Давно известно, что некоторые виды животных могут скрещиваться друг с другом. Волки и собаки достаточно близки, чтобы не только производить общее потомство, но и иметь общих внуков и правнуков. Лошадь и осел тоже способны стать родителями одного детеныша, но их потомок, мул или лошак, почти всегда оказывается бесплодным. А вот у бегемота и носорога, несмотря на некоторое внешнее сходство, внушительные размеры и четыре ноги, никаких шансов на совместное потомство нет.
Так что же должно совпасть у двух видов животных, чтобы из встречи двух геномов получилось жизнеспособное потомство?
Скрещивание в мире растений и животных
Для начала разберемся с определениями. Гибридом называют организм, появившийся в результате скрещивания генетически различающихся организмов. Гибридизация бывает и внутри одного вида – например, между разными породами или популяциями, но особенно интересна гибридизация между видами, когда родителями становятся представители не только разных видов, но и разных родов. Именно о таких гибридах и пойдет речь дальше.
В растительном мире гибридизация особенно распространена и играет огромную роль в эволюции. Представители близких видов растений нередко скрещиваются, а получившиеся гибриды в некоторых случаях способны размножаться и передавать смешанный набор генов следующим поколениям. У животных подобное происходит значительно реже. Впрочем, современные генетические исследования показали, что скрещивания между видами животных происходят все же чаще, чем считалось раньше. Просто далеко не всякая такая встреча заканчивается появлением жизнеспособного и тем более плодовитого потомства.
Общая ветка на древе эволюции
Первое и самое очевидное условие успешной гибридизации – близкое эволюционное родство. Чем меньше времени прошло с тех пор, как два вида имели общего предка, тем больше сходства обычно сохраняется между их геномами и репродуктивными системами. Например, генетическая дивергенция волка и собаки произошла всего 20 000—40 000 лет назад, и именно поэтому собака может скрещиваться с волком. Более того, собаки также способны скрещиваться с койотами и шакалами – другими представителями рода Canis.
А бегемот и носорог – совсем другое дело. Внешне они могут показаться животными примерно одного типа: крупные, толстокожие, живут рядом в теплых странах. Но их эволюционные дороги разошлись очень давно. Носороги относятся к непарнокопытным и являются родственниками лошадей и тапиров, а ближайшие современные родственники бегемотов – китообразные. Внешнее сходство ничего не говорит о генетической совместимости.
Честный раздел хромосом
Но одного родства недостаточно. Следующий барьер находится уже непосредственно в клетке – это хромосомный набор. Каждый вид обладает определенным числом и строением хромосом. При обычном делении клетки это не представляет особой проблемы, но при образовании яйцеклеток и сперматозоидов начинается мейоз: соответствующие хромосомы должны найти друг друга, образовать пары, обменяться участками и затем аккуратно разойтись по будущим половым клеткам. У собак и волков по 78 хромосом, причем их хромосомные наборы достаточно хорошо соответствуют друг другу. Поэтому у волкособа мейоз может проходить нормально и он способен производить полноценные половые клетки. У лошади 64 хромосомы, у осла – 62, а их гибрид получает 63. Самому мулу этот нечетный комплект жить обычно не мешает: он может быть совершенно здоровым, сильным и долгоживущим животным. Проблемы начинаются, когда приходит его очередь производить половые клетки. Хромосомам трудно правильно разбиться на пары и разойтись, поэтому нормальные яйцеклетки или сперматозоиды почти не образуются. Именно поэтому мулы практически всегда бесплодны. Исключения чрезвычайно редки и известны главным образом среди самок.
Однако было бы заманчиво вывести простое правило: «одинаковое число хромосом – можно скрещиваться, разное – нельзя». Увы, природа опять отказывается быть настолько удобной. Важно не только сколько хромосом имеется, но и как они устроены. У близких видов отдельные хромосомы могут сливаться, разделяться, менять расположение больших участков. Поэтому одинаковое число хромосом вовсе не гарантирует совместимости, а различное – не всегда делает появление гибрида невозможным. Мул с его 63 хромосомами – как раз прекрасное доказательство последнего: гибрид родился и прекрасно живет, просто дальше передать смешанный геном ему чрезвычайно трудно.
Совместимость самих генов
Геном – не набор независимых инструкций, которые можно без последствий перемешать пополам. Тысячи генов работают совместно: продукты одних генов взаимодействуют с продуктами других, одни гены включают и выключают другие, а вся эта система должна с невероятной точностью управлять развитием организма от одной оплодотворенной клетки до взрослого животного. Если виды достаточно близки, их «инструкции» довольно похожи и могут работать вместе. Но по мере независимой эволюции в каждом виде накапливаются изменения. Каждое из них прекрасно работает в собственном генетическом окружении, однако при встрече двух разошедшихся геномов некоторые сочетания оказываются несовместимыми. Это называют генетической несовместимостью. В результате гибридный эмбрион может развиваться неправильно, погибнуть еще до рождения или вырасти здоровым, но оказаться бесплодным.
Причем проблемы иногда затрагивают один пол сильнее другого. У многих гибридов млекопитающих первыми теряют плодовитость самцы. Это частный случай так называемого правила Холдейна: у гибридов чаще страдает пол с двумя разными половыми хромосомами – у млекопитающих это самцы XY, а, например, у птиц, наоборот, самки ZW. Это одна из причин, почему граница между «виды свободно скрещиваются» и «скрещивание невозможно» оказывается не линией, а целой полосой промежуточных состояний.
Все дело в физиологии
Но даже генетически достаточно близким животным нужно преодолеть еще один барьер – физиологический. Чтобы появился гибрид, мало совместимых хромосом. Сначала сперматозоид одного вида должен суметь оплодотворить яйцеклетку другого. Затем оплодотворенная яйцеклетка должна правильно делиться, эмбрион – развиваться, а у млекопитающих ему необходимо еще и наладить сложнейшее взаимодействие с организмом матери.
И здесь важно, кто именно является матерью, а кто отцом. Межвидовые скрещивания не всегда дают одинаковый результат в обоих направлениях. Например, потомок жеребца и ослицы – лошак, а осла и кобылы – мул. У больших кошек известны еще более заметные различия: потомство льва и тигрицы, лигры, обычно значительно крупнее потомства тигра и львицы – тигонов. Среди причин таких различий: особенности внутриутробного развития и геномного импринтинга: некоторые гены работают по-разному в зависимости от того, получены они от матери или от отца.
А еще они могут просто не встретиться
Наконец, остается условие, которое находится уже не внутри организма, а вокруг самого животного. Два вида могут быть генетически способны дать потомство – и при этом никогда этого не делать.
Чтобы произошла естественная гибридизация, животные должны прежде всего встретиться. Их ареалы должны пересекаться, сезоны размножения совпадать, а представители двух видов – распознавать друг друга как возможных половых партнеров. Если один вид размножается весной, а другой осенью, генетическая совместимость им не поможет. Не поможет она и двум птицам, у которых совершенно разные брачные песни и ритуалы: самка просто не воспримет самца другого вида как потенциального партнера.
Такие препятствия называют презиготическими репродуктивными барьерами – они действуют еще до оплодотворения. К ним относятся географическая и экологическая изоляция, различия во времени размножения, поведении и устройстве половых органов. А несовместимость геномов, гибель эмбрионов и стерильность уже родившихся гибридов относятся к постзиготическим барьерам – тем, которые вступают в действие после оплодотворения.
Получается, что между двумя видами стоит не одна непроницаемая стена, а целая система ворот. Сначала нужно встретиться и признать друг друга подходящими партнерами. Затем должны оказаться совместимыми половые клетки. После этого – хромосомы и гены. Эмбрион должен успешно развиться и родиться. И даже если все это удалось, остается последний вопрос: сможет ли уже сам гибрид оставить потомство?
Поэтому между волкособом и невозможным «носорогобегемотом» существует множество промежуточных вариантов. Граница между видами в природе вовсе не всегда непроницаема, и иногда через нее проходят не только отдельные гибридные животные, но и гены одного вида в геном другого.
Вам было интересно узнать что-то новое о мире животных?
Хотите узнать больше?
Приходите в Дарвиновский музей и подписывайтесь на наш канал!