Линда Бак и Ричард Аксель изучали процессы обработки запахов у позвоночных животных на примере крыс. Они провели эпохальное исследование, в ходе которого выявили у млекопитающих большой и разнообразный набор генов рецепторов, воспринимающих запахи. В конечном итоге Бак и Аксель пришли к выводу, что молекулы одоранта взаимодействуют с рецепторами как ключи с замками. Если у рецептора есть правильный «замок» для подходящего «ключа» одоранта, то он вызывает дальнейшие реакции в клетке, которые передают в мозг по нейронной сети информацию о появлении данного запаха.
Биологам-дрозофилистам потребовалось совсем немного времени, чтобы присоединиться к Баку и Акселю, но у них было преимущество: секвенирование генома их любимого организма близилось к завершению на год или два раньше человеческого генома, и они смогли получить полное представление о составе рецепторов запаха у дрозофил и механизмах их работы. Ученые нашли по крайней мере шестьдесят один ген обонятельных рецепторов в геноме дрозофилы. Ни один из них не имеет достаточного сходства с генами одорантов позвоночных, поэтому и называть их аналогичным образом нельзя. По сути, гены обонятельных рецепторов дрозофилы демонстрируют крайнюю дивергенцию секвенирования с генами других насекомых, что указывает на быстрое изменение этих рецепторов в процессе эволюции. Структура белков, кодируемых этими генами, очень интересна: все они следуют общей схеме встраивания в мембрану органа, который улавливает запахи, в случае насекомых – в усики. Типичный белок обонятельного рецептора проходит через мембрану клеток органа, воспринимающего запах, с так называемыми трансмембранными доменами. Торчащая из клетки часть обонятельного рецептора специфически связывает соединения, которые затем запускают внутриклеточные реакции в клетках рецепторов, сигнализирующие мозгу о наличии определенного запаха. Шестьдесят один ген обонятельных рецепторов дрозофилы – это ничто по сравнению с более чем одной тысячью, обнаруженной у нематоды (круглого червя), и уж тем более по сравнению с примерно девятнадцатью сотнями у слона. Но способность организма воспринимать запахи сложно измерить подсчетом генов обонятельных рецепторов.
Первая сложность заключается в том, что не все гены в геноме организма экспрессируются. Ведь даже наличие последовательностей, которые обычно встречаются в гене определенного вида, не означает, что ген активен. Неактивные гены называются псевдогенами, как я уже отмечал ранее. Отсутствие экспрессии псевдогенов обычно вызвано появлением терминирующего кодона, или стоп-кодона, который делает ген усеченным и нефункциональным. Стоп-кодон – это сигнал для механизма трансляции белка клетки прекратить преобразование гена в белок. Диапазон количества генов обонятельных рецепторов у позвоночных животных впечатляет своим многообразием (см. рис. 4.1 и вставку 4.3).
4.3 Гены обонятельных рецепторов у животных
У человека примерно восемьсот генов обонятельных рецепторов, но только лишь половина из них активна. Почти у всех позвоночных общее количество псевдогенов и усеченных генов превосходит количество функционирующих или близко к нему приближается. Есть и другой фактор, влияющий на число генов: их можно приобрести или потерять в процессе эволюции. У шимпанзе и человека более 6 миллионов лет назад был общий предок. Он имел уникальную комбинацию генов, влияющих на обоняние, которую он передал как шимпанзе, так и человеку, но с небольшими изменениями. Например, в процессе передачи генов человек получил от общего предка восемнадцать рецепторов запахов и утратил восемьдесят девять, а шимпанзе заполучил восемь генов, лишившись девяносто пяти. Приблизительно такая же картина наблюдается и у других таксонов при передаче генов от общих предков к современной особи. И это указывает на то, что по мере расхождения видов их обонятельная способность настраивается за счет потери и приобретения генов, необходимых для обнаружения специфических запахов. Таким образом, приобретение и потеря обонятельных рецепторов играют важную роль в общей способности организма чувствовать запах.
Рис. 4.2. Гистограмма, показывающая количество работающих, псевдо- и усеченных генов обонятельных рецепторов у различных позвоночных
Вторая сложность в том, что даже шестьдесят один рецепторный белок дрозофилы может распознать множество запахов. Некоторые запахи можно определить довольно точно и при меньшем количестве рецепторов, ведь процесс обработки одорантов в мозге животного имеет комбинаторную природу. Один одорант может быть привязан не к одному рецептору, и, следовательно, нейрон получает несколько ответов от разных рецепторов. Кроме того, информация от нейронов с рецепторами сходится к локальным точкам обработки, которые называются гломерулами или клубочками. Там множественные сигналы могут объединяться, что позволяет точнее распознавать запах. Комбинаторный характер восприятия запаха означает, что с увеличением числа рецепторов способность воспринимать запахи также возрастает, но не линейно. Скорее увеличение потенциальных запахов растет экспоненциально по мере увеличения числа генов.
В дополнение к обонятельным рецепторам носовые проходы позвоночных содержат еще один вид белка, который работает в сочетании с ними. Эти белки называются рецепторами следовых аминов – TAAR (trace amine-associated receptors), и то, как они функционируют, ясно из названия: они обнаруживают следовые количества небольших молекул аминов. Эти рецепторы в различных комбинациях находятся на обонятельном органе позвоночных, повышая их способность чувствовать запахи. Реакция на эти комбинаторные сообщения, посылаемые в мозг, формирует поведение, необходимое для выживания организма. Линда Бак и ее коллеги показали, что, хотя некоторые реакции TAAR/обонятельных рецепторов в мозге являются врожденными и аверсивными, они могут быть модулированы другими сигналами обонятельных рецепторов в мозг. Это открытие интересно тем, что сортировка запахов осуществляется в мозге на основе информации от большого количества сигналов, поступающих через нос. Человек по сравнению с некоторыми насекомыми сильно проигрывает в способности обнаруживать следовые количества вещества (см. вставку 4.4). Пожалуй, самый известный нюхательный навык у животных – умение чувствовать феромоны и обрабатывать эту информацию. Особенно хорошо это делают чешуекрылые (моль и бабочки), способные распознать маленькие молекулы феромонов на большом расстоянии (до трех километров).
4.4 Жизнь гусеницы
Французский энтомолог Жан-Анри Фабр стал первым, кто подробно описал реакцию феромонов в конце 1800-х годов. Он нашел кокон павлиноглазки грушевой (Saturnia pyri) (рис. 4.3) и стал наблюдать за ним. Вскоре из кокона появилась красивая самка. Ученый поместил ее в вольер и, не дожидаясь завершения процесса вылупления из кокона, пошел спать. На следующее утро он проснулся и обнаружил десятки самцов павлиноглазки грушевой, облепивших вольер. Он собрал самцов и снова оставил самку на ночь, но на этот раз решил подглядеть за происходящим. Он повторял этот ритуал несколько дней и ночей, и наградой ему стали примерно 150 прекрасных самцов. Фабр был плодовитым писателем, и он практически единолично возродил в конце XIX века интерес общественности к насекомым и энтомологии. Он описал свои наблюдения за павлиноглазкой грушевой в книге «Жизнь насекомых», и я приведу цитату оттуда, она лучше меня объяснит, почему ученый стал таким успешным популяризатором энтомологии: «Как я уже говорил, это был незабываемый вечер, вечер, королевой которого стала прекрасная павлиноглазка. Со всех сторон, откуда ни возьмись, слетались к ней влюбленные бабочки, сорок кавалеров, жаждущих засвидетельствовать свое почтение невесте на выданье, рожденной тем утром среди тайн моего кабинета. Давайте же пока не будем беспокоить рой ухажеров». Сам того не зная, Фабр описал феромонное притяжение у насекомых. Он даже признался, что не понимал, каким образом самцы были «проинформированы» о самке поблизости. После нескольких десятилетий исследований ученым удалось расшифровать тот тайный код оповещения: это был «запах женщины», самцы просто-напросто унюхали присутствие самки. О да, мы, позвоночные, тоже реагируем на феромоны!
Рис. 4.3. Павлиноглазка грушевая, или большой ночной павлиний глаз, обнаруженный Фабром
Некоторые исследователи, изучающие запахи, полагают, что у людей не очень хорошо развито обоняние (см. вставку 4.3) и они – середнячки среди видов по количеству генов обонятельных рецепторов в геномах (мы находимся в нижней трети списка изученных организмов). Но при этом мы довольно типичны в том, что около половины наших генов обонятельных рецепторов являются псевдогенами. Кроме того, с начала XX века было принято считать, что люди распознают около десяти тысяч запахов. Однако в 2014 году Андреас Келлер и его коллеги опровергли это.
Келлер и его коллеги начали со 128 известных запахов. Затем они смешали в банках по десять, двадцать или тридцать наиболее распространенных из них. Для одного эксперимента (называемого тестом на различение) они подготавливали три банки: первую и вторую – одинаковые и третью – чем-то отличающуюся от них. В опытах смеси были разбиты по парам таким образом, что в третьей банке некоторые пары не имели общих запахов, а другие были почти идентичны. Каждому участнику эксперимента было дано 260 тестов на различение, а потом результаты были сведены в таблицу. Все, что было необходимо, – это выяснить, когда способность обнаруживать различные запахи в составе смесей падает. Келлер и его коллеги оценивали это по количеству пересечений запахов в смесях. Поэтому они смешивали запахи, чтобы в банках получалось, например, 25, 50, 75 или 95 % пересечений. Если бы было 0 % пересечений (то есть в двух тестовых банках вообще не было бы общих запахов), большинство респондентов легко бы эти банки различили. Если бы совпадение составляло 97 % (один отличительный аромат в тридцати смесях запахов) и ни один субъект не мог бы определить разницу, то точка отсева была бы 97 % и так далее. Оказалось, что точка отсева находится в диапазоне от 50 до 60 %, и это означает, что, если запахи перекрываются менее чем, скажем, на 57 %, большинство смесей различимы. Все, что превышает этот процент пересечения, практически неразличимо. Методы интерпретации этих данных включают сложную статистическую и математическую обработку и выходят за рамки данной книги.