§37–38. Способы клонирования организмов животных
Цель изучения этой темы: объяснить способы клонирования организмов животных.
Что такое почкование, фрагментация (стробиляция)? Для каких организмов характерны такие способы размножения? Как происходит оплодотворение у лягушек? Где развиваются оплодотворенные яйцеклетки? Что такое тотипотентность? Обладают ли ею соматические клетки животных организмов? Что такое дробление с точки зрения эмбриологии?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 62 – учебник для 7 класса; § 58 – учебник для 8 класса.
Природные способы клонирования животных. Как вы помните, в природе существуют естественные способы клонирования животных при бесполом размножении. Это почкование, фрагментация, или стробиляция.
Почкование характерно для кишечнополостных гидроидных (гидра) или сцифоидных (полип ушастой медузы) полипов. Также почкуются и одноклеточные грибы – дрожжи. При почковании на теле взрослого (многоклеточного) организма обособляются соматические клетки, которые начинают размножаться быстрее, чем окружающие их клетки. Через короткое время они образуют «узелок» или «пузырек», состоящий из быстро делящихся клеток. Это будущая «почка». Постепенно увеличиваясь, возникшая «почка» приобретает черты, характерные для взрослого организма этого вида. Так у гидр появляются щупальца и прорывается ротовое отверстие, ведущее в гастральную полость. Когда дочерний организм становится достаточно большим, он «отпочковывается», т. е. отделяется от материнского и переходит к самостоятельному образу жизни.
Фрагментация, или стробиляция, характерна для таких беспозвоночных животных, как плоские (планарии) и кольчатые (нереиды) черви, иглокожие (морские звезды) и некоторые другие. При этом способе размножения взрослая особь «готовится» к разделению таким образом, чтобы в каждой части тела сформировались органы и ткани, обеспечивающие жизнь. Затем тело целого организма распадается на части, каждая из которых становится самостоятельным существом. Так у разных видов червей может происходить поперечное деление от 2 до 16 (!) частей. Тело полипа у ушастой медузы тоже распадается на большое число поперечных плоских фрагментов, называемых эфирами. После интенсивного деления клеток организма эфиры наращивают купол и превращаются в молодую медузу.
Следует, однако, помнить, что позвоночные животные никогда не размножаются способами, похожими на вегетативное размножение растений. Следовательно, в естественных биологических условиях у позвоночных не могут формироваться клоны.
Вегетативное размножение, характерное для растений, также не редкость и у представителей царства грибов. Ситуация, когда грибы размножаются кусочками тела или слоевища, возможна у многих видов грибов (плесневых, паразитических и др.). Таким способом размножаются и симбиотические организмы, в составе которых есть клетки грибов и (или) низших растений, и (или) бактерий. Это лишайники, чайный гриб (организм, с помощью которого получают популярные в некоторых странах напитки).
Современные методы клонирования животных организмов берут свое начало не с клонирования в 1996 г. овечки Долли, а с 1962 г. Именно тогда профессор зоологии Оксфордского университета Джон Гордон (Гёрдон) впервые клонировал позвоночное животное – лягушку. Была взята яйцеклетка лягушки – икринка. Ее ядро было разрушено дозированным воздействием ультрафиолетового излучения. Затем с помощью микроиглы её цитоплазму было введено ядро соматической клетки. Небольшое воз- действие на оболочку этой, ставшей диплоидной, клетки привело к тому, что она начала дробиться. В результате эмбриогенеза из такой «конструкции», содержащей соматическое ядро и протопласт яйцеклетки, развился полноценный организм лягушки. Это и был первый процесс искусственного клонирования высшего (позвоночного) животного организма.
Следует отметить, что лягушки, как и другие земноводные, представляют собой идеальный объект для манипуляций с яйцеклетками. Начнем с того, что они «открыты», т. е. не находятся ни под оболочками, ни в яйце, ни в теле самки. Именно по этой причине икринки земноводных были широко использованы для экспериментов по эмбриологии в ХIХ–ХХ вв. Более того, сама икра легко переходит в состояние дробления. Достаточно было проколоть оболочку гаплоидной неоплодотворенной яйцеклетки лягушки стерильной микроиглой, и она переходила к быстрому митозу, т. е. начинала дробиться. Но нужно сказать, что гаплоидного набора хромосом явно не хватало для формирования нормального организма, и поэтому из такого неполноценного зародыша организм обычной здоровой лягушки ни разу не сформировался. Такой «зародыш» всегда погибал (на разных стадиях эмбрионального развития).
Что доказали эксперименты Гордона? Самое важное, экспериментально было подтверждено, что тотипотентность характерна как для соматических растительных клеток, так и для животных. Ученые, занимавшиеся данными вопросами, всегда были уверены в следующих положениях:
1) в диплоидных соматических клетках организмов всех животных (включая высших млекопитающих и человека) содержатся все необходимые компоненты наследственности;
2) имеющиеся в соматических клетках животных наследственные компоненты могут полностью обеспечить развитие полноценного взрослого организма;
3) теоретически из одной клетки тела (соматической) можно клонировать организм любого животного, в том числе и высшего.
Все эти теоретические положения после работ Гордона и других исследователей получили практическое экспериментальное подтверждение.
Как клонировали Долли: история рождения и жизни самой знаменитой овцы. Как вам известно из заданий к § 35, до овечки Долли были получены мышка Машка и овцы Меган и Морган. Почему же их появление не стало такой сенсацией, как появление Долли? Дело в том, что для выращивания «предшественников» Долли были использованы клетки (или ядра) эмбриона, а не соматические клетки.
Что же касается процесса первого, признанного настоящим, акта клонирования животных, произведенного в 1996 г., то для этого использовалось целых три овцы (рис. 38).
Генетической матерью Долли стало животное из породы беломордых овец, выведенных в Англии. К моменту эксперимента по клонированию она умерла. Из ее организма были взяты клетки вымени. Причем ученые извлекли сразу большое количество клеток, часть из которых была подвергнута криоконсервации. Клетку, из которой впоследствии появится Долли, поместили в стерильные лабораторные условия, на питательную среду.
Второй овцой, задействованной в эксперименте, стало животное другой породы, с черной мордой. У этой черномордой овцы была извлечена яйцеклетка. Затем исследователи с помощью микроиглы удалили из яйцеклетки ядро. Так женская гамета стала безъядерной клеткой, содержащей цитоплазму и все органоиды зрелого яйца. После этого ученые произвели слияние клетки молочной железы и подготовленного ооцита. Причем, чтобы успешно осуществить процедуру слияния двух этих клеток, применили метод электропорации (воздействие электричеством), позволяющий «раздвинуть» фосфолипидный слой мембраны яйцеклетки. В результате образовалась клетка, содержавшая диплоидное ядро с хромосомами соматической клетки молочной железы, с цитоплазмой от двух клеток – яйцеклетки и клетки вымени. Такая своего рода «скомбинированная зигота» и стала первой клеткой зародыша, из которого в дальнейшем развился организм овечки Долли.
Ученые выждали небольшое количество времени, чтобы убедиться, что клетки эмбриона стали размножаться митозом, началось формирование бластулы. И тут пришло время задействовать в эксперименте третью овцу – суррогатную мать. Овца, в тело которой имплантировали эмбрион, тоже была из породы с черной мордой. После благополучно завершившейся беременности она родила беломордого ягненка (Долли), внешне похожего на свою генетическую мать.
Успешное рождение первого клонированного животного произошло в 1996 г. Исследователи ждали, не погибнет ли Долли, сможет ли она нормально развиваться? И когда уверенность в этом появилась, тогда об этой новости в 1997 г. заявили мировой научной общественности.
Рис. 38. Клонирование животных – этапы первого успешного эксперимента
I – генетическая мать Долли – овца с белой мордой;
II – овца с черной мордой, ставшая донором яйцеклетки (Долли достались ее цитоплазма и митохондрии);
III – суррогатная мать Долли, выносившая эмбрион и родившая «самую знаменитую в мире овечку». Как и донор яйцеклетки из породы с черной мордой;
IV – сама овечка Долли. Как видите, родившийся ягненок внешне похож на свою генетическую мать;
1 – взятые у генетической матери диплоидные соматические клетки молочной железы (вымени);
2 – очистка и обеззараживание взятых клеток;
3 – часть клеток сохраняется в жидком азоте, подвергается криоконсервации, чтобы потом использоваться (см. рис. 39);
4 – подготовленная соматическая клетка;
5 – зрелая гаплоидная яйцеклетка – ооцит, полученная от овцы II;
6 – извлечение ядра из яйцеклетки микроиглой;
7 – ооцит, подготовленный к слиянию;
8 – слияние соматической диплоидной клетки вымени и ооцита;
А – митохондрии генетической беломордой матери;
Б – митохондрии донора яйцеклетки (черномордой овцы);
9 – образование зиготы;
10 – начало процесса дробления – формирование зародыша;
11 – ранняя стадия развития зародыша, на которой ее решено было имплантировать суррогатной черномордой матери;
12 – имплантация зародыша.
Долли прожила как обычная овца более шести лет. Овцы этой породы, появившиеся на свет естественным путем, обычно живут около 10–12 лет. За все это время она родила шесть здоровых ягнят. На пятом году жизни у Долли развился артрит, к которому примерно через год добавилось инфекционное заболевание. Когда усилия ветеринаров не дали быстрого успешного результата, было решено усыпить Долли. С тех самых пор среди ученых ведутся споры, была ли относительно короткая жизнь Долли результатом клонирования? Сказалась ли на ее здоровье возможная генетическая неполноценность? Четких доказательств в пользу одного мнения по этому вопросу нет. Часть исследователей предполагает, что Долли всю свою жизнь жила в слишком «искусственных» условиях, и из-за малоподвижного образа жизни у овцы развился артрит. Как бы то ни было, в 2007 г. Долли «вернулась» в виде четырех новых овец (рис. 39). Дело в том, что наука не стоит на месте, а технические средства, биохимические препараты и сами технологии совершенствуются. Ученые того же исследовательского центра взялись снова клонировать овец из клеток той же молочной железы «генетической матери», из которой получили Долли. Ткани вымени все это время хранились в замороженном виде (с соблюдением всех норм криоконсервации). На этот раз для удачного получения каждой овцы хватило всего 5 яйцеклеток, вместо 277, потраченных на Долли. Это в первую очередь говорит о совершенствовании процесса технологии клонирования.
По данным популярной прессы, овечки – сестры Долли – Дэнис, Дебби, Диана и Дейзи прожили более десяти лет (рис. 39). Никаких проблем со здоровьем у них не наблюдалось. Более поздние данные пока отсутствуют.
Рис. 39. Дэнис, Дебби, Диана, Дейзи
Дальнейшие успехи клонирования животных. С тех пор как клонировали овечку Долли, прошло уже более 20 лет. За это время были клонированы животные многих видов. Все успешные и провальные попытки по клонированию животных можно поделить на три большие группы в зависимости от того, какие цели ставили перед собой исследователи. Рассмотрим каждую из них подробнее.
Клонирование редких и исчезающих видов животных – это попытка сохранить биоразнообразие нашей планеты. Такие исследования важны, поскольку до сих пор многие клоны, включая саму Долли, были получены из криоконсервированных тканей уже умерших животных, а не из «свежих» образцов. Была сделана успешная попытка клонирования исчезающего вида индокитайского быка Бантенга специалистами американской компании «Передовые клеточные технологии» в 2003 г. В качестве материнских были взяты клетки животного, замороженного и пролежавшего на хранении 23 года. В качестве «суррогатной матери» использовали корову. Из двух клонированных бычков один оказался с отклонениями в развитии. Удачной стала только одна попытка. Учитывая, что сейчас особей этого вида существует около 8000, возможно, их размножение естественным путем выглядит более перспективным.
Японские ученые не оставляют надежду клонировать мамонта. Они надеются найти подходящие соматические клетки мамонтов (и мамонтят), сохранившиеся в условиях вечной мерзлоты. Иногда их тела находят в сибирской тундре.
Клонирование хозяйственно ценных животных. Такую задачу ставит перед учеными-экспериментаторами селекция. Положительный опыт работ, ведущихся в этом направлении, в мировой практике есть. Так, в частности, было заявлено об успешных результатах китайской науки. Ученые клонировали самых лучших собак, «работников» таможенной службы. Это были лабрадоры и ретриверы с наиболее тонким нюхом.
Клонирование животных ради отработки самой процедуры, чтобы сделать ее более надежной и успешной, ведется сейчас во многих лабораториях по всему миру.
Возможные перспективы клонирования человека имеют как морально-этические, так и законодательные ограничения. Однако сам вопрос клонирования человека занимал умы сначала писателей-фантастов, затем ученых, а потом и медиков. Сразу следует оговориться, что в некоторых странах эксперименты по клонированию человека запрещены законодательно. Это сделано не только по этическим и юридическим соображениям, но и из соображений безопасности. Ведь если сколь-нибудь значительные эксперименты в этом направлении не проводились, значит, нет гарантий благополучного результата.
Однако уже сегодня есть отдельные личности, которые заявили об успешном клонировании ими человека. Это эмбриолог Северио Антинори, который утверждал, что якобы в 2003 г. ему удалось успешно клонировать трех детей – двух мальчиков и одну девочку, которые были якобы благополучно рождены суррогатными матерями.
Гражданин США кипрского происхождения Панайотис Завос заявил, что перенес в тела четырех суррогатных матерей одиннадцать человеческих эмбрионов, полученных методом клонирования. Но никаких доказательств этого представлено не было. По словам самого Завоса, ни одна беременность благополучно не окончилась.
Подобные бездоказательные заявления не внушают доверия. По мнению большинства исследователей и практических врачей, эти заявления являются способом самопиара. Цель таких заявлений – привлечение средств (финансирование) для личных исследований (возможно, изначально провальных).
В клонировании человека ученые четко выделяют две формы клонирования: полное клонирование и так называемое терапевтическоеклонирование.
О перспективах полного клонирования говорить сложно, так как оно обязательно предполагает, что «родителем» такого организма будет только один человек, а не два. При этом если организм, используемый для клонирования, – мужчина, то обязательно наличие суррогатной матери. Все это сопряжено с этическими и юридическими проблемами.
В то же время терапевтическое клонирование предполагает выращивание клеток, тканей или целых органов, но не целого организма. Во многих развитых странах используются отдельные технологии выращивания культуры клеток. Так в Израиле широко применяют методику выращивания эпидермиса кожи для пересадки пострадавшим от ожогов. Также было заявлено об успешных экспериментах по выращиванию фрагментов глаза из клеток пациентов, нуждающихся в восстановлении зрения.
В перспективе ученые предполагают, что методики терапевтического клонирования человека позволят получать подобие эмбриональных стволовых клеток с генетическим материалом пациента – того же человека, который нуждается в клеточной терапии. Возможно, отработка именно этой технологии позволит получать «материал» для восстановления поврежденных тканей и органов взрослого организма с идеальной генетической совместимостью. Успешное развитие данных технологий могло бы полностью решить все проблемы, связанные с дефицитом донорских органов.
Природные способы клонирования: почкование, фрагментация, или стробиляция; клонирование полное и терапевтическое, клонирование редких и исчезающих видов и хозяйственно-ценных животных.
Знание и понимание
1. Опишите виды естественных способов клонирования животных и растений.
2. Назовите виды животных, которые в процессе клонирования формируют купол.
Применение
1. Какое ископаемое животное давно пытаются клонировать японские ученые?
2. Сравните, как может отличаться процесс фрагментации у разных типов беспозвоночных.
3. Назовите причины, по которым часть соматических клеток организма начинает размножаться быстрее остальных клеток тела.
Анализ
1. Изобразите в виде схемы этапы клонирования животных.
2. Приведите факты успешного клонирования животного.
3. Выскажите ваше мнение о причинах, почему ученые решили клонировать новых овечек после смерти Долли. К каким результатам это привело? Какой материал для клонирования использовали ученые? Удалось ли им добиться целей, ради которых производились эти манипуляции?
Синтез
1. Можно ли с уверенностью сказать, что следующие выражения верны?
– Все организмы, образующиеся в природе путем бесполого размножения, – это клоны.
– Все организмы-клоны образуются в природе только путем бесполого размножения.
Приведите аргументы «ЗА» и «ПРОТИВ» этих точек зрения. Какая из них кажется вам менее верной?
2. Обсудите следующее предположение: «В ближайшем будущем людям удалось отработать абсолютно успешную методику клонирования животных. 1) Будет получено и выращено до взрослого состояния большинство доисторических животных, живших на заре появления человечества (а возможно и до него); 2) также возродили все виды, занесенные в Красную книгу, и восстановили их численность».
Оцените, не приведет ли такое развитие событий к негативным последствиям. Если удастся совместить эти достижения науки и практики с созданием идеальных высокопродуктивных сельскохозяйственных животных, несущих в себе только положительные качества, оцените возможные экономические, экологические и технические изменения. Стоит ли человечеству воссоздавать такое биоразнообразие при исчерпывающихся научных, финансовых и технических возможностях?
3. Порассуждайте, как могли бы развиваться перспективы полного и терапевтического клонирования человека.
Оценка
1. Оцените, какой метод клонирования человека более реализуем и выгоден на сегодняшнем этапе развития науки, технологий, морали и юриспруденции. Будет ли этично с позиций морали и религии создавать клонированные копии ныне живущих людей, рожденных другими родителями (не теми, от кого они получили ДНК мужчины и женщины)? Какое будущее может ожидать человечество в этом случае?
2. Обсудите и оцените высказывание Панайотиса Завоса: «Нет никаких сомнений в том, что клон человека скоро появится. Возможно, его создам не я, но нет абсолютно никаких шансов, что этого не произойдет».