Поняття ознаки у генетиці поведінки.

Генетична мінливість особин у популяції може проявлятися за величезною кількістю ознак, у тому числі й поведінкових. Для успішного проведення дослідів з генетики поведінки необхідно підібрати відповідні поведінкові ознаки. Це непросте завдання.

Учені досліджували найрізноманітніші поведінкові ознаки в різних видів тварин: схильність до судом, загальну збудливість, локомоторну активність, орієнтовно-дослідницькі реакції, різні аспекти репродуктивної поведінки, класичні та інструментальні умовні реакції, реактивність до фармакологічних речовин.

Для зручності організації наукових досліджень поведінкові ознаки розділили на групи відповідно до фізіологічних функцій, що лежать у їхній основі (Рис. 1.20).

 

 

 

Рис.1.20. Класифікація поведінкових ознак відповідно до фізіологічних функцій, що лежать у їхній основі.

 

Поділ поведінки на моторні, сенсорні, емоційні, соціальні та «інтелектуальні» компоненти є багато в чому умовним, але необхідним для диференціювання їх один від одного. Реально, ці поведінкові патерни представляють перетинні множини, де в кожній присутні компоненти всіх інших.

У експерименті попереднє тестування моторних і сенсорних функцій дозволяє уникнути недостовірних позитивних і негативних результатів при пред'явленні більш складних поведінкових завдань. Наприклад, при проведенні експериментів з навчання в завданнях використовуються сенсорні стимули, а в їхньому виконанні бере участь моторика.

Для успішного проведення експериментів з генетиці поведінки необхідно підібрати відповідну ознаку – «одиницю поведінки». У якості таких «одиниць» генетика поведінки запозичила з етології комплекси фіксованих дій (КФД), які являють собою складні стереотипні рухи, що утворюють високоорганізовану послідовність.

Термін КФД з'явився завдяки Конраду Лоренцу, який вважав, що основу поведінки, тобто його базові одиниці, становлять специфічні для кожного виду тварин рухи, форма яких є постійною, закріпленою генетично. Ці рухи він назвав «інстинктивними діями», або «спадковими координаціями» (Erbkoordinationen – нім.,), і саме останній термін, переведений Ніко Тінбергеном англійською як «fixed action pattern» (українською буквально – фіксована форма дії), з 50-х років, закріпився в етології для їх позначення. У російськомовній літературі даний термін також переводили як «комплекси фіксованих дій» (КФД) або «фіксовані комплекси дій» (ФКД).

Комплекси фіксованих дій виявились зручними для вивчення завдяки своєму чіткому вираженню та стійкості. Генетична мінливість відбивається не на «малюнку», або патерні (pattern), КФД, а переважно на частоті його виконання та порогах активації у тих чи інших умовах, тобто на їх просторово-часових характеристиках, що цілком піддається точному, кількісному вимірюванню.

Спадкування видоспецифічних особливостей виконання КФД можна аналізувати, вивчаючи поведінку гібридів першого покоління від схрещування особин батьківських видів, у яких ця поведінка чітко розрізняється, а також в особин з локальними мутаціями, що впливають на цю ознаку.

Серед прикладів КФД, генетика яких хоч якоюсь мірою вивчена, можна відзначити, наприклад, гніздобудівну поведінку різних видів папуг–нерозлучників, материнську поведінку (підтаскування дитинчати до гнізда) у мишей відселектованих ліній та інші поведінкові ознаки.

 

Рис. 1.21.а. Приклади «одиниць поведінки» – комплексів фіксованих дій. Бджола, що будує стільники.

Рис.1.21.б. Приклади «одиниць поведінки» – комплексів фіксованих дій. Випрошування їжі зозуленям.

 

Як правило, для дослідження ролі генотипу у формуванні поведінки вчені вибирають або ті ознаки, що легко піддаються кількісному обліку, або ті, які легко виміряти за ступенем виразності.

Яким же чином ці ознаки пов'язані з генотипом?

Коли у 30-х роках сформувалася феногенетика – напрямок, що аналізує шляхи й правила становлення ознаки в онтогенезі, то, в межах цього напрямку, були встановлені наступні принципи:

ü кожний ген впливає на всі ознаки організму, хоча його вплив на деякі з них може бути незначним;

ü будь-яка ознака організму залежить від усього генотипу в цілому.

Було показано, що вплив генів на ознаки може бути безпосереднім або опосередкованим. Деякі ознаки, наприклад первинна структура білка, визначаються послідовністю нуклеотидів даного гена. Інші ознаки, більш віддалені від первинного ефекту гена, як правило, перебувають під впливом численних генів. Поведінкові ознаки, як правило, пов'язані з функцією конкретних генів не прямо, а опосередковано.

Якщо ознака віддалена від первинного ефекту гена кількома «ярусами» біохімічних процесів, то виявляється вплив даного гена не тільки на досліджувану ознаку, але й на багато інших ознак будови, функцій і поведінкових реакцій організму. Це явище називається плейотропією.

Плейотропія (від грецьк. «рleion» – більш численний, більший і «tropos» – поворот, напрямок) – множинна дія гена, здатність одного гена впливати одночасно на кілька різних ознак організму.

Було показано, що прояв гена може бути різноманітним і практично всім добре вивченим генам властива плейотропія. Наприклад, гени, що визначають забарвлення шерсті в домової миші, впливають також на розміри тіла тварини; ген, що впливає на пігментацію ока харчової (чи борошняної) молі (Ephestia kuehniella; рос. – мельничная огнёвка), має ще десять морфологічних і фізіологічних проявів. У лабораторних мишей, що мають мутацію brindled, відзначаються «кучеряві» вібриси, «послаблене» забарвлення шерсті, тремор, а також низка інших аномалій. Ці прояви мутантного гена є наслідком порушень у засвоєнні міді – мікроелемента, необхідного для багатьох біохімічних реакцій.

Плейотропія часто поширюється на ознаки, що мають еволюційне значення, – плодючість, тривалість життя, життєздатність. Плейотропія свідчить про взаємозв'язок процесів клітинного метаболізму та біохімічних механізмів онтогенезу, про наявність між первинною дією гена і його проявом у фенотипі багатьох проміжних ланок, на які можуть впливати інші гени та фактори зовнішнього середовища.

Класичним прикладом плейотропії, пов'язаним з поведінковими ознаками дрозофіли, э вперше виявлений А. Стертевантом у 1915 році та докладно описаний у 1956 році М. Бесток вплив мутації yellow на рівень статевої активності імаго. Широко відомі також численні плейотропні ефекти мутації альбінізму (порушення гостроти зору, специфічні особливості морфології зорових шляхів), що виявляються не тільки в лабораторних мишей і щурів, але й у багатьох інших видів тварин і, навіть, у людини. До плейотропних ефектів належать множинні відхилення від норми в розвитку мозку мишей при неврологічних мутаціях.

Для кількісного опису неоднозначної відповідності фенотипу та генотипу видатний генетик М.В. Тимофєєв-Рєсовський увів поняття експресивності та пенетрантности.

Експресивністю називається ступінь виразності розглянутої ознаки в організмів з однаковим генотипом. Іншими словами експресивність – це ступінь фенотипового прояву ефектів певного гена в різних генетично подібних між собою особин. Експресивністю характеризується конкретна особина. Наприклад, у дрозофіл з генотипом eyeless (безокі) зменшене число очних фасеток, але абсолютне число фасеток варіює від 0 до 50% від норми, яка становить 779 фасеток. Тоді експресивність при повній відсутності фасеток в особини дорівнює 100%, а в особини із числом фасеток, зменшеним у два рази, – 50%.

Рис. 1.22. Мутація eyeless у Drosophila melanogaster

а, а' – нормальні очі; b, b' – зовсім безока форма; с, с' – проміжне вираження ознаки.

 

В основі відмінностей експресивності може лежати багато причин, зокрема вплив факторів середовища або генетичного тла. Якщо експресивність дуже мінлива (аж до відсутності прояву ознаки в окремих особин), тоді вводиться додаткова характеристика прояву дії гена – пенетрантність (частота прояву певного гена в різних особин групи споріднених організмів).

Пенетрантністю називається відношення числа особин, у яких проявляється дана ознака, до загального числа особин з даним генотипом.

Пенетрантністю характеризується ознака в однорідній групі особин. При повній пенетрантності (100%) мутантний ген проявляє свою дію у всіх особин, що мають його, а при неповній – лише в деяких. Наприклад, у дрозофіли домінантна мутація Lobe (L) викликає зменшення розміру око, однак ця ознака проявляється тільки в 75% особин; в інших 25% імаго-носіїв алелю L – очі нормальні. Отже пенетрантність алелю L дорівнює 75%.

Експресивність і пенетрантність часто залежать від умов середовища, у якому розвивається організм: освітлення, температури або вологості.

Прикладом мінливості ознак поведінки, які пов'язані з експресивністю та пенетрантністю, можуть бути кількісні варіації прояву фіксованого комплексу дій (ФКД) дослідницької активності, харчової поведінки, інтенсивності ФКД репродуктивної поведінки, які можна спостерігати у тварин ідентичних генотипів, наприклад у мишей і щурів інбредних ліній.

Мінливість ознак поведінки у лабораторних ліній визначається дуже великою кількістю факторів. Наприклад, вплив сусідства родичів у житловій клітці. Оскільки лабораторні миші та щури належать до видів, що живуть в угрупованнях, ізоляція окремої тварини викликає потужні зміни нейрохимічних процесів у її організмі, а також зміну поведінки. У той же час, утримання тварин групою виявляє відмінності, що визначаються положенням особини у внутрішньогруповій ієрархії. Є й інші приклади прояву мінливості поведінки особин з ідентичними генотипами.

До додаткових труднощів при вивченні генетики поведінки призводить і той факт, що багато поведінкових ознак залежать від ряду зовнішніх по відношенню до нервової системи факторів, наприклад від сезону року, або від гормонального тла, що сформувався у певний час в організмі.

Перший етап генетичного дослідження ознак поведінки пов'язаний з оцінкою рівня їх мінливості. Ознаки організму можуть варіювати, виявляючи фенотипову мінливість у межах норми реакції, розмах якої визначений генотипом.

При вивченні поведінкових ознак, генетики зіштовхуються також з мінливістю, що пов'язана із впливом індивідуального досвіду.

Основним матеріалом для робіт в області генетики поведінки є відселектовані та інбредні лінії. Селекція ведеться за широким діапазоном ознак поведінки, що продемонстрували генетичну мінливість: від швидкості проведення нервового збудження в нервово-м'язовому синапсі до високої й низької здатності до навчання. За допомогою селекції формуються лінії, що складаються із тварин, подібних за виразністю досліджуваної поведінкової ознаки, а іноді й за низкою інших ознак, але не завжди отримані лінії будуть характеризуватися генетичною однорідністю. Це утруднює використання їх із метою ідентифікації генів, що впливають на дану ознаку.

У ряді випадків вдається одержати повністю гомозиготних тварин з контрастними, у випадку двох ліній, величинами поведінкової ознаки, яка цікавить дослідників. Але таких ліній небагато. Як приклад можна привести інбредні лінії мишей Short і Long sleep, у яких після гіпногенної дози етанолу розвивається, відповідно, або короткий, або довгий період сну.

Існують лінії мишей, які мають спільне походження та вирощувались в однакових умовах, але поведінкові реакції, які вони демонструють при знаходженні в яскраво-освітленому відкритому просторі, – різні. Ці лінії були отримані в такий спосіб.

У першій серії експериментів дослідники брали групу звичайних польових мишей і поміщали кожну особину по черзі в яскраво-освітлену коробку. У відповідь на ситуацію миші демонстрували найрізноманітніші поведінкові реакції. Деякі особини виявилися досить боягузливими: вони нерухомо сиділи біля стінок. Інші виявилися сміливішими – бродили по коробці, хоча й не відходили далеко від її стінок. Деякі миші орієнтувалися вільно, навіть виходили на середину освітленого поля. За допомогою різних методів дослідники вимірювали рухи кожної особини та відібрали найбільш нерухливих і найбільш активних.

Надалі активних мишей схрещували з активними, а неактивних з неактивними, тобто проводили селекцію у двох протилежних напрямках. Отримане в обох випадках потомство аналогічним образом тестували, відбирали та схрещували. Тобто, від найбільш боягузливих батьків у подальші схрещування брали тільки найбільш неактивних нащадків, а серед нащадків самих хоробрих батьків відбирали найбільш активне потомство. Усього було проведено більше 30 поколінь інбредних схрещувань. З кожним наступним поколінням миші з боягузливої групи ставали усе більше боягузливими, а миші зі сміливої групи усе сміливішими.

Таким чином дослідники одержали дві лінії мишей, що мають спільне походження та були вирощені в однакових умовах, але демонструють різні поведінкові реакції у яскраво-освітленому відкритому полі.

Аби переконатись у відсутності впливу на поведінку мишей неконтрольованих факторів, був проведений додатковий експеримент, що полягав у наступному.

Новонароджених мишей з неактивної лінії поміщали на виховання до самиць з активної лінії і навпаки, а також мишей з обох відселектованих ліній одночасно поміщали на виховання до однієї дорослої самки. При наступному тестуванні миші демонстрували поведінкові реакції, властиві своїй вихідній лінії.

Ці результати свідчать про те, що поведінкові ознаки залежать від спадковості. Боягузтво, як і хоробрість, і ряд інших поведінкових ознак називаються кількісними спадковими ознаками, оскільки фенотипи (спостережувані поведінкові реакції), асоційований з відповідним генотипом, варіюють за вимірюваними кількостями або ступенями.

Кажучи постою мовою, вихідне покоління мишей складалось з особин «не дуже боягузливих», «помірно боягузливих», «досить боягузливих» і інших, з «різним ступенем боягузтва». Якщо ввести якусь розмірність для цієї ознаки (ранжувати його) і побудувати графік, вийде дзвоноподібна крива. Такі ознаки називають ще ознаками з неперервною мінливістю, тому що окремі їхні значення в популяції/лінії змінюються безупинно від одного екстремального значення до іншого.

Серед поведінкових ознак відомі й ознаки іншого типу – ознаки з переривчастою мінливістю або якісні. Вони або присутні в досліджуваного об'єкта, або відсутні. Прикладом такої ознаки в людини може слугувати здатність або нездатність згортати язик у трубочку.

Однак більшість поведінкових ознак все-таки є кількісними.

 

Рис.1.23. Сім з десяти людей, що мають домінантний алель певного гена, здатні згортати язик трубочкою.

 

Поряд із факторами зовнішнього середовища та генотипом у ссавців у формуванні ознаки бере участь ще один важливий параметр – пренатальний та постнатальний вплив материнського організму. Це – так званий материнський ефект. Найбільш прості приклади впливу материнського організму на фізіологічні реакції і поведінку потомства – це ефекти різних пренатальних впливів на піддослідну самицю (утримання в умовах стресу різної етіології, вплив фармакологічних агентів), ступінь виразності яких може залежати від її генотипу.

Ці впливи можуть істотно позначатися не тільки на внутрішньолінійній, але й на міжлінійній мінливості. Іншими словами, вплив «материнського середовища» інбредної лінії «А» на формування ознаки може бути іншим, ніж вплив на цю ознаку «материнського середовища», властивого генотипу лінії «Б».

Вплив материнського середовища складається із трьох компонентів: цитоплазматичного, внутрішньоутробного й постнатального.

Цитоплазматичний компонент виявляється не тільки в ссавців, але й у тих тварин, розвиток яких проходить поза материнським організмом. Він полягає в тім, що яйцеклітина та сперматозоїд при злитті привносять у зиготу різні кількості цитоплазми, причому білки, синтезовані на основі материнських іРНК, визначаються в зародку навіть після початку дроблення. Крім того, цитоплазма яйцеклітини передає зародку значно більшу кількість мітохондріальної ДНК, порівняно з цитоплазмою сперматозоїда. Це означає, що цитоплазматичні впливи також можуть мати генетичну природу.

Внутрішньоутробний компонент материнського ефекту визначається генотипом матері, а також специфічними впливами, яких зазнає її організм, Самиці різного генотипу, навіть вирощені та утримувані в однакових умовах, створюють потомству різне «материнське середовище», що може викликати відмінності у фенотипі потомства, у тому числі й у поведінковому фенотипі.

Постнатальний компонент пов'язаний з тим, що дитинчата ссавців тривалий час залежать від материнської турботи, що може по-різному проявлятися.

У генетиці поведінки розроблені експериментальні прийоми, за допомогою яких можна оцінити відносний внесок кожного із цих компонентів (цитоплазматичного, внутрішньоутробного та постнатального) у фенотипову мінливість ознаки поведінки.

Таким чином, під поведінковою ознакою в генетиці поведінки розуміють будь-яку реакцію живого організму у відповідь на зміну в навколишнім середовищі, для якої характерна, або переривчаста, або неперервна мінливість, що залежить від одного (двох) або багатьох генів.

 

Питання для повторення й обговорення.

 

1. Як здійснюється підбір поведінкових ознак?

2. У чому особливості поведінкових ознак?

3. За якими критеріями здійснюється класифікація поведінкових ознак?

4. Які «одиниці поведінки» вивчають генетики? Наведіть приклади.

5. Чому комплекси фіксованих дій виявилися зручними для вивчення?

6. Як поведінкові ознаки пов'язані з генотипом?

7. Наведіть приклади плейотропії, пов'язані з поведінковими ознаками дрозофіли.

8. Наведіть приклади мінливості ознак поведінки, які пов'язані з експресивністю і пенетрантністью.

9. Доведіть, що поведінкові ознаки залежать від спадковості.