Развитие самок происходит «по умолчанию». Если ничто не подавляет развитие мюллеровых канальцев, они дифференцируются на фаллопиевы трубы, матку и верхние части влагалища, хотя для полного развития женского фенотипа требуется наличие эстрогена. Вольфиевы канальца, не поддерживаемые тестостероном, дегенерируют.
У млекопитающих и птиц вышеописанные процессы четко обусловлены: пол особи определяется геном половой хромосомы. Однако репродуктивная функция зависит не только от генетического определения пола. Репродуктивная система взрослого млекопитающего формируется стероидами, которые начинают влиять еще на эмбриональной стадии. Система изначально чувствительна к стероидам, главное – искать их в нужном месте. Для млекопитающих таким нужным местом является плацента. После того как оплодотворенная яйцеклетка имплантируется в эндометрий матки, между матерью и плодом начинает развиваться плацента – сложная сеть капилляров. Капилляры матери и плода соединяются между собой. И хотя кровь матери напрямую не смешивается с кровью плода, кислород, питательные вещества и другие соединения, в частности сигнальные стероиды, могут передаваться от матери к развивающемуся плоду.
Однояйцевые близнецы, развивающиеся в результате разделения одной яйцеклетки, обладают такой связью не только с матерью, но и друг с другом. Так как однояйцевые близнецы всегда одного пола, стероиды, которыми они обмениваются, одинаковы. У человека разнополые разнояйцевые близнецы защищены от воздействия «неправильных» стероидов, так как у них разные плаценты.
Но у других крупных млекопитающих – например, коров или буйволов – химическое общение становится проблемой. Если в матке матери одновременно развиваются телята разного пола, родившаяся самка обязательно оказывается стерильной, и ее называют фримартин. Дело в том, что два плода делят одну плаценту и, следовательно, часть гормонов, ответственных за половое развитие. МИФ, один из главных гормонов для развития самцов, проходит через плаценту от зародыша мужского пола к зародышу женского и нарушает нормальное развитие мюллеровых канальцев. Поэтому матка не развивается и самка оказывается стерильной.
Если у двух плодов общая плацента, обмен стероидами оказывает весьма серьезное влияние – для плода женского пола оно поистине разрушительно. У других млекопитающих, у которых в норме рождается много детенышей, тонкие различия внутриматочной среды воздействуют на развивающиеся зародыши весьма интересным образом. Например, у грызунов и свиней матка по сути представляет собой цилиндр, где зародыши расположены в ряд. За исключением крайних в ряду, каждый из зародышей находится между двумя другими, поэтому возможны три варианта: соседями могут быть две самки, два самца или самец и самка.
Пол непосредственных соседей имеет большое значение и служит важным определяющим фактором репродуктивной вариабельности из-за химической среды, создаваемой ими. У зародышей грызунов женского пола, развивающихся между двумя зародышами мужского, повышен уровень тестостерона, и во взрослом состоянии они более чувствительны к этому гормону и производят больше потомства мужского пола. Такие самки также более склонны проявлять признаки полового поведения, свойственного самцам, занимают большую территорию и более агрессивны. Самцы, развивающиеся между двумя другими самцами, также более агрессивны, занимают большую территорию, ярче проявляют родительское поведение и более чувствительны к тестостерону по сравнению с самцами, развивающимися между двумя самками.
Исследования приплода животных с многоплодной беременностью демонстрируют нам как явные, так и тонкие эффекты эндогенных химических веществ на развитие зародышей. Но химическое воздействие вовсе не обязательно должно производиться веществами, поступающими от матери или соседей по матке; эти вещества могут даже не иметь природного происхождения – как те, что повлияли на культуры тканей в лаборатории Аны Сото, о чем мы рассказывали в главе 14. Эти вещества могут поступать из внешних источников, например сточных вод или сельскохозяйственных угодий.
Первое свидетельство этого явления было обнаружено не у человека, а у домашнего скота. Уже более 50 лет назад было замечено, что у беременных животных, пасущихся там, где много красного клевера (Trifolium pretense), возникают нарушения фертильности. Последующие эксперименты показали, что в красном клевере содержится смесь изофлавоноидов – природных фитоэстрогенов, которые могут влиять на фертильность самок. Влияние клевера обратимо (маток можно просто перевести на другое пастбище), однако на этом примере мы видим эффект природного вещества, которое действует как неверный клеточный сигнал.
Еще один пример – эпидемиологическое исследование Артура Хербста (подробно описанное в главе 13), детализирующее негативное влияние ДЭС на женскую репродуктивную систему. Диэтилстильбэстрол, хотя и не является стероидом, нарушает работу эндокринной системы. Он порождает структурные дефекты, изменяя схему развития через клеточные сигналы. В частности, воздействие ДЭС на ранних стадиях развития приводит к неполной атрофии вольфиевых канальцев, и далее запускается целый каскад эмбриональных изменений, в конечном итоге приводящий к репродуктивным аномалиям. Трагическая история с ДЭС иллюстрирует тот факт, что вещества, нарушающие работу эндокринной системы, могут наносить непоправимый ущерб.
Наблюдая половую дифференциацию у млекопитающих, исследователи приходят к общему выводу, что между генетикой и морфологией существует жестко закрепленная связь. Однако даже у млекопитающих наличие фримартинов и других типов внутриутробного влияния свидетельствует о том, что генетические особенности связаны с морфологическими через клеточные сигналы, и такие сигналы, полученные через плаценту, могут затмевать сигналы, посылаемые развивающимся половым структурам от генетического материала. Кроме того, у птиц половая дифференциация подвержена достаточно скромным изменениям, у рептилий и амфибий, а в особенности у рыб, это гораздо более пластичный процесс. У холоднокровных позвоночных животных генетическое определение пола может преобладать, а может полностью отсутствовать.
Среди рептилий существуют различные формы генетического определения пола. Самки змей гетерогаметны (аналогично самцам млекопитающих), но у различных видов черепах и ящериц гетерогаметными могут быть и самки, и самцы. У других видов ящериц пол определяется генотипически, но без участия гетерогаметных хромосом. Подобная ситуация существует и у амфибий: у некоторых видов гетерогаметны самцы (XY), а у других – самки (ZW). У японской морщинистой лягушки (Rana rugosa) в одних популяциях гетерогаметны самцы, а в других – самки, что позволяет предположить, что эволюция половой дифференциации у этого вида продолжается и в настоящий момент. Интересно, что при скрещивании гомогаметных самцов (ZZ) и самок (XX) получается гетерогаметное потомство (XZ), полностью состоящее из самцов.
Среди амфибий есть и другие примеры недостаточно четко определенных отношений между генетическим и морфологическим определением пола. Африканская шпорцевая лягушка (Xenopus laevis) – вид с гетерогаметными самками (ZW) и гомогаметными самцами (ZZ). Однако при воздействии эстрадиола на головастиков может возникать несоответствие между генетикой и морфологией: у генетически мужских особей ZZ развиваются все внешние и внутренние половые органы женских особей. При этом они могут скрещиваться с «настоящими» (генетически и морфологически) самцами, имеющими те же половые хромосомы (ZZ), и давать потомство, состоящее исключительно из самцов – и генетически, и морфологически.
У некоторых пресмыкающихся и небольшого числа земноводных пол определяется преимущественно температурой, при которой развиваются зародыши. Ученые считают, что такое определение пола зависит не от какого-либо главного гена (подобного гену МИФ у млекопитающих или DMRT1 у птиц), а от «парламентской системы» контроля, при которой изменения температуры внутренней среды в яйце вызывают значительные изменения ферментной активности многих белков, ответственных за определение пола.
Все вышеописанные варианты управления половой дифференциацией весьма впечатляют, однако наибольшая вариабельность ее форм наблюдается среди 24 000 видов рыб. Как и у пресмыкающихся, у разных видов рыб гетерогаметны могут быть самцы (ZW), самки (XY) или ни один из полов. У видов, которым свойственен гермафродитизм, обычно отсутствует жесткая система определения пола. Хотя некоторые рыбы строго раздельнополы и развиваются как особи определенного пола, сохраняя его на протяжении всей жизни, у других видов, среди которых представители как минимум 25 семейств, может в той или иной степени проявляться гермафродитизм. Он может быть последовательным, когда особь вначале функционирует как самец, а на более позднем этапе становится самкой, или наоборот; а может быть синхронным, когда у одной и той же особи одновременно функционируют семенники и яичники.
