценки уровня амплификации рибосомальных генов в ооцитах С. riobambae мы применили методы молекулярной биологии. К. Дрейер из Института биологии развития им. Макса Планка в Тюбингене (ФРГ) и я инкубировали ооциты C. riobambae с клонированной рДНК (т.е. ДНК, кодирующей рРНК) Xenopus. (Одноцепочечная ДНК одного организма может гибридизоваться с ДНК или РНК другого организма, т.е. образовывать гибридные двухцепочечные молекулы, если у того есть комплементарные последовательности нуклеотидов.) Эти эксперименты показали, что ооциты Gastrotheca riobambae содержат мало рДНК.
Чтобы выяснить, действительно ли низкий уровень амплификации рибосомальных генов приводит к меньшему содержанию рРНК, П. Хаузен из Института биологии развития им. Макса Планка в Тюбингене и я обрабатывали срезы ооцитов красителем, специфичным к РНК. У Gastrotheca riobambae окрашивание было слабым, а у Хеnорus — интенсивным. Г. Штейнбейссер, А. Хоффман из Онкологического центра в Гейдельберге и я впрямую измерили содержание рРНК в ооцитах, проводя гибридизацию РНК, выделенной из ооцитов, с рДНК. Мы обнаружили, что у С. riobambae ооциты содержат гораздо меньше рРНК, чем y Xenopus.
Уровень рибосомальной РНК (показан голубым цветом) в ооците коррелирует со скоростью эмбрионального развития. У лягушки Xenopus, которая откладывает икру в воду, и незащищенный эмбрион развивается быстро, содержание рРНК в ооците велико за счет амплификации рибосомальных генов (красные). Спустя 7 часов после оплодотворения, в эмбрионе уже насчитывается 4000 клеток. У сумчатой квакши Gastrotheca, как и у млекопитающих (здесь — мыши), развитие может идти медленнее, поскольку эмбрион защищен. Содержание рРНК в ооцитах у этих животных низкое, что отражает низкий или вообще нулевой уровень амплификации рибосомальных генов; 7-часовой эмбрион состоит всего из 1-2клеток. У некоторых вынашивающих икру квакш, таких как Flectoпotus, ооциты многоядерные, благодаря чему синтез рРНК усилен и развитие ускорено
Даже на молекулярном уровне некоторые черты развития сумчатых квакш не характерны для лягушек, а больше напоминают таковые млекопитающих. Однако в начале своей работы я обнаружила у ооцитов ряда сумчатых квакш свойство, практически неизвестное не только у других лягушек, но и у остальных позвоночных. В 1976 г. сотрудник с биостанции Ранчо-Гранде в Венесуэле С. Манесс (ныне покойный) показал мне замечательную сумчатую квакшу Flectonotus pygmaeus. Это животное не более 2,5 см в длину живет в пологе дождевого леса. Самка F. pygmaeus в своей сумке вынашивает 5-11 икринок, из которых выходят головастики, развивающиеся потом в лужицах дождевой воды, скапливающейся на деревьях.
Интересная особенность этого вида выявилась, когда я вскрыла один из ооцитов под микроскопом. Вместо единственного ядра в нем оказались тысячи сферических структур. Мой научный руководитель профессор А. Хамфрис (она тогда работала в Университете Эмори) и я, изучая эти структуры и их биохимическую активность, пришли к выводу, что это активные ядра ооцита. В каждом ооците насчитывалось в среднем 2000 ядер! В то время был известен только один вид позвоночных, имеющий многоядерные ооциты, — хвостатая лягушка, обитающая в Северной Америке, у которой каждый ооцит содержит 8 ядер. Зачем же нужно столько ядер?
Ключ к разгадке заключается в быстроте развития эмбрионов Flectonotus pygmaeus. Эмбрионы инкубируются в течение 20 дней (тогда как у С. riobambae 3-4 месяца), и еще через 11 дней головастики превращаются в лягушек (у С. riobambae через несколько месяцев). Ускоренное развитие, вероятно, требует больших накоплений рРНК. Возможно, род Flectonotus ведет свое происхождение от типичных вынашивающих икру видов, у которых эмбриональное развитие замедлено и уровень амплификации рибосомальных генов понижен. Эволюция в сторону ускорения развития, по-видимому, обусловлена малыми размерами и соответственно меньшей продолжительностью жизниFlectonotus. Эволюционным ответом на необходимость большого количества рРНК в ооцитах было увеличение числа ядер, каждое из которых обладает ограниченными возможностями для амплификации рибосомальных генов. Этот путь действительно эффективен, в чем Г. Макгрегор из Лестерского университета и я убедились, измерив общий уровень амплификации.
Оказалось, что среди вынашивающих икру квакш, в отличие от других животных, многоядерные ооциты довольно обычное явление: мы обнаружили их у 14 из 36 изученных видов. Вероятно, в каждом случае эта адаптация возникла в ответ на давление факторов внешней среды, благоприятствовавшее ускоренному эмбриональному развитию. С многоядерностью ооцитов связан ряд вопросов. В частности, по мере развития ооцита в яичнике число ядер в нем неуклонно падает, до тех пор, пока не остается только одно, которое при оплодотворении сливается с ядром сперматозоида. Каким образом отбирается единственное ядро среди тысяч других?
Развивается ли яйцеклетка сумчатой квакши из одноядерного ооцита или из многоядерного, в любом случае она обладает определенными структурными и молекулярными особенностями. Вполне возможно поэтому, что развитие эмбриона, а именно картина деления и перемещения клеток после оплодотворения яйцеклетки и переноса ее в сумку, также своеобразно. Изучая эмбриональное развитие у Gastrotheca, мы с Р. Элинсоном из Торонтского университета нашли сходство скорее с птицами и рептилиями, чем с обычными лягушками.
Так, необычна гаструляция, когда первичный эмбрион впячивается и клетки с одной стороны сферы перемещаются, выстилая образовавшуюся полость — первичную кишку. У большинства лягушек эта полость имеется на протяжении почти всей стадии гаструлы, т.е. происходящие изменения затрагивают весь эмбрион в целом. У птиц и рептилий большое количество желтка ограничивает гаструляцию. Только небольшой диск из клеток на одном из полюсов яйца принимает участие в образовании первичной кишки, и только эти клетки формируют тело будущего животного. Остальная часть эмбриона представляет собой массу желтка, являющегося запасом питательных веществ для эмбриона.
Элинсон и я обнаружили, что у вынашивающих икру квакш, так же как и у других лягушек, в гаструляции принимает участие весь эмбрион. Начиная с одного конца, мелкие клетки, содержащие мало желтка, образуют по кругу новый слой клеток. Впячивание в этом случае, однако, ограничено и образующаяся первичная кишка имеет вид маленькой полости на одном конце эмбриона. Только диск клеток, окружающих маленький первичный кишечник, принимает непосредственное участие в последующем эмбриональном развитии. Эмбрион развивается на одной стороне большой желточной массы, подобно тому как это происходит у птиц и рептилий.
Сотни миллионов лет эволюции отделяют сумчатых квакш от полностью наземных животных млекопитающих, птиц и рептилий, с которыми я их сравнивала. Тем не менее эти лягушки имеют много сходных с ними адаптаций к сухопутному размножению. Интересно порассуждать об эволюционном будущем вынашивающих икру квакш. Могут ли они в будущем дать совершенно новый класс наземных позвоночных? Это было уже не первый раз, когда амфибии овладели сушей: и млекопитающие, и птицы, и рептилии произошли от древних амфибий.
Но гораздо вероятнее, по меньшей мере для многих вынашивающих икру квакш, что их эволюционные превращения окончены. Исчезают тропические леса, в которых они обитают, а с лесами — многие удивительные существа, населяющие их. Наименее изученные виды сумчатых квакш могут исчезнуть раньше, чем удастся раскрыть все их секреты.