Трансляция химических сигналов

 

Как только ученые сумели изолировать образец коровьего ОСБ, они тут же подвергли его секвенционному анализу, чтобы понять, к какому классу белков он может относиться. Еще до наступления эры геномов у них в распоряжении была большая база данных по последовательностям белков: естественно, они надеялись найти параллели с чем-то уже изученным. Им хватило коротенького сегмента последовательности, всего в 25 аминокислот, чтобы выявить заметное сходство с маленькими растворимыми белками, присутствующими в моче мышей и крыс.

 

ОСБ – переносчики феромонов в моче грызунов

 

Эти белки, получившие название ОМБ (основные мочевые белки), были описаны еще в 1965 году, но два десятилетия спустя их функции все еще оставались для науки загадкой. Один факт не давал ученым покоя: эти ОМБ выделялись в мочу мышей в количестве до 10 миллиграммов в день – это примерно 10 % азотного баланса животного. Такую колоссальную трату энергии должно что-то оправдывать, какие-то очень важные функции.

Любопытно, что значительное сходство между ОМБ и ОСБ в итоге пролило свет не на функции ОСБ, а на присутствие ОМБ в моче, убедительно разрешив загадку двадцатилетней давности. Логично было предположить, что, если ОСБ связывают одоранты и феромоны, ОМБ тоже будут работать с подобного рода лигандами. Впоследствии это было экспериментально доказано Андреа Каваджони, который обнаружил и еще один, более интересный момент: изолированные из мышиной мочи ОМБ оказались нагружены химическими веществами, которые ученые уже идентифицировали как мышиные феромоны.

Иными словами, задача этих белков заключалась в том, чтобы связывать феромоны и сохранять их в водной среде урины. Почти все виды животных маркируют свое присутствие феромонами, а некоторые используют в качестве переносчика именно мочу. Если феромон из-за своей гидрофобной природы (непосредственно связанной с волатильностью) плохо растворяется в воде, ему на помощь приходит белок, обеспечивающий гидрофобную микросреду у себя в связывающей полости. Но и это еще не все: внутри белка молекула феромона надежно защищена от разлагающего действия факторов окружающей среды, и ее летучесть падает. Упаковывая свое любовное послание потенциальным партнерам в белок, мышь делает рекламу более долгоиграющей.

 

ОСБ как феромоны

 

Но достаточно ли этого, чтобы оправдать такой дорогой конверт для романтической записочки? Скорее всего, нет. Карла Мучиньят, работавшая в то время с Андреа Каваджони, задумалась, не может ли и сам белок в чем-то выполнять функции феромона. Заметим, что ОМБ водятся только у самцов и контролируются гормонами: их выделяют только взрослые половозрелые особи мужского пола. Следовательно, их функции нужно искать где-то в репродуктивной сфере.

Карла стала впрыскивать очищенный белок безо всякого лиганда в носовую полость юных самочек. Оказалось, что у особей, получавших ОМБ в контрольной выборке, репродуктивные органы созревали быстрее. Эксперимент, таким образом, показал, что не только связываемый лиганд, но и сам белок-переносчик тоже выступает в качестве феромона. ОМБ – не просто коробочка для подарка; он сам и есть подарок [6]. Это объясняет наблюдаемое у подопытных поведение. Когда самец оставляет мочевую метку, самки находят дорогу к нему, руководствуясь постепенно высвобождающимся запахом. Обнаружив метку, самка лижет ее и тем самым загружает белок в вомероназальный орган – специальную полость, расположенную под носом и связанную со ртом, которая как раз и занимается работой с феромонами.

Когда ученые получили больше последовательностей ОМБ и ОСБ, стало ясно, что обе эти группы белков принадлежат к одному классу, а некоторые из них можно найти и в моче, и в носу. В этом нет ничего удивительного, если представить себе феромональную коммуникацию как радиовещательную станцию (мочу) и радиоприемник (нос), которые используют одну и ту же длину волны (связывающий белок) для отправки и получения посланий.

Теперь нам уже известно, что такая двойная система в природе широко распространена, и ОСБ действительно частенько работают на две ставки. Для трансляции феромонов далеко не всегда используется моча – другие биологические жидкости ничем не хуже. Хомяки пользуются вагинальным секретом, кролики – спермой, лошади – потом, а свиньи – слюной. Разные животные применяют для передачи феромонов разные выделения, и, если в них есть феромон, значит, где-то рядом есть и ОСБ.

 

ОСБ и феромоны в свиной слюне

 

Мы уже не раз говорили о свином феромоне, андростеноне, который содержится в слюне кабана и представляет серьезную угрозу качеству свинины. Андростенон – весьма гидрофобное соединение, и, чтобы выживать в водной среде слюны, ему очень нужен белок. На самом деле в подчелюстных железах кабана производятся сразу два ОСБ, в связывающих полостях которых содержатся два компонента феромона – андростенон и соответствующий ему спирт, андростенол. Оба ОСБ есть и в носу, но там у них отсутствуют лиганды. Подобно ОМБ, эти два ОСБ выделяются только самцами, а вот в носу были найдены у обоих полов.

 

ОСБ и ХСБ как переносчики феромонов у насекомых

 

А что же насекомые? Есть ли у них такое же явление, когда одни и те же белки высвобождают и регистрируют феромоны? Да, есть, и у некоторых видов оно изучено достаточно хорошо. Насекомые имеют особые феромональные железы, которые легко узнать и анатомировать. У многих видов железы, производящие половые феромоны, находятся на конце брюшка и спрятаны от наших глаз. Во время призыва самка выделяет прозрачный шарик, содержащий феромон, который через некоторое время высвобождается в окружающую среду. У некоторых видов в указанных железах были обнаружены как ОСБ, так и ХСБ, и не один-два, а сразу десятки или даже больше. Основная задача этих белков – очевидным образом сделать феромон растворимым и, возможно, отрегулировать скорость его высвобождения в окружающую среду, примерно как с ОМБ в мышиной моче. Но зачем их столько? Может быть, они тоже играют роль феромонов, как ОМБ? Ответа на этот вопрос мы пока не знаем.

Помимо этих желез, которые занимаются производством половых феромонов и есть теоретически у всех видов насекомых на свете, у них встречаются и другие феромональные железы, расположенные на разных частях тела. Особенно это характерно для социальных насекомых. Сам химический язык у них, как мы уже отмечали, гораздо богаче, так как особям приходится много общаться друг с другом и обмениваться специализированной информацией, включающей личные характеристики, места кормежки, присутствие опасности, приказы и инструкции относительно общих задач, таких как строительство своего гнезда, нападение на чужое гнездо, забота о личинках и всякие другие операции.

У медоносных пчел, к примеру, очень развиты челюстные железы, способные производить сразу несколько феромонов. Те же самые железы содержат ряд ОСБ и ХСБ, синтез которых регулируется сообразно касте и возрасту. Особенно наглядно это выглядит у рабочих пчел, которым на протяжении жизни назначаются разные задачи: сначала кормление личинок, потом забота об улье, потом охрана и отражение нападений и, наконец, сбор пищи – и соответственно меняется их профиль экспрессии по ОСБ и ХСБ.

Разумеется, растворением феромонов функции этих белков не ограничиваются. Есть гипотеза (ее еще нужно подтвердить), которая гласит, что связывающие белки могут регулировать состав феромоновой смеси. Иными словами, вместо того чтобы управлять синтезом компонентов, гораздо проще управлять экспрессией связывающих их белков. Таким образом, состав феромоновой смеси будет определяться количеством и соотношением связывающих белков. Для синтеза одного феромона необходимы несколько активных ферментов, чье производство нужно запускать по запросу. По контрасту синтез белка-переносчика зависит от активации одного-единственного гена. И ОСБ, и ХСБ – маленькие белки, которые спонтанно укладываются в правильную структуру и, в отличие от ферментов, не нуждаются ни в каких дополнительных факторах, чтобы связывать свои лиганды.

ОСБ и ХСБ были найдены еще и в репродуктивных органах насекомых. У совки хлопковой, например, ОСБ в больших количествах присутствует в антеннах, но есть также и в сперме. Во время спаривания этот белок передается от самца самке и заканчивает свой путь на поверхности яиц – разумеется, только оплодотворенных. Как и в других случаях, он переносит эндогенные лиганды – возможно, феромоны, чье назначение нам пока неизвестно.

Похожим образом обстоят дела у комара, переносящего желтую лихорадку, Aedes aegypti: он тоже передает самке ОСБ вместе со спермой. А вот у восточной саранчи, Locusta migratoria, самка является счастливой обладательницей целых 17 ХСБ (найдены в репродуктивных органах), тогда как в сперме самца содержится всего один. Наука только начинает догадываться о том, какой комплексной бывает межполовая химическая коммуникация даже у относительно примитивных видов насекомых. Предположительно, каждый из этих ОСБ и ХСБ переносит тот или иной феромон, управляющий процессом ухаживания и фазами репродукции.

Но дело, возможно, не только в химической коммуникации.

Роль ОСБ и ХСБ как переносчиков липофильных лигандов не ограничивается феромонами и пахучими веществами. Я уже рассказывал о ретиноло-связывающем белке, липокалине, транспортирующем очень гидрофобный ретинол по кровотоку от печени к сетчатке. Нечто похожее происходит и у насекомых: ОСБ и ХСБ были найдены в глазах хлопковой совки и медоносной пчелы, где они, по всей видимости, служат переносчиками гидрокси-ретиналя – продукта окисления гидрокси-ретинола, необходимого для зрения. Скорее всего, это характерно для всех насекомых вообще. Те же или похожие белки рекрутируются для транспортировки феромонов и зрительных пигментов. Несмотря на разные функции, эти лиганды имеют одну общую физико-химическую характеристику: они очень гидрофобны и нуждаются в белковой оболочке, чтобы перемещаться внутри водной физиологической среды.

Как мы уже отметили, мочевые белки непосредственно влияют на созревание молодых самок. По меньшей мере в одном случае было продемонстрировано, что ХСБ нужен и для созревания эмбриона. ХСБ-3 у пчел есть только в яичниках и яйцах (и больше нигде в организме) – довольно необычный факт, так как ХСБ обычно присутствует в разных органах. Когда подавили ген, кодирующий этот белок, и, следовательно, заблокировали его синтез, эмбрионы перестали нормально развиваться и не смогли потом выйти из яиц.

Другой ХСБ, как оказалось, участвует в регенерации ног у тараканов. Интересно, что этот белок и его действие ученые отметили еще за несколько лет до того, как в сенсорных органах было обнаружено присутствие ХСБ и началось изучение их как одорантов и переносчиков феромонов. Если оторвать у таракана ногу на стадии личинки, насекомое ее благополучно восстановит. В процессе регенерации синтез белка, в то время именовавшегося р10 (его структура очень близка к хемосенсорным белкам), увеличивается во много раз, а по ее завершении снова падает до нормальных показателей.

Помимо вышеописанных важных для выживания задач, ХСБ и ОСБ иногда используются и в более скромных целях. В хоботке совки хлопковой и родственных ей видов ХСБ содержится в больших количествах. Есть доказательства, что этот белок работает лубрикантом, обеспечивающим прохождение жидкостей через хоботок и облегчающим сосание. Все белки являются своего рода детергентами, снижающими поверхностное натяжение воды и увлажняющими поверхности, находящиеся в контакте с растворами. Ныряльщики частенько смачивают слюной стекло подводных масок, чтобы на внутренней поверхности не образовывались капельки воды.

 

Многозадачные белки

 

Количество ОСБ и ХСБ, выполняющих и другие задачи помимо химической коммуникации, постоянно растет, потому что ученые постоянно расширяют поле исследований и одну за другой опровергают гипотезы, раньше стоявшие на пути прогресса. Сама идея, что некий инструмент (например, белок) используется только для одной какой-то цели в одном органе и обладает одной специфической функцией, в биологии не работает и в качестве обоснованной гипотезы выступать не должна. Напротив, как только эволюция вырабатывает особенно эффективный прием или механизм, система начинает защищать его от дальнейших изменений.

Очень наглядный пример – родопсин, белок, лежащий в основе функции зрения и регистрирующий свет. Он есть у всех живых существ, от примитивных водорослей до людей, и от вида к виду практически не меняется. Столь полезные инструменты организм адаптирует и под другие задачи, тоже практически не меняя их сути. Так образуется суперсемейство белков. Сам факт, что многие белки организуются в суперсемейства, лучше всего свидетельствует, что природа сумела создать очень успешное соединение, пригодное для выполнения множества не связанных друг с другом задач. Суперсемейство липокалинов, наверное, лучший пример такого явления.

Суперсемейство, к которому принадлежат ОСБ позвоночных, включает также и другие липидо-связывающие белки с иными функциями – в частности, связывающие ретинол и жирные кислоты. К нему относятся даже некоторые ферменты и мембранные белки, а еще – β-лактоглобулин, в изобилии содержащийся в молоке. Его функция нам до сих пор непонятна. Всех их объединяют некоторые общие моменты в последовательности, но прежде всего – очень похожая компактная структура, даже у тех членов семейства, которые лишь очень отдаленно родственны друг другу.

Подобный сценарий (как у липокалинов и ОСБ позвоночных), оказывается, есть и в мире насекомых. ОСБ и ХСБ, судя по всему, лишь самая верхушка айсберга, намекающая, что в области химической коммуникации и за ее пределами существуют и более крупные семейства белков с разными функциями [7].

 

 

9

Рецепторы, и не только они

От одорантов к эмоциям

 

Долгожданное открытие

 

Мы точно знали, что они существуют, и даже неплохо представляли, как они должны выглядеть.

Это не мешало им ускользать от всех попыток их найти.

Идентификация ольфакторных рецепторов стала результатом целой серии событий. Открытие ОСБ впервые показало, что к обонянию можно применять биохимический подход, а заодно предоставило нам нужные инструменты и даже подсказало маршрут. Но тут на сцену вышла и принялась стремительно развиваться молекулярная биология – уже со своим инструментарием, позволяющим изучать гены и кодирующую белки последовательность ДНК. Это позволило значительно сократить путь к рецепторам. Самым крупным шагом вперед, вероятно, стоит считать изобретение новейших (на тот момент) техник умножения последовательностей (репликации) ДНК, то есть быстрого и несложного получения миллиардов копий. Особенно важно это было для изучения генов с малым количеством копий, например тех, которые кодируют ольфакторные рецепторы.

Именно из-за крошечных объемов этих рецепторов в ольфакторном эпителии многие исследовательские группы, вдохновленные успехами ОСБ, и терпели крах все предшествующее десятилетие. Пользуясь биохимическими методиками, они время от времени получали результаты, но весьма скудные и двусмысленные. Впрочем, никакие другие группы повторить их все равно не смогли. Всякое научное открытие непременно должно быть подтверждено, а ваши результаты – повторены другими учеными; только после этого его принимает научное сообщество. Так как раз получилось с ОСБ – интерес к ним вспыхнул мгновенно после того, как американские коллеги сумели воспроизвести результаты наших опытов.

Ничтожные количества мембранных белков сами по себе уже сильно затрудняли идентификацию. Но еще труднее оказалось иметь дело со слишком большим количеством рецепторов, которых у каждого вида по несколько сотен – согласно имеющейся в нашем распоряжении информации по геному. Все они отличаются друг от друга, но так близки по химическим свойствам, что изолировать их нет практически никакой возможности.

Необычайная сложность ольфакторного кода до сих пор оставалась для большинства ученых загадкой. Обонятельную систему очень хотелось видеть простой и элегантной, подобно зрительной; ученые надеялись, что вся она сводится к нескольким элементарным ощущениям. Увы, очень скоро от этой надежды не осталось камня на камне.

В противоположность этим распространенным представлениям Ричард Аксель и Линда Бак были убеждены, что ольфакторные рецепторы представляют собой огромное мультигенное семейство, – и оказались в итоге совершенно правы. Блестящее интуитивное прозрение! При таком сценарии искать белки-рецепторы биохимическими методами не имело ни малейшего смысла, и эта пара исследователей решила сосредоточиться на соответствующих генах.

В конце 1980-х, когда Бак и Аксель приступили к исследованиям, молекулярная биология уже прочно стояла на ногах. Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) стремительно набирал популярность благодаря беспрецедентной эффективности в изучении генов с очень низкой экспрессией – именно к таким, как предполагалось, относятся и ольфакторные рецепторы.

Амплификация гена с помощью ПЦР – дело совсем не сложное, если вы уже знаете хотя бы несколько фрагментов его нуклеотидной цепочки. Но с ольфакторными рецепторами все было по-другому. Искать пришлось среди сотен и тысяч разных секвенций, причем не понимая толком, что именно ты ищешь. След был один, да и тот совсем слабый: ученые знали, что некий мембранный белок, называемый G-белком, был ступенькой от обонятельного стимула к восприятию и что G-белки связаны с особым семейством рецепторов, расположенных в клеточной мембране, причем очень интересным способом: они пересекают ее по нескольку раз, следуя попеременно то внутрь клетки, то наружу. Из-за этой своей особенности они называются 7-ТМ (семь трансмембранным) семейством. Уже упоминавшийся родопсин и β-адренэргические рецепторы (занимающиеся регистрацией нейротрансмиттеров) относятся к этому семейству. На тот момент они уже были изучены достаточно хорошо. Бак и Аксель сосредоточились именно на этих рецепторах и приняли их последовательности за шаблон для дизайна коротких сегментов ДНК (праймеров), с помощью которых в ПЦР планировалось выловить какие-нибудь ольфакторные рецепторы.

Да, все выглядит просто и прямолинейно, но на самом деле искать ольфакторные рецепторы примерно так же легко и удобно, как пресловутую иголку в стоге сена. Несколько лабораторий в то время параллельно шли по следу и сотнями проводили ПЦР-эксперименты, постоянно клонируя и выбрасывая гены, в надежде отыскать ту единственную последовательность, которая укажет путь ко всем генам ольфакторных рецепторов, – словно золотоискатели в поисках вожделенного самородка.

В таких ситуациях нужнее всего терпение и настойчивость – умение снова и снова терпеть поражение и не сдаваться. Ну и конечно, твердая вера в то, что предмет поисков вообще существует на свете и что рано или поздно ты его обязательно найдешь. Линда Бак не только обладала всеми этими качествами, но и лучше других умела сочинять праймеры и ставить эксперименты. Возможно, ей вдобавок сопутствовала удача, но все-таки главным фактором, принесшим успех по истечении трех долгих лет, была стойкость.

Первые свои результаты Линда Бак и Ричард Аксель обнародовали в 1991 году в престижном журнале Cell [1]. Публикация статьи произвела эффект разорвавшейся бомбы. Они практически снесли глухую стену, открыв науке доступ в скрывавшийся за ней целый новый мир. Через 13 лет важность их открытия была признана в мировом масштабе: оба ученых получили Нобелевскую премию в области медицины и физиологии [2].

Всякому, кто занимался обонянием, было ясно, что фрагментарные последовательности, о которых написал Cell, содержат ключ к пониманию всего языка запахов. Многие лаборатории, занимавшиеся поиском ольфакторных рецепторов, с помощью новой информации сделали огромный шаг вперед – да что там шаг, практически прыжок. Другие группы изменили сам подход к проблеме и организовали новые молекулярно-биологические исследовательские центры. То, что каких-то десять лет назад считалось областью ненадежной и рискованной, куда лучше лишний раз не заглядывать, ныне превратилось в святую землю, текущую молоком и медом.

Впервые наука получила прямой доступ к рецепторам, считывающим химическую информацию, записанную в структуре одорантов, и переводящим ее в электрические сигналы, которые, попадая в мозг, порождают эмоции, слова и поведенческие реакции. Линда и Ричард заложили первый, самый важный кирпичик, но сделать предстояло еще очень много. Сложные механизмы, ведущие к воспринимаемым мозгом ощущениям, затейливые нейронные сети, по которым путешествуют обонятельные сообщения, мешая друг другу и взаимодействуя с прочими областями мозга, еще только ждали своего исследователя.

 

Ольфакторные рецепторы как представители огромного мультигенного семейства

 

После открытия ольфакторных рецепторов ученые первым делом задались вопросом, сколько же их всего. Было уже ясно, что количество генов, кодирующих эти белки, превышает любые предварительные оценки, сделанные на базе психофизических исследований. Первые полученные данные дали возможность оценить их количество у крыс приблизительно в 1000. Получается, что в плане сложности кода обоняние куда ближе к слуху, чем к зрению.

Позже, уже после расшифровки генома, открывшей доступ ко всем генным последовательностям, количество ольфакторных рецепторов у крыс было пересмотрено: их скорее ближе к 1500, из которых 20 % не работает. Их называют псевдогенами, так как в последовательностях у них есть ряд ошибок, делающих экспрессию невозможной. Схожая картина наблюдается у мышей и собак, с 1300 и 1100 генами соответственно. У этих видов около 20 % генов, присутствующих в геноме, тоже не доходят до экспрессии. А вот у людей ситуация уже другая. Хотя общее количество генов у нашего вида более 900, находятся в рабочем состоянии и потенциально активны из них менее 350. Этот факт недвусмысленно свидетельствует, что мы постепенно теряем обоняние.

Почему же и как это происходит? В ходе эволюции в генах постоянно происходят случайные мутации – это просто следствие ошибок. Несовершенство воспроизводящего гены механизма – это не проблема; напротив, оно работает во благо нам и играет в эволюции очень важную роль. Эволюция как таковая вообще происходит в основном благодаря случайным ошибкам. Большая их часть не имеет никаких последствий для белка, кодируемого тем или иным геном, так как генетический код по природе своей избыточен, и во многих случаях замена одного-единственного нуклеотида все равно дает триплет, кодирующий ту же самую аминокислоту. Когда меняется аминокислота, мутация может оказаться в итоге благотворной, нейтральной или вредоносной для жизни и здоровья особи. Естественный отбор определит, какой вариант самый благоприятный, и назначит его победителем. В некоторых случаях замена одного нуклеотида может привести к терминирующему кодону – то есть к сигналу, велящему системе прекратить синтез данного белка, – или к другим проблемам, вследствие которых экспрессия белка все равно будет нарушена. Понятно, что, если белок незаменим или очень важен для жизни, особь может умереть, не успев передать свой генетический материал потомству.

Но если отсутствие белка не подвергает опасности жизнь и здоровье особи, то ущербный ген передается дальше, будущим поколениям, а с ним вместе и мутация.

Люди вообще не слишком полагаются на чувство обоняния. Даже совершенный аносмик может вести нормальную жизнь, ничуть не страдая от этой аномалии в процессе поиска партнера или выбора пищи. Более того, учитывая большое общее количество ольфакторных рецепторов, присутствие среди них горстки неработающих, скорее всего, вообще не будет никем замечено на протяжении всей жизни индивидуума. Это объясняет широкую распространенность псевдогенов в человеческой популяции – по крайней мере, в сравнении с другими млекопитающими. Если взять приматов, там эта тенденция тоже подтверждается: 30 % псевдогенов у низших обезьян и 50 % – у человекообразных. Что касается людей, то логично было бы предположить (и психофизические исследования до некоторой степени подтвердили эту гипотезу), что у каждого из нас нет как минимум нескольких ольфакторных рецепторов, так что такого явления, как полностью нормальный субъект, в обонянии, в отличие от зрения, просто не существует.

 

Ольфакторные рецепторы у позвоночных

 

В процессе поиска ольфакторных рецепторов у какого-нибудь нового вида последовательности дают один заметный бонус – отсутствие интронов. Обычно в гене есть кодирующие сегменты, экзоны, перемежающиеся ненужными, интронами, которые при построении РНК из ДНК просто вырезаются. На уровне РНК ген (из которого дальше будут получать белок) получается путем сшивания вместе разных фрагментов, которые в геноме могут располагаться довольно далеко друг от друга.

Ольфакторные гены позвоночных в такой редактуре не нуждаются. Мы собираем последовательности сразу на уровне генома, и это сильно облегчает поиски. К тому же ольфакторные рецепторы у позвоночных сохраняются достаточно хорошо, и поэтому, основываясь, скажем, на последовательности крыс, можно относительно легко идентифицировать ольфакторные рецепторы и у других видов позвоночных.

Приведем пример. У данио-рерио (рыба) в геноме есть 133 последовательности, кодирующие ольфакторные рецепторы. Функциональны из них менее 100. А вот у тропической лягушки Xenopus tropicalis количество генов приближается к 900, и работают из них 400. Эта лягушка вообще очень интересный вид, и о ней стоит сказать пару слов.

Амфибии ведут двойную жизнь, в воде и на воздухе, и Xenopus  среди них – не исключение. Имея две личности и две сферы деятельности, с которыми нужно одинаково эффективно управляться, этот вид обзавелся двумя носами. Как ни странно это звучит, у них действительно две назальных полости, которые открываются и закрываются в зависимости от того, в какой среде находится лягушка. В двух носах находятся два набора ольфакторных рецепторов. Те, что в водном носу, по своим аминокислотным последовательностям больше похожи на рецепторы рыб, а те, что в сухопутном, – на рецепторы млекопитающих.

Также довольно необычны в этом отношении простые куры, у которых из большого количества генов (около 550) работают только 80 или даже меньше – совсем как у человека. Ученые до сих пор спорят о том, какую роль в жизни птиц играет обоняние, да и само существование феромонов у них до сих пор под вопросом. Птицы славятся превосходным зрением – чего стоит хотя бы выражение «зоркий, как орел». Многие аспекты птичьей жизни определяются именно зрением, о чем свидетельствует, например, яркое оперение, стимулируемое половым отбором и нужное самцам для ухаживания за самками. Однако обоняние у птиц, безусловно, есть, и сбрасывать его со счетов нельзя. Самый лучший пример в этом отношении – почтовые голуби, способные летать на огромные расстояния и находить гнездо благодаря записанной в мозгу ольфакторной карте местности. Другие перелетные птицы тоже пользуются обонянием для ориентации в пространстве, а у некоторых видов ученые нашли и предположительные феромоны.

Что происходит, когда дышащие воздухом млекопитающие возвращаются на постоянное жительство в воду, как киты или дельфины? Воздушный нос им больше не нужен, а водный они на этом этапе своей эволюции пока не развили и развить не могут. По большому счету китообразные все аносмики. В этом они на шаг обогнали людей, так как уже успели утратить все свои ольфакторные рецепторы. У китов есть несколько генов ольфакторных рецепторов, но все это псевдогены.

 

От людей до червячков

 

Червячком ученые на самом деле прозвали Caenorhabditis elegans, крошечную нематоду, едва различимую невооруженным глазом, которая уже больше полувека верно служит полезной и интересной моделью для изучения генетики и эволюционного развития. Эта малютка стала первым многоклеточным организмом, чей геном нам удалось расшифровать в 1997 году. Позднее ее взяли в оборот и нейробиологи: нематода нашла себя в качестве модели для изучения нервной системы – благо она у нее до крайности проста и состоит всего из 302 нейронов, – но это все равно значительная часть организма червячка, который весь насчитывает 959 клеток.

Несмотря на подобную незамысловатость, у Caenorhabditis elegans более 500 функциональных ольфакторных генов [3], причем все эти сенсорные рецепторы упакованы в 32 нейрона. Это означает, что в каждом нейроне у нее по несколько рецепторов, и, следовательно, он способен регистрировать несколько химических веществ. Запахи, улавливаемые одним нейроном, она не в силах отличить друг от друга и вынуждена записывать в одну категорию. Учитывая такие ограниченные ресурсы, червячок разработал для себя крайне эффективную систему, сочетающую способность регистрировать большое количество разных химических структур с чрезвычайно простой анатомией.

Важнее всего то, как особь реагирует на стимул – а не природа стимула как такового. Например, потенциально токсичные соединения могут относиться к химически разным категориям и нуждаются в обширном репертуаре регистрирующих рецепторов, но суть в том, что все они вызывают один и тот же сигнал тревоги, а потому уходят к одному хемосенсорному нейрону и запускают реакцию отторжения. Примерно так же другой сенсорный нейрон отвечает за разные типы пищи, и, хотя различать разные вкусы система не в состоянии, она регистрируется как съедобная, и червячок получает инструкцию «полный вперед». Это похоже на светофор с его элементарными сигналами, которые не нужно никак объяснять.