Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Наука: почему у животных сильно развито обоняние


Ирина Лагунина: Сегодня мы продолжаем разговор о том, какие новые свойства приобретают живые организмы в результате удвоения генов. Каким образом, например, у млекопитающих оказалось сильно развито обоняние.


Рассказывает доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Палеонтологического института РАН Александр Марков. С ним беседует Ольга Орлова.



Ольга Орлова: Александр, вы рассказывали о том, как в результате удвоения клеток генов нашим предкам, человекообразным обезьянам удалось избавиться от дальтонизма и восстановить трихроматическое зрение, тогда как у большинства млекопитающих дихроматическое зрение, и они не отличают зеленое от красного. Потому что когда-то, как вы объясняли, в результате эволюции их способность различать цвета ухудшилась и у них осталось только два светочувствительных белка, опсина. И например, американские обезьяны так с этими двумя опсинами живут, и красный цвет они не различают.



Александр Марков: Но самое интересное, что у некоторое обезьян Нового Света тоже восстановилось трихроматическое зрение значительно позже, чем у обезьян Старого Света и совершенно независимо, и другим способом. Если не ошибаюсь, это обезьяны-ревуны, которые очень громко орут. У них восстановилось очень причудливым образом трихроматическое зрение не за счет удвоения гена, а за счет аллельных вариаций. Что это значит? Каждый ген у нас присутствует в двух копиях, одну мы получаем от отца, одну от матери. Копии могут немного отличаться друг от друга. И вот у некоторых обезьян Нового Света вот опсинового гена, настроенного на зеленый цвет, стали настолько отличаться, что длина волны, на которую они реагируют, стала немножко разная. И поэтому если животное получают от отца и матери разные варианты этого гена, у нее трихроматическое зрение, но только если у нее разные варианты. Это чистая случайность. Если она получит одинаковые варианты этого зрения, она будет дальтоником, если ей повезет и она получит два разных варианта, она будет различать цвета. И поскольку этот ген находится на икс-хромосоме, на половой хромосоме, то шанс получить трихроматическое зрение имеют только самки. И вот так они живут, вот стадо, все дальтоники, а две или три самки различают цвета. Это очень полезно для всего стада.



Ольга Орлова: И они оказываются в привилегированном положении, то есть у них больше возможностей, наверное, больше почета в стаде.



Александр Марков: Это я точно не знаю. Но по крайней мере, все имеют возможность им подражать и смотреть, что едят они, и тоже есть самим. Это пример параллельной эволюции, как на разной генетической основе могут появляться новые.



Ольга Орлова: То есть, получается, механизмы совершенно разные, а результат одинаковый, то есть восстанавливается трихроматическое зрение, только происходит в разных точках нашей земли, при этом разными путями.



Александр Марков: На этом примере, на обезьянах Старого Света четко видно, как новый ген появляется путем удвоения. То есть сначала две одинаковых копии, потом немножко они начинают отличаться, и это сразу дает новый признак, новую функцию, новые возможности.



Ольга Орлова: А какие еще новые функции новые функции у организма или новые свойства у млекопитающих, какие млекопитающим удалось таким образом получить путем удвоения генов?



Александр Марков: Очень яркий пример, недавно расшифровано так хорошо, это связано с другим чувством - с обонянием. Млекопитающие отличаются от других наземных позвоночных не только тем, что у них проблемы с цветным зрением, но еще и тем, что у них гораздо сильно развито обоняние.



Ольга Орлова: Это проблема?



Александр Марков: Это как раз не проблема. Со зрением проблема, а с обонянием проблемы у всех остальных. У млекопитающих обоняние развито совершенно чудовищно. У крысы, например, до 1600 генов, обонятельных процессоров в геноме. Это 5 процентов всех генов генома - это гены обонятельных рецепторов.



Ольга Орлова: Это говорит о том, что значит для нее очень важная функция, для крысы, если занимает такой объем.



Александр Марков: То есть это самая массовая группа генов в геноме. В отличие от зрения, для обоняния мы не можем обойтись тремя-четырьмя рецепторами, потому что запахи очень разнообразные и на каждый тип летучих молекул нужен свой рецептор, свой белок, соответственно, свой ген. Поэтому так много. Но при этом другие позвоночные обходятся меньшим числом рецепторов, скажем, у курицы всего около 80 рецепторов, у крысы 1600. И вот уже давно было понятно, что многообразие обонятельных рецепторов млекопитающих рецепторов возникло из небольшого исходного набора путем множественных удвоений, множественных дупликаций этих самых генов. Только не совсем ясно было, когда именно эти дупликации происходили. И вот недавно японский исследователь опубликовал статью, где этот вопрос разбирается. Поскольку прочтены геномы целого ряда позвоночных из разных групп, появилась возможность для таких широкомасштабных аналитических исследований. Что он сделал? Он провел тщательный анализ генов обонятельных рецепторов генома шести видов позвоночных. Это лягушка, курица, утконос, опоссум, собака и мышь, шесть геномов. И подобраны эти животные таким образом, чтобы можно было реконструировать ситуацию в основных точках ветвления эволюционного древа позвоночных. Первая развилка на этом древе наземных позвоночных - это отделение предков современных амфибий от всех остальных, для этого лягушка, представитель современных амфибий. Следующая развилка - это разделение на синапсидных и диапснидных. Для этого курица, как представитель диапсидных. Следующая развилка на той ветви, которая ведет к нам - это отделение утконоса от предка всех остальных зверей, сумчатых и плацентарных, для этого утконос. Следующая развилка - это разделение сумчатых и плацентарных. Для этого опоссум - сумчатое. И наконец, собака и мышь, как представители высших плацентарных.



Ольга Орлова: Итак, у нас получилось лягушка, курица, утконос, опоссум и собака и мышь.



Александр Марков: Мы на этом древе ближе всего к мыши. Оказалось, что у общего предка всех наземных позвоночных было около сотни обонятельных рецепторов, около сотни генов. Это первая развилка – сто генов. Вторая развилка, когда разделились синапсидные и диапсидные, то есть курица и остальные четыре вида в этой выборке.



Ольга Орлова: Синапсидные виды, я напомню, как вы объясняли раньше, это зверообразные ящеры, а диапсидные - это современные рептилии, крокодилы, ящерицы и птицы.



Александр Марков: Столько же генов, то есть около сотни обонятельных, ничего не изменилось. Дальше начинается резкий рост от общего предка утконоса и остальных зверей, уже было больше трехсот генов. Затем у общего предка плацентарных и сумчатых, то есть опоссума, собаки и мыши уже около 670 генов обонятельных рецепторов. И общий предок собаки и мыши уже имел 740 генов обонятельных рецепторов. На этом в основном процесс закончился, но в некоторых группах происходили дополнительные дупликации. И самый главный результат этого исследования состоит в том, что таким образом выяснилось, что основная масса дупликации обонятельных генов как раз совпадает во времени с утратой опсиновых генов. То есть первый опсиновый ген был утрачен на самых ранних стадиях становления млекопитающих. Это как раз соответствует этому промежутку от курицы до утконоса. Здесь был потерян первый, я имею в виду, если говорить строго, от развилки, где предки курицы отделились от предков млекопитающих, до развилки, где предки утконоса отделились от предков сумчатых и плацентарных. Между этими двумя развилками потерян первый опсиновый ген и здесь же произошла половина дупликаций обонятельных генов.



Ольга Орлова: То есть получается, один процесс наоборот идет вспять, происходит утрата, теряется качество зрения, но при этом улучшается качество обоняния.



Александр Марков: Совершенно верно. То есть оказалось, что эти два чувства развивались в противофазе. У млекопитающих с одной стороны ухудшалось цветное зрение, с другой стороны быстро улучшалось обоняние. Видимо, и то, и другое было связано с переходом к ночному образу жизни. Млекопитающие стали больше полагаться на обоняние, а не на зрение.



Ольга Орлова: Действительно, в ночи не нужно видеть, различать цвета четко.



Александр Марков: По крайней мере, это не удается технически, может быть это было полезно, но не хватает света.



Ольга Орлова: Может быть действительно не очень нужно, но зато очень важно определять по запаху.



Александр Марков: И взамен цветного зрения развилось обоняние. Таким образом в пределах разрешающейся способности этого метода эти два процесса - утрата генов цветного зрения и массированная дупликация генов обоняния, вот эти два процесса во времени совпадают, совпадают с ранними этапами эволюции млекопитающих.



Ольга Орлова: Но тогда получается, что для того, чтобы повлиять на качество зрения или качество обоняния, достаточно совершить почти простые манипуляции, добавлять новый рецептор и можно так влиять, а кажется, что это очень сложный механизм. Известно, что это связано с мозговой деятельностью. Как же так получается просто?



Александр Марков: Казалось бы, это парадокс. Неужели достаточно просто добавить рецепторов в нос или в сетчатку глаза, и у нас сразу появятся новые чувства.



Ольга Орлова: То есть мы могли тогда это делать.



Александр Марков: Понятно, что если мы возьмем, к мозгу подключим сканнер, то у нас не появится нового чувство, потому что у нас нет в мозгу структур соответствующих, которые могли бы обрабатывать информацию. Но судя по всему, в данном случае, в случае с обонянием, зрением, может быть другими чувствами нашими, по-видимому, действительно вполне достаточно добавить новый рецептор и у нас действительно сразу появляется новое чувство. Потому что, по-видимому, мозг использует какие-то универсальные, обобщенные механизмы интерпретации сигналов, то есть просто в процессе развития индивидуального мозг учится различать сигналы, приходящие от разных рецепторов, воспринимать как разные сигналы и на основе этих сигналов строить картину мира, картинку, которую мы видим или запах, который мы чувствуем. И для этого ничего не нужно менять в мозгу, действительно, добавили новый рецептор, и пожалуйста. И недавно был проведен замечательный эксперимент на мышах. У мышей дихроматическое зрение, им взяли и сделали генномодифицированных мышей, им добавили туда ген третьего опсина человеческого и получились мыши с тремя опсинами. Понятно, в мозгу ничего не меняли. И эти мыши трансгенные, оказывается, как показали эксперименты, стали, может быть не очень идеально, но они стали отличать красное от зеленого гораздо лучше, чем их дикие предки.



Ольга Орлова: Как это можно на эксперименте показать, как узнать, что мыши различают цвета?



Александр Марков: Мыши же умные, просто, грубо говоря так, обучают мышь, что под красной лампочкой всегда есть еда, под зеленой нет, если она не различает цветов, она никогда не научится бежать к красной лампочке. А если она различает цвета, она быстро учится и бежит к красной лампочке, а к зеленой не бежит. Вот и все. Если научилась, то различает цвета - это упрощенно, но суть такая. Мозг - это универсальная система, позволяющая осуществляться эволюции органов чувств достаточно свободно.



XS
SM
MD
LG