Глава 8. Курс на запах.

Вначале восьмидесятых отношения между молекулярными биологами и теми, кто занимался целыми организмами — экологами, анатомами, палеонтологами, — были довольно напряженными. Анатомов, например, молекулярщики считали старомодными приверженцами безнадежно устаревшей научной дисциплины. Молекулярная биология производила в подходах к анатомии и биологии развития такую революцию, что классические области, такие как палеонтология, казались тупиковыми ветвями исторического развития биологии. Я очень остро ощущал все это: казалось, что меня с моей любовью к ископаемым скоро заменят каким-нибудь новейшим аппаратом, читающим последовательности нуклеотидов в ДНК.

Прошло двадцать лет, и я по-прежнему копаюсь в грязи и раскалываю камни. Кроме того, я собираю образцы ДНК и изучаю ее роль в развитии организмов. Так обычно и бывает в научных спорах — поначалу люди всегда склонны перегибать палку. Со временем подход "все или ничего" уступает место более взвешенным и реалистичным подходам. Ископаемые и геологическая летопись остаются богатым источником данных о нашем прошлом. Без них никак нельзя узнать, какими были условия среды и какие именно переходные формы возникали на протяжении развития жизни. Изучение ДНК в свою очередь, как мы уже убедились, открывает широкое поле для изучения истории жизни и механизмов формирования тел и органов. Роль ДНК особенно велика в тех вопросах, о которых палеонтологические данные ничего не говорят. Многие структуры живых организмов, например мягкие ткани, сохраняются в ископаемом виде лишь в редчайших случаях. Об истории многих таких структур у нас имеются сведения, добытые почти исключительно из ДНК.

Извлекать ДНК из живых организмов удивительно просто — так просто, что вы можете делать это у себя на кухне. Возьмите немного ткани какого-либо растения или животного — горох, или кусок мяса, или куриную печенку. Добавьте немного соли и воды и поместите все это в кухонный комбайн, чтобы размолоть в однородную массу. Затем добавьте немного средства для мытья посуды. Оно растворит окружающие клетки мембраны, оказавшиеся слишком маленькими, чтобы их размолол кухонный комбайн. После этого добавьте немного размягчителя для мяса. Он удалит некоторые белки, прикрепленные к молекулам ДНК. Теперь у вас получилось жидковатое мыльное пюре, в котором плавает ДНК. Добавьте к нему немного технического изопропилового спирта. У вас получится двухслойный коктейль: внизу мыльное пюре, вверху прозрачный спирт. ДНК охотно смешивается со спиртом, поэтому она выйдет из пюре в спирт. Если вы увидите, что в спирте появился округлый белый сгусток, значит, вы все сделали правильно. Этот сгусток и есть ДНК.

Теперь с помощью этого белого вещества можно разобраться во многих фундаментальных связях между нами и остальными живыми существами. Чтобы сделать это, нужно сравнивать строение и функции ДНК разных видов, и на это занятие у нас уходит немало часов и долларов. В этом деле очень помогает одно на первый взгляд неожиданное обстоятельство. Извлекая ДНК из любой ткани того или иного вида, к примеру из печени, можно добыть сведения об истории не только этой ткани и части тела, но и любой другой, например органов обоняния. В ДНК, содержащейся в любой клетке, будь это клетка печени, крови или мышечной ткани, содержится рецепт формирования того устройства, которым мы пользуемся для восприятия запахов окружающей среды. Во всех наших клетках заключен один и тот же набор ДНК. Разница между клетками, напомню, состоит в том, что в них работают разные участки ДНК (то есть гены). Гены, ответственные за наше обоняние, имеются во всех наших клетках, хотя работают они только в клетках носовой полости.

Как нам всем хорошо известно, запахи вызывают нервные импульсы, поступающие в мозг и во многом определяющие наше восприятие окружающего мира. Даже слабый запах может живо напомнить тот класс, в котором мы сидели в детстве, или уютный старый чердак в доме дедушки и бабушки и вновь оживить те чувства, которые мы там когда-то испытывали. Кроме того, и это еще важнее, запахи помогают нам выжить. Запах вкусной еды возбуждает в нас чувство голода, а запах канализации вызывает тошноту. У нас есть встроенная схема поведения, заставляющая нас избегать тухлых яиц. Если вам нужно продать дом, намного лучше, если покупатели, которые придут его осмотреть, почувствуют запах выпекаемого в духовке хлеба, чем варящейся на плите капусты. Люди вкладывают в запахи огромные деньги: в 2005 году в одних Соединенных Штатах парфюмерная промышленность получила 24 миллиарда долларов прибыли. Вот свидетельство того, как тесно мы связаны с нашим обонянием.

Обоняние позволяет нам различать от пяти до десяти тысяч разных запахов. Некоторые люди могут почувствовать вещество, придающее характерный запах острому перцу, в концентрации менее одной части на триллион частей воздуха. Это все равно что заметить единственную песчинку на песчаном пляже в полтора километра длиной. Как нам это удается?

То, что мы воспринимаем как запах, есть ответ нашего мозга на плавающий в воздухе коктейль из разных веществ. Молекулы этих веществ, которые мы ощущаем с помощью органов обоняния, обычно небольшие и достаточно легкие, чтобы оставаться взвешенными в воздухе. Когда мы дышим или принюхиваемся, мы втягиваем эти молекулы в ноздри. Через ноздри они поступают в полость, расположенную в глубине носа, и прилипают к слизи, выстилающей эту полость. Под этой выстилкой из слизи лежит участок ткани, содержащей миллионы нервных клеток, каждая из которых наделена тонким выростом, достигающим слизистого покрова. Когда выпавшие из воздуха молекулы доходят до окончаний этих выростов и связываются с их мембранами, клетки посылают в наш мозг сигналы. Эти сигналы мозг и воспринимает как запах.

На молекулярном уровне наше обоняние работает по принципу ключа и замка. Ключом служит молекула воспринимаемого вещества, замком — рецептор на мембране нервной клетки. Молекула, пойманная выстилающей носовую полость слизью, взаимодействует с рецептором на поверхности мембраны нервной клетки. Клетка посылает в мозг сигнал, только когда молекула связывается с рецептором. Каждому рецептору соответствуют молекулы определенного типа. То, что мы воспринимаем как один запах, часто вызывается набором из молекул многих разных веществ и, соответственно, набором из многих сигналов, поступающих в мозг.

Чтобы пояснить это, как нельзя лучше подойдет аналогия из области музыки: многие запахи — это что-то вроде аккорда. Каждый аккорд состоит из нескольких нот, звучащих и воспринимаемых вместе.

Точно так же и запах может состоять из сигналов от нескольких, часто даже многих рецепторов, работа которых запускается только определенными ключами — молекулами веществ определенного типа. Наш мозг воспринимает набор сигналов, поступающий от этих рецепторов, как один запах.

Органы обоняния находятся у нас внутри черепа, как и у других млекопитающих, а также у рыб, амфибий, рептилий, птиц. Как и у других животных, у нас есть отверстия, через которые внутрь нашей головы поступает воздух вместе с взвешенными в нем веществами, и набор специальных тканей, в которых эти вещества взаимодействуют с нейронами (нервными клетками). Сравним строение этих отверстий, полостей и оболочек у разных организмов от примитивнейших позвоночных до человека, чтобы выявить общие закономерности. Самые примитивные животные, обладающие черепом и позвоночником, — это бесчелюстные, такие как миноги и миксины. У них есть единственная ноздря, ведущая к расположенному внутри черепа мешку. Вода попадает через ноздрю в этот мешок, и в нем воспринимаются запахи. Самое большое отличие обоняния миног и миксин от нашего состоит в том, что они чувствуют запахи веществ, растворенных в воде, а мы — взвешенных в воздухе. Утех рыб, с которыми мы состоим в особенно близком родстве, например двоякодышащих или тиктаалика, органы обоняния еще больше похожи на наши: вода попадает внутрь черепа через ноздри и в итоге достигает полости, соединенной с полостью рта. У этих рыб две пары ноздрей — наружная и внутренняя. В этом они очень похожи на нас. Попробуйте дышать с закрытым ртом. Воздух будет входить сквозь наружные ноздри, проходить сквозь носовую полость и достигать внутренних ноздрей, через которые он попадает в глубину глотки и оттуда в трахею (дыхательное горло). У тех рыб, от которых мы происходим, тоже были наружные и внутренние ноздри, и неудивительно, что это были именно те рыбы, у которых была также плечевая кость — и ряд других общих с нами признаков.

Наши органы обоняния содержат немало сведений, отражающих наши связи с далекими предками — рыбами, амфибиями, млекопитающими. Большой прорыв в изучении этих связей произошел в 1991 году, когда Линда Бак и Ричард Аксель открыли большое семейство генов, отвечающих за наше обоняние.

Планируя свои эксперименты, Бак и Аксель исходили из трех важных предположений. Во-первых, у них была правдоподобная гипотеза, основанная на результатах, полученных в других лабораториях, о том, как должны выглядеть гены, на которых записан рецепт обонятельных рецепторов. Эксперименты показали, что структура этих рецепторов включает характерные молекулярные петли, помогающие рецепторам передавать информацию в пределах нервной клетки. Это была важная подсказка, потому что благодаря ей Бак и Аксель могли теперь искать в мышином геноме все гены, которые позволяют синтезировать такие структуры. Во-вторых, они предположили, что характер действия этих генов должен быть специфическим — они должны работать только в тканях, участвующих в восприятии запахов. Вполне логично: если эти гены отвечают за синтез обонятельных рецепторов, они не должны работать в тканях, где таких рецепторов нет. В-третьих, и это предположение было довольно смелым, Бак и Аксель решили, что должен быть не один такой ген и даже не несколько, что таких генов должно быть очень много. Эта гипотеза была выдвинута из тех соображений, что разные запахи стимулируются множеством разных веществ, и если каждому типу вещества соответствует один тип рецепторов, за который отвечает один ген, то таких генов должно быть очень и очень много. Однако исходя из данных, которые имелись в распоряжении исследователей на тот момент, эта гипотеза вполне могла оказаться ошибочной.

Но все три предположения вполне подтвердились. Бак и Аксель смогли найти искомые гены, обладающие характерной структурой. Они установили, что все эти гены работали только в тканях, задействованных в обонянии, а именно в обонятельном эпителии носовой полости. И наконец, они нашли огромное число таких генов. Это был полный успех. Затем Бак и Аксель открыли нечто поистине поразительное: целых три процента нашего генома занимают гены, отвечающие за восприятие разных запахов. Каждый из этих генов позволяет синтезировать рецептор, чувствительный к веществам определенного типа. За эти исследования Линда Бак и Ричард Аксель в 2004 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Успех экспериментов Бак и Акселя вдохновил многих других ученых на поиски генов обонятельных рецепторов у разных видов животных. Оказалось, что такие гены представляют собой настоящую летопись, в которой отражены все основные переходные этапы в истории жизни. Возьмем, к примеру, выход позвоночных из воды на сушу более 365 миллионов лет назад. Как выяснилось, существует два типа генов, ответственных за обоняние: одни специализируются на улавливании пахучих веществ, растворенных в воде, а другие — взвешенных в воздухе. Растворенные в воде молекулы иначе реагируют с обонятельными рецепторами, чем молекулы, летающие по воздуху, поэтому и рецепторы для них нужны разные. Как и следовало ожидать, оказалось, что у рыб на мембранах носовых нейронов сидят рецепторы для воды, а у рептилий и млекопитающих — для воздуха.

Это открытие помогает нам разобраться в устройстве обоняния самых примитивных из живущих в наши дни позвоночных — бесчелюстных, таких как миноги и миксины. Оказывается, у этих существ, в отличие от более продвинутых рыб и млекопитающих, нет генов ни "водных", ни "воздушных" рецепторов. Их обонятельные рецепторы представляют собой нечто среднее. Вывод ясен: эти примитивные позвоночные возникли раньше, чем гены обоняния разделились на два типа.

Изучение бесчелюстных позволяет сделать и еще одно очень важное наблюдение: генов обоняния у них очень мало. У рыб таких генов больше, а у амфибий и рептилий — еще больше. Число генов обоняния постепенно возрастало в ряду предков млекопитающих и только у них стало по-настоящему огромным. У нас, млекопитающих, таких генов больше тысячи, и значительная часть нашего генетического аппарата посвящена одному лишь обонянию. В целом, по-видимому, чем больше таких генов имеется у животного, тем острее его обоняние и тем выше способность различать запахи. Поэтому вполне закономерно, что у нас этих генов так много: млекопитающие особо специализированы на использовании обоняния. Вспомним, как хорошо идут по следу собаки, безошибочно держа курс на едва уловимый запах.

Но откуда возникли все эти многочисленные новые гены? Не могли же они появиться на пустом месте! Если мы посмотрим на строение этих генов, ответ на это вопрос станет для нас вполне очевидным. Если сравнить гены обоняния млекопитающего с горсткой генов обоняния миноги, мы увидим, что "избыточные" гены млекопитающего все представляют собой как бы вариации на тему: они выглядят как копии, хотя и видоизмененные, генов миноги. Это означает, что огромное число наших генов обоняния возникло в результате многократного удвоения генов, которые были у наших далеких предков — примитивных бесчелюстных позвоночных.

Но из всего, что известно о генах обоняния млекопитающих, следует один парадоксальный вывод. У людей, как и у всех остальных млекопитающих, эти гены занимают около трех процентов генома. Когда генетики рассмотрели структуру этих генов в подробностях, оказалось, что их ждал большой сюрприз: из тысячи имеющихся у нас генов обоняния целых триста стали совершенно нефункциональными в результате мутаций, изменивших их структуру до полной непригодности. У многих других млекопитающих эти гены используются. Почему у нас так много генов обоняния, если среди них так много бесполезных?

Ответить на этот вопрос помогают исследования дельфинов и китов. Хотя они и похожи внешне на рыб, они настоящие млекопитающие, у них есть молочные железы и три косточки в среднем ухе. История их происхождения тоже записана у них в обонятельных генах: в отличие от рыб, они не имеют генов водных рецепторов, а имеют, как и все млекопитающие, гены воздушных рецепторов. В той ДНК, что отвечает за формирование органов обоняния у китов и дельфинов, записана информация об их происхождении от наземных млекопитающих. Но вот что интересно: дельфины и киты больше не используют свои носовые полости для восприятия запахов. Что же делают у них эти гены? Бывшие ноздри образовали у китов и дельфинов дыхало, которое они используют для дыхания, но не для обоняния. Примечательно то, что при этом произошло с генами обоняния: у китообразных все гены обоняния на месте, но все они нефункциональны.

То же, что случилось с генами обоняния дельфинов и китов, произошло также и со многими генами многих других видов.

Время от времени, из поколения в поколение, в геноме возникают мутации. Если в результате мутации ген теряет функциональность, это нередко приводит к смерти организма. Но что будет, если в результате мутации отключается ген, который ни для чего не нужен? Последствия таких событий описаны множеством математических моделей, но в общих чертах их и так нетрудно предсказать: подобные мутации будут спокойно передаваться из поколения в поколение. По-видимому, именно это и случилось с дельфинами. Гены обоняния им больше не нужны: воспринимать запахи из воздуха им незачем, дыхало служит им только для дыхания. Поэтому мутации, отключавшие эти гены, из поколения в поколение постепенно накапливались. Эти гены стали бесполезны, но остались в ДНК как безмолвные свидетельства эволюции.

Но ведь люди чувствуют запахи, так почему же у нас выключено так много генов обоняния? На этот вопрос ответили Иоав Гилад и его коллеги, сравнив гены разных приматов. Гилад обнаружил, что приматы, у которых развито цветовое зрение, обычно имеют больше выключенных генов обоняния. Вывод ясен. Мы, люди, относимся к эволюционной ветви, которая променяла обоняние на зрение. Мы стали полагаться на зрение больше, чем на обоняние, и это отражено в нашем геноме. Нельзя преуспеть во всем одновременно, и когда наши предки стали больше пользоваться зрением, многие из генов обоняния постепенно выключились за ненадобностью.

У нас в носу спрятано много данных — или, точнее, в тех участках ДНК, которые управляют нашим обонянием. Сотни неиспользуемых обонятельных генов достались нам в наследство от наших предков — древних млекопитающих, которым обоняние помогало выжить в большей степени, чем зрение. Мы можем и еще дальше пойти в подобных сравнениях. Подобно ксерокопиям, которые изрядно изменяются после многократного копирования, наши гены обоняния тем меньше похожи на гены обоняния других существ, чем дальше наше с ними родство. Человеческие гены похожи на гены других приматов, не так похожи на гены других млекопитающих, еще меньше похожи на гены рептилий, амфибий, рыб и так далее. Информация, которые несут наши гены, служит немым свидетельством нашего прошлого. У нас в носу не просто база данных, а целое древо жизни.