Кардинал, который, быть может, будет вознесен живым на небо
В совместном советско-америкамском космическом полете был запланирован эксперимент с рыбами. Опыт требовал тщательной и длительной наземной отработки.
Нам нужно было проследить влияние невесомости на развитие рыб. У какого вида развитие точно укладывается в длительность полета? Таких рыб оказалось много, но самыми подходящими были данио рерио (Brachydanio rerio) и кардинал (Tanychthys albonubes). Они неприхотливы, их нетрудно заставить нереститься непосредственно перед космическим стартом. Два-три дня развитие происходит внутри икринки, затем вылупляется малоподвижная личинка, а к исходу шестых суток при температуре 24° она обретает плавучесть, превращаясь в малька. Все системы, все органы к этому времени сформированы, дальше малькам предстоит не столько развиваться, сколько расти.
Сейчас уже позади полет корабля "Союз-16". Данио рерио в нем показали себя молодцами, И теперь нам ясно, что дублер, "его преосвященство" господин кардинал вряд ли будет вознесен живым на небо. Однако в июле 1975г., точно так же, как в декабре 1974г., он поедет на космодром, чтобы выполнить свою роль, отложить в нужный момент сотни прозрачных икринок. И хотя предпочтение будет почти наверняка отдано работягам данио, быть дублером тоже почетно, тем более, что на земле "его преосвященство" преподал нам несколько очень поучительных наглядных уроков, показав себя превосходной лабораторной рыбой.
Эти странные перезревшие икринки
Описывать кардиналов нет нужды - их знают все аквариумисты.
Для нерестов мы используем четырехлитровые банки, залитые московской водопроводной водой. Вода эта средней жесткости, хорошо очищенная. Свеженалитая, она перенасыщена кислородом. Поэтому, как не оберегай ее от грязи, в ней появляются миллионы бактерий. Чтобы от них избавиться, нужна неделя отстаивания - период ожесточенной войны. Размножаясь поначалу бурно, бактерии очень быстро создают в воде перенаселение, уничтожают кормовые запасы и начинают гибнуть, в чем им усердно помогают немногочисленные, но обязательные для любой открыто стоящей воды инфузории.
В банку ставится плоская чашка, устланная при помощи кремниевых камешков яванским мхом - довольно распространенным в аквариуме растением. Посаженная с вечера в такую банку пара кардиналов, как правило, нерестится на другой день.
Знаете ли вы, что у кардиналов икра неклейкая? Мы этого еще недавно не знали, да и не мудрено: кардиналы сами этого еще "не знают"... Опустите на поверхность нерестовика широкий плавающий лист, а других растений не помещайте. Придет время - начнут кардиналы нереститься. Полезут под лист, переворачиваясь кверху брюшком, будут пытаться икринки приклеить, а они все на дно попадают. Этот сохранившийся от предков инстинкт показывает, что в прошлом у кардиналов икра была клейкой. Можно предположить, что клейкость только недавно утрачена.
После нереста чашку вынимают из банки. Рыбки редко "промахиваются": практически вся икра лежит под стебельками мха. Вынув камни и мох, мы помещаем чашку под бинокулярную лупу. Икринки (их размер меньше миллиметра) под лупой четко видны.
Так и не удалось нам подсчитать у кардинала количество неоплодотворенной икры. Она всегда есть, а вот подсчитать невозможно. Инфузории мигом проникают в такую икринку и, множась, уничтожают ее за считанные минуты. Откуда только берутся простейшие? Рыбы еще нерестятся, а большей части неоплодотворенной икры уже нет. То же относится и к погибшим икринкам. А вот для нормальной здоровой икры инфузории не страшны.
О том, сколько икринок выметывает самка за нерест, в литературе данные разные. Вот крайности. В книге М. Н. Ильина сказано, что при каждодневном нересте - 3-5 Штук, при нересте через 8-10 дней - 20-30. Гюнтер Штерба считает, что некоторые самки выметывают по 250 и более икринок. Опыт показывает: бывает и так и эдак, а кроме того никто, насколько нам известно, не различал икринки по качеству.
Мы искали для "его преосвященства" наиболее благоприятный нерестовый режим. Надо было определить, через сколько дней следует сажать самку, чтобы выход личинок был полноценным. Искали, но увы, не нашли, хотя для некоторых других рыб такой режим найти очень просто.
Опыты показали, что нерест никогда не обходится без перезревшей икры. Икрометание через 1-2 дня дает лучшие результаты, чем через 5. Отсюда следует, что наиболее благоприятен каждодневный нерест. Но и в этом случае процент перезревшей икры большой; самки мечут по 20-30 икринок в день, не меньше половины из них идет на корм инфузориям. Это - много. У данио, например, процент перезревших икринок при нересте через 2- 4 дня (каждый день данио нереститься не могут) от 10 до 20, а в благоприятных случаях их нет вовсе.
Причину этого надо искать в разных механизмах образования икры у разных видов рыб. Вопрос этот мало изучен. Но вот что интересно: кардиналам как виду перезревшая икра приносит пользу. Вспомним, что ее едят инфузории. У даиио она становится добычей бактерий, так как наружная оболочка здесь очень прочна. А инфузории, именно инфузории, а не бактерии, играют в жизни "его преосвященства" существенную роль. Они оберегают здоровую икру от нападения бактерий. Ими же в первые дни жизни питаются мальки. Все это заставляет предположить, что большой процент перезревшей икры у кардинала - приспособительный признак. Так уж "сработал" естественный отбор; жертвуя половиной икринок, вид обеспечивает условия для нормального развития другой половины, а заодно - первоначальный корм для мальков.
Когда начинают работать собственные гены икринки
Кардиналы привезены в Европу в 1936г. и с тех пор разводятся в близком родстве. По законам генетики это ведет к накоплению так называемых рецессивных леталей.
Гены в организме парные. На приведенной схеме закрашенный кружок означает нормальный, "здоровый", геи, неокрашенный - ген "больной", с рецессивной деталью. Если пара генов состоит из одного нормального и одного рецессивного, летального,- такой организм жизнеспособен; можно представить, что нормальный геи и в одиночку способен выполнить возложенную на него работу. Если же пара составлена, из двух летальных генов, работу выполнять "некому", и организм гибнет. Из схемы видно, что гибель при рецессивной летали составляет 25%.
Подбирая пары для космического эксперимента, мы не могли не обратить внимания на летали: было бы очень печально, если бы часть посланного в полет материала погибла.
Леталей у наших кардиналов оказалось достаточно, нам пришлось немало повозиться. Но это нас не пугало, наоборот, одна из леталей оказалась весьма интересной. Она позволила ответить на важный вопрос: когда начинают работать собственные гены икринки?
Вопрос не нов. Икринка сложна. Ядро ее полноценно, как и ядро спермия, но протоплазма... Ее много больше. Протоплазма икринок содержит материнские генопродукты, и у многих
биологов сложилось мнение: именно они определяют первые этапы развития. Например, у асцидий (беспозвоночных, относящихся к так называемым оболочникам) собственные гены начинают действовать очень поздно. К этому времени уже вылупляется сложная личинка.
Для позвоночных тоже многократно доказывался так называемый "материнский эффект": первые этапы развития осуществляются под влиянием генов матери. Но... возьмем, например, блестящие эксперименты Т.Р.Илсдейла (1958), проведенные на африканской лягушке ксенопус. Там обнаружена рецессивная леталь, приводящая к гибели на стадии раннего головастика. Казалось бы, это свидетельствует о сильном материнском эффекте. Ан нет: с самого начала развития клетки зародыши, несущие пару летальных генов, лишены ядрышка.
На рыбах работали советские исследователи А.А.Нейфах (1964) и А.С.Спирин (1965). Они применяли методы биохимии и независимо Друг от друга пришли к сходным выводам: собственные генопродукты у вьюна возникают очень рано, примерно к шестому часу развития.
Кардинал позволил нам по меньшей мере подтвердить выводы биохимиков прямым генетическим экспериментом. А может быть... Впрочем не будем опережать события.
Развитие рыбьей икринки спрятано под наружную оболочку. У кардинала она тонка. За оболочкой лежит заполненное жидкостью пространство, в котором плавает собственно икринка. Уже через несколько минут после оплодотворения желток, до этого желтоватопрозрачный, выглядит сильно исчерченным: это стягивается протоплазма к его поверхности, к тому месту, где лежит оплодотворенное ядро. Стянувшись, она выглядит прозрачным куполом на поверхности. Купол начинает делиться - на две, четыре, восемь, шестнадцать частей и так далее. В конечном итоге на дробящемся полюсе икринки скапливаются тысячи однородных клеток. Так бывает в подготовительный период на стройке, куда свезены тысячи кирпичей и пока что еще не ясно, какой из них пойдет на фундамент, какой на наружные, какой на внутренние стены. Но дальше сравнение со стройкой уже не подходит: скопившимся клеточным материалом со всех сторон начинает обрастать желток. Образуются три слоя. Первый слой тонок и клетки в нем многоугольны - зародышевая оболочка; средний состоит из сравнительно мелких клеток, нижний - из крупных, лежащих разрозненно, обладающих способностью к самостоятельному передвижению,
И вот тут-то, на обрастании, причем нередко в самом его начале, и действует обнаруженная нами леталь.
Гибель икринки связана с образованием больших, инородных по отношению ко всем трем слоям, клеток. По-видимому, они выделяют какие-то вещества, ведущие к разрушению желточной оболочки. На поверхности желтка образуются выросты, и дело кончается "взрывом": оболочка лопается, приводя икринку к скоропостижной гибели.
Безусловно, впереди еще большая работа. Вспомним опыт Илсдейла; гибель там происходила значительно позже появления первых признаков действия летального гена. Однако и "черновые" результаты интересны. Они позволяют сделать вывод, что у кардинала собственные гены икринки начинают действовать очень рано. Ни у одного другого вида рыб не обнаружено такой ранней летали.
Предстартовые хлопоты
Среди позвоночных нет более удобного для космоса объекта, чем икра и личинки рыб. Например, для десяти лягушачьих икринок требуется емкость около 100 кубических сантиметров, для десятка же данио или кардиналов достаточно шести кубических сантиметров, четыре из которых приходится на воду, два на воздух. Если же будут нужны объекты для длительного полета - до шести месяцев,- данио заменит нотобранхиус. Икра этих рыб очень стойкая, превосходно живет без воды, причем в тот же 6-сантиметровый контейнер можно поместить не десяток, а около сотни икринок.
Конечно, многое легче написать, чем выяснить... Например, опыты с нотобранхиусом длились год, немало времени потребовала и подготовка опыта с кардиналом и данио. Не сразу все ладилось, приходилось менять конструкцию контейнеров, материал, из которого он изготовлен. Например, обычные наземные аквариумы очень часто делают из органического стекла, а воздух в них подают при помощи резиновых шлангов. Рыбы в таких аквариумах превосходно живут, размножаются, с ними решительно ничего не случается. Космический контейнер также изготовлен из органического стекла - стаканчик выточен из цельного куска, на него навинчивается такая же крышка. Поначалу мы имели дело с одним таким оргстеклянным пенальчиком, икра в котором превосходно жила и развивалась. Потом изготовили еще два десятка точно таких же пенальчиков и были удивлены: ни в одном из них личинки не выживали. Новое оргстекло, оказывается, выделяет в воду ядовитые вещества. Аквариумисты этого не замечают, поскольку в обычных аквариумах объем воды во много раз больше объема оргстекла. Работая с микроконтейнером, мы это обнаружили сразу. Выяснилось, что наши пенальчики должны как минимум две недели полежать в банке с водой, которую надо часто менять, - только в этом случае они станут для личинок полностью безопасными.
А резина? Тоненькой прокладочки оказывалось достаточно для того, чтобы погубить наших питомцев. От нее вообще пришлось отказаться. Думается, и аквариумистам надо учесть эти уроки. В аквариуме ни от оргстекла, ни от резины как будто бы вреда нет. И все же лучше оргстеклянные банки перед посадкой рыб несколько дней продержать с водой, а резиновым трубкам, вероятно, в аквариуме не место, тем более, что есть трубки из полиэтилена.
Скорость развития икры очень сильно зависит от температуры. Поэтому в полете контейнеры помещают в точнейший термостат. На земле точно в такой же термостат, в точно такие же контейнеры помещают контрольные икринки, Разница между опытом и контролем заключается лишь в том, что контроль находится под действием силы тяжести, опыт же - в невесомости.
После полета как опытные, так и контрольные мальки подвергаются тщательному электронномикроскопическому анализу. Процесс этот длителен и трудоемок. Результаты интересны, но о них - в другой раз.
