У многих насекомых и других членистоногих, не являющихся партеногенетическими, было обнаружено, что самец обладает меньшим числом хромосом, чем самка. Самка образует, как и в описанных выше случаях партеногенеза, гаметы только одного типа, каждая из которых имеет N хромосом, но самец образует гаметы двух сортов: один с N хромосомами, другой с N-1 или N-2 хромосомами. При оплодотворении образуются два типа зигот: яйца, производящие самок, с 2N хромосомами, и яйца, производящие самцов, с 2N-1 или 2N-2 хромосомами. Имеются также свидетельства того, что в некоторых случаях, например у морского ежа, самка является гетерозиготной, образуя гаметы, некоторые с N, а некоторые с N+ хромосомами, в то время как мужские гаметы все имеют N хромосом. Таким образом, оплодотворение производит яйца, дающие самцов, с 2N хромосомами, и яйца, дающие самок, с 2N+ хромосомами.
Таково резюме, данное Кастлом в 1912 году. [Сноска: Heredity and Eugenics, by Castle and Others. University of Chicago Press, 1912.] Как видно, он рассматривает различия как чисто количественные, как простые различия в числе хромосом. Однако профессор Э. Б. Вильсон, который своими собственными исследованиями внес значительный вклад в наши знания о поле с цитологической точки зрения, уже опубликовал в 1910 году [Сноска: 'The Determination of Sex,' Science Progress, April 1910.] весьма поучительное резюме фактов, наблюдавшихся к тому времени. Важный факт, который в целом верен для насекомых, по мнению Вильсона, заключается в том, что имеется особая хромосома или хромосомы, которые можно отличить от остальных и которые связаны с дифференциацией пола. Эта хромосома, говоря о ней для удобства в единственном числе, по-разному называлась различными исследователями. Вильсон назвал ее «X-хромосомой», Маккланг — «акцессорной хромосомой», Монтгомери — «гетерохромосомой», в то время как также использовались названия «гетеротропная хромосома» и идиохромосома. Для целей настоящего обсуждения мы можем с удобством назвать ее половой хромосомой. Она часто отличается своим более крупным размером и иной формой. Вильсон описывает следующие различные случаи:
(1) Половая хромосома в мужских гаметоцитах является одинарной и не делится вместе с остальными, а переходит в неделимом виде к одному полюсу. Это может происходить в первом редукционном делении (Orthoptera, Coleoptera, Diptera) или во втором (многие Hemiptera). Но трудно понять, что имеется в виду под «не удается разделиться». В одном из редукционных делений все хромосомы делятся, как при обычном или гомотипном делении ядра, а в другом хромосомы просто разделяются на две равные группы без деления. Если во всех гаметоцитах самца имеется нечетное число хромосом, 2N-1, как указано в большинстве описаний этого предмета, то если одна хромосома не делится при гомотипном делении, мы получим 2N-2 в одном сперматоците и 2N-1 в другом. Затем, когда происходит гетеротипное деление и число хромосом уменьшается вдвое, мы получим два сперматоцита с N-1 хромосомами из одного из первых сперматоцитов и один с N и один с N-1 из другого. Таким образом, получится три сперматозоида с N-1 хромосомами и один с N хромосомами, тогда как мы должны обнаружить равные количества с N и N-1 хромосомами. Очевидно, доктор Вильсон имеет в виду то, что половая хромосома не имеет пары, и что хотя она делится подобно остальным при гомотипном делении, при гетеротипном делении у нее нет пары и поэтому она переходит с половиной числа хромосом к одному полюсу веретена деления, в то время как другая группа хромосом не имеет половой хромосомы. Примерами этого являются роды Pyrrhocoris и Protenor (Hemiptera), Brachystola и многие другие Acrididae, Anasa, Euthoetha, Narnia, Anax. Во втором классе случаев половая хромосома является двойной, состоя вместе из двух компонентов, которые направляются вместе к одному полюсу. Примерами этого являются Syromaster, Phylloxera, Agalena. В третьем классе половая хромосома сопровождается партнером, который обычно меньше по размеру, и оба они разделяются при дифференциальном делении. Размеры этих двух хромосом различаются в разной степени: от случаев, как у многих Coleoptera и Diptera, в которых меньшая хромосома очень миниатюрна, до таких (Benacus, Mineus), в которых она почти так же велика, как ее партнер, и других (Nezara, Oncopeltus), в которых обе они равны по размеру. Опять же, существуют случаи, когда одна половая хромосома, скажем X, является двойной, тройной или даже четверной, в то время как другая, скажем Y, является одинарной. Во всех этих случаях в ооцитах (и соматических клетках) самки имеются две X-хромосомы, и после редукции женские гаметы или неоплодотворенные яйцеклетки все одинаковы, имея одну X-хромосому или группу. При оплодотворении половина зигот имеет XX, а половина XY, независимо от того, является ли Y отсутствием половой хромосомы или одной из других упомянутых выше форм Y. Таким образом, пол определяется мужской гаметой: X-хромосома, объединяясь с таковой женской гаметы, производит женских особей, в то время как Y, объединяясь с X, производит мужских особей.
Профессор Т. Х. Морган провел многочисленные наблюдения и эксперименты над единственной культурой плодовой мушки Drosophila ampelophila, разводимой в бутылях в лаборатории в течение пяти или шести лет. Он не только изучил хромосомы в гаметах этой мушки и провел с ней менделевские скрещивания, но и получил многочисленные мутации, благодаря чему его работа представляет собой весьма важный вклад в мутационную теорию. Таким образом, дрозофила в руках профессора Моргана, его студентов и коллег стала таким же классическим объектом, как энотера в руках ботаников-мутационистов. Различные направления работы Моргана обсуждаются в других частях этого тома, но здесь нас интересует лишь ее отношение к вопросу определения пола. Он описывает [Сноска: A Critique of the Theory of Evolution. Princeton University Press and Oxford University Press, 1916.] хромосомы дрозофилы как состоящие в диплоидном состоянии из четырех пар, то есть пар, которые разделяются при редукционном делении, так что гамета содержит четыре одиночные хромосомы, по одной из каждой пары. В двух из этих пар хромосомы вытянуты и имеют форму бумерангов, в третьей они представляют собой мелкие круглые зерна, а четвертая пара — это половые хромосомы: у самки последние представляют собой прямые палочки, у самца одна прямая, как у самки, а другая изогнутая. Прямые называются X-хромосомами, а изогнутая — Y-хромосомой. Таким образом, оплодотворения образуют XX, которая развивается в мушку-самку, и XY, которая развивается в самца. Следовательно, дрозофила является примером одного из случаев, описанных Вильсоном.
Доктор Вильсон (loc. cit.) обсуждает вопрос о том, как мы должны интерпретировать эти факты, в частности тот факт, что X-хромосома при оплодотворении дает начало самкам. Он отмечает, что X-хромосома должна быть фактором, определяющим мужской пол, поскольку во многих случаях она является единственной половой хромосомой у самцов, однако ее введение в яйцеклетку устанавливает женское состояние. Это та же самая трудность, на которую я указал выше в связи с менделевской теорией о том, что самка была гетерозиготной, а самец — гомозиготным по полу. Доктор Вильсон указывает, что у пчелы, где оплодотворенные яйца развиваются в самок, а неоплодотворенные в самцов, мы должны были бы предположить, что X-хромосома в женской гамете является определителем женского пола, который встречается с рецессивным определителем мужского пола в X-хромосомах сперматозоида. Когда происходит редукция, X [женская] должна быть устранена, поскольку редуцированное яйцо всегда развивается в самца. Но при оплодотворении, поскольку оплодотворенное яйцо развивается в самку, из сперматозоида должна поступать доминантная X [женская], так что наше первое предположение противоречит само себе.
Поэтому доктор Вильсон, Т. Х. Морган и Ричард Хартвиг предположили, что половое различие в отношении гамет является не качественным, а количественным. В определенных случаях нет явного количественного различия хроматина в целом, но во всех случаях может существовать различие в количестве специального полового хроматина, содержащегося в X-элементе. Выдвинутая Вильсоном теория заключается в том, что единичный X-элемент означает per se мужское состояние, в то время как добавление второго элемента того же типа производит женское состояние. Такая теория могла бы применяться даже к тем случаям, когда никакие половые хромосомы не могут быть различимы визуально: яйцеклетки в таких случаях (вероятно, в большинстве) также могли бы иметь двойную дозу полового хроматина, а самцы — одинарную дозу. Однако эта теория все еще уязвима для возражения, согласно которому женские гаметы перед оплодотворением и половина мужских гамет имеют половинное количество полового хроматина, которое по гипотезе определяет мужское состояние, так что здесь мы снова имеем мужское состояние как нечто отличное от характеристик сперматозоида. Но если это так, то каково же мужское состояние? Партеногенетическая яйцеклетка пчелы является мужской, и тем не менее она представляет собой яйцеклетку, способную производить исключительно сперматозоиды. Если единственная X-хромосома является причиной развития сперматозоидов у самца пчелы, то почему она не производит сперматозоиды в гаметах самки пчелы, ведь при наступлении редукции все эти гаметы имеют одну X-хромосому?
В биологии, как и в любой другой науке, мы должны признавать факты даже тогда, когда не можем их объяснить. Факты того, что мы называем гравитацией, очевидны, и любая попытка игнорировать их привела бы к катастрофе, однако до сих пор не найдено ни одного удовлетворительного объяснения гравитации: было предложено множество теорий, но ни одна теория еще не была доказана как истинная. Точно так же может оказаться необходимым признать, что две X-хромосомы приводят к развитию самки, а одна X- или хромосомы XY приводят к развитию самца. Но менделисты упустили из виду то, что подразумевается под понятиями «самец» и «самка». Сома с ее мужскими и женскими соматическими признаками не имеет никакого отношения к делу, поскольку соматические половые различия могут полностью отсутствовать, и более того, существенный мужской признак — образование сперматозоидов — согласно менделевской гипотезе обусловлен происхождением мужских гамет от исходной оплодотворенной или неоплодотворенной яйцеклетки. Следовательно, менделевская теория заключается в том, что когда яйцеклетка имеет две X половые хромосомы, она может только после ряда клеточных делений, при последующем редукционном делении, давать начало яйцеклеткам, в то время как яйцеклетка, содержащая одну X половую хромосому или две разные хромосомы XY, при следующем редукционном делении дает начало сперматозоидам. Сама по себе X половая хромосома не является ни женской, ни мужской, поскольку, как мы видели, либо яйцеклетка, либо сперматозоид могут содержать одну X-хромосому. Таким образом, яйцеклетка с одной X-хромосомой или одной X и одной Y меняет свой пол при следующем редукционном делении и становится мужской. В партеногенетических яйцеклетках это происходит вообще без конъюгации со сперматозоидом; в других случаях, поскольку зигота составлена из сперматозоида и яйцеклетки, мы можем лишь утверждать, что в XX-зиготе, где яйцеклетка развивает исключительно яйцеклетки, женский пол является доминантным, а в X- или XY-зиготе, развивающей исключительно сперматозоиды, мужской пол является доминантным. Гермафродитные животные, как отмечали Корренс и Вильсон, вообще не могут быть вписаны в эту схему. У дождевых червей, например, мы наблюдаем, как в каждой особи, развившейся из зиготы, яйцеклетки и сперматозоиды развиваются в разных гонадах в разных частях тела. Следовательно, дифференциация здесь должна происходить в каком-то клеточном делении, предшествующем редукционным делениям. Каждая зигота должна иметь одинаковый состав и тем не менее давать начало двум полам в пределах одной особи.
Дальнейшее прояснение проблемы пола, как и многих других проблем в биологии, может быть достигнуто только благодаря более глубокому знанию физических и химических процессов, происходящих в хромосомах и в связях этих структур с остальной частью клетки. Недавние достижения в цитологии, сколь бы поразительными они ни были, состоят почти исключительно из наблюдений микроскопической структуры. Можно сказать, что они раскрывают скорее статику клетки, чем ее динамику. Цитология фактически является ветром анатомии, и в анатомии клетки мы добились определенного прогресса, но наши знания о физиологии клетки все еще ничтожно малы. Предполагается, что ядро, и особенно хромосомы, каким-то неизвестным образом влияют на метаболизм цитоплазмы или управляют им. С этой точки зрения упомянутая выше гипотеза о том, что половое различие в гаметах является не качественным, а количественным, вероятно, ближе к истине. Геддес, Томсон и другие утверждали, что половое различие заключается в метаболизме: яйцеклетка более анаболична, а сперматозоид более катаболиче expériences. Двойное количество специального хроматина может быть причиной повышенного анаболизма яйцеклетки. В таком случае трудность, указанная в предыдущей части этой главы, заключающаяся в том, что яйцеклетка после редукции напоминает сперматозоид наличием лишь одной X-хромосомы, может быть объяснена тем фактом, что рост яйцеклетки и накопление ею желточных веществ уже были осуществлены под влиянием двух хромосом до редукции. Другие ранее обсуждавшиеся трудности также кажутся уменьшающимися, если мы примем эту точку зрения. Нам не нужно рассматривать мужественность и женскость как единичные признаки в наследственности того же типа, что и менделевские признаки сомы. Вместо того чтобы утверждать, что зигота, составленная из яйцеклетки и сперматозоида, неспособна давать начало яйцеклеткам у самца или сперматозоидам у самки, мы должны придерживаться мнения, что гаметоциты в конечном счете дают начало яйцеклеткам или сперматозоидам в соответствии с метаболическими процессами, запущенными и поддерживаемыми в них в ходе последовательных клеточных делений под влиянием двойной или одинарной X-хромосомы. По-прежнему остается трудность объяснения того, почему мужские гаметоциты после редукции развиваются в сходные сперматозоиды с их головками и длинными жгутиками, хотя половина из них обладает каждой по одной X-хромосоме, а другая половина — ни одной. Мы можем лишь предполагать, что окончательное развитие сперматозоидов является результатом присутствия единственной X-хромосомы в последовательных поколениях мужских гаметоцитов до редукционных делений.
Менделевская теория половой наследственности предполагала, что при редукционных делениях два половых признака — мужественность и женскость — расщеплялись точно так же, как пара соматических аллеломорфов, но слова «мужественность» и «женскость» не выражали никаких реальных концепций. Предложенный выше взгляд лишь пытается сопоставить наши реальные знания о различии между яйцеклеткой и сперматозоидом с нашими реальными знаниями о половых хромосомах и их поведении при редукции и оплодотворении.
ГЛАВА III
Влияние Гормонов На Развитие Соматических Половых Признаков
Далее нам необходимо рассмотреть то, что принято называть вторичными половыми признаками. Это признаки или органы, более или менее полностью ограниченные одним полом. Когда у высших животных мы отличаем органы размножения, или гонады, с одной стороны, от тела, или сомы, с другой, мы видим, что все различия между полами, за исключением гонад, являются соматическими, и мы можем называть их соматическими половыми признаками. Сразу же возникает вопрос о том, является ли сама сома половой, то есть, если исходить из предположения, что пол зиготы определен еще до начала ее развития, являются ли соматические клетки, как и гаметоциты, индивидуально и коллективно либо мужскими, либо женскими. В предыдущих обсуждениях этого вопроса я настаивал на том, что единственным значением пола является различие между мегагаметой (яйцеклеткой) и микрогаметой (сперматозоидом). Но если зигота, хотя и составленная из яйцеклетки и сперматозоида, предопределена давать начало в происходящих из нее гаметах либо только сперматозоидам, либо только яйцеклеткам, можно предположить, что все соматические клетки, происходящие от зиготы, точно так же являются либо мужскими, либо женскими, хотя они и не дают начала гаметам. Однако очевидно, что соматические клетки, органы и признаки не различаются обязательно или универсально у двух полов. С одной стороны, мы имеем чрезвычайные и весьма бросающиеся в глаза особенности у самцов, полностью отсутствующие у самок, такие как рога оленей и яркое оперение золотого фазана; с другой стороны, мы имеем полы, внешне схожие и различающиеся лишь половыми органами, как у мыши, кролика, зайца и многих других грызунов, большинства лошадиных, зимородка, ворон и грачей, многих попугаев, многих рептилий, амфибий, рыб и беспозвоночных животных. У большинства рыб, у которых оплодотворение является внешним и не осуществляется забота об икре или потомстве, соматические половые различия отсутствуют. Более того, соматические половые признаки, там, где они все же встречаются, не имеют никаких общих характеристик ни по строению, ни по положению в теле. Можно сказать, что любая часть сомы может в разных случаях демонстрировать селективно ограниченное развитием проявление пола. У оленя мужская особенность представляет собой огромное развитие кости на голове, у павлина — увеличение перьев хвоста. У некоторых птиц имеются шпоры на ногах, у других — шпоры на крыльях. Следовательно, утверждение о том, что эти различные органы и признаки являются выражением пола в соматических клетках, не является объяснением.
Как я отмечал в своей книге «Половой диморфизм» (1900), общей характеристикой соматических половых признаков является их приспособительное отношение к какой-либо функции в половых привычках вида, у которого они встречаются. Не существует никакой универсальной характеристики пола, за исключением различия между гаметами и репродуктивными органами (гонадами), в которых они производятся. Все остальные различия, следовательно, включая половые протоки и копулятивные или интромиттентные органы, являются соматическими. При исследовании этих соматических различий мы обнаруживаем, что их можно классифицировать в соответствии с их отношением к оплодотворению и размножению, включая заботу о потомстве или его защиту. Точная классификация не имеет большого значения, однако мы можем выделить следующие виды, чтобы показать главные функции, к которым адаптированы эти признаки или органы.