о с их помощью мы распространяем особые запахи, привлекающие половых партнеров, хотя это, конечно, вопрос дискуссионный.
Как сделать мамонта из слона?
Человека часто называют голой обезьяной, но мы, конечно, не единственные представители млекопитающих, лишившиеся густой растительности на теле: в этом аспекте, в первую очередь, на ум приходят киты и другие водные животные. Когда же речь заходит о волосах и шерсти, то одним из самых интересных объектов для исследований становятся слоны. Как и у людей, ближайшие родственники этих самых крупных наземных животных – мамонты – были покрыты густой шерстью. Современные ученые пытаются выяснить, из-за каких генетических изменений слоны лишились теплой шубы, а некоторые амбициозные исследователи даже мечтают воссоздать вымерших гигантов и заселить ими современную тундру.
Рисунок 37. Родословная мамонтов и современных слонов. Видно, что сначала от общего предка отделился африканский слон, а потом разошлись азиатский слон с мамонтом.
До наших дней дожили три вида слонов: азиатский, африканский саванный и африканский лесной. Они состоят с мамонтами в разной степени родства. Африканский слон отделился от общего предка раньше – примерно 5 миллионов лет назад. Мамонты с азиатскими слонами разошлись несколько позже.
Как гласит теория эволюции, все млекопитающие в той или иной степени являются родственниками человека. А это значит, что исследования «генов волосатости» у наших четвероногих братьев, ныне живущих и вымерших, могут быть полезны в медицине. Конечно, никто не собирается превращать успешных офисных клерков в австралопитеков, но знания о секретах генома способны помочь в восстановлении волос при алопеции, обширных рубцах после ожогов и других проблемах.
Зачем современным слонам шерсть?
Для генетиков слоны являются очень интересным объектом исследований по многим причинам, в первую очередь, – из-за своих размеров. Например, долгое время для ученых оставалось загадкой, почему такие большие животные страдают онкологическими заболеваниями намного реже, чем люди. Риск развития рака в течение жизни у человека составляет 11–25 %, а у слона – всего 5 %. Но если следовать банальной логике, все должно быть наоборот: чем больше живой организм, тем больше клеточных делений нужно для того, чтобы он смог вырасти, а каждое клеточное деление – это удвоение ДНК и риск возникновения «ошибок» в генах – мутаций, способных привести к злокачественному перерождению[676].
Разгадка этой тайны кроется в геноме слонов. Например, одним из защитников клеток от злокачественного перерождения является ген TP53, кодирующий белок p53. Когда в ДНК возникают повреждения, то в зависимости от масштаба такой катастрофы этот белок активирует механизмы репарации или запускает апоптоз – запрограммированную клеточную смерть. В клетках человека две копии гена TP53, и нарушение работы даже одной из них увеличивает риск развития рака до 90 %. У слонов этот ген представлен сорока (!!!) копиями, поэтому защитные механизмы более чутко реагируют на повреждения ДНК и сразу же убивают «неправильные» клетки[677].
Есть и еще один вопрос, который всегда волновал ученых: как эти большие животные, обитающие в условиях жаркого климата, справляются с перегреванием?
Слоны – животные с самым большим отношением объема тела к площади кожных покровов. С точки зрения терморегуляции это очень невыгодно: уже при температуре воздуха 30 °C этим гигантам за день нужно избавляться от нескольких киловатт тепла, а там, где они обитают, температура воздуха может достигать плюс 50 °C. Терять лишнее тепло слонам помогает множество механизмов: шероховатость кожи, за счет чего увеличивается ее площадь; большие уши с густой сетью кровеносных сосудов (слоны часто ими «хлопают», чтобы создать поток воздуха); испарение жидкости во время дыхания и с поверхности кожи, холодные «души» из хобота, «купания» в пыли… Но всего этого недостаточно.
Слоны кажутся «голыми» только на первый взгляд. На самом деле их тело покрыто шерстью, только она далеко не такая густая и длинная, как у их вымерших родственников мамонтов. Даже там, где плотность волосяного покрова на теле слона наиболее высока, она составляет всего 1500 волос на один квадратный метр. Для сравнения: плотность волосяного покрова на голове у человека составляет два миллиона волос на квадратный метр. Долгое время ученые считали, что слоновьи волосы – всего лишь рудимент, наследие далеких предков, от которого эти животные не смогли до конца избавиться. Польза есть разве что у кисточки на конце хвоста, которой удобно отгонять паразитов, и чувствительных волос-вибриссов на морде, потому что очевидно, что единственное назначение шерсти в плане терморегуляции – предотвратить потерю тепла, и этот эффект полезен только в холодном климате[678].
Однако в 2012 году было опубликовано исследование, которое опровергло этот стереотип. Ученые из Принстонского университета (США) обратили внимание на колючки кактусов и волоски, которыми покрыты некоторые растения в жарких странах[679][680][681]. Эти структуры работают как радиаторы и увеличивают потери тепла. Исследователи решили проверить, могут ли волосы на теле слонов выполнять ту же функцию. Моделирование и анализ показали, что такие предположения верны: авторы этой работы обнаружили, что жиденькая шерсть на теле слонов усиливает теплоотдачу на 5 %, а в безветренную погоду – до 23 %! Абсолютно голая кожа не может обеспечить настолько же эффективную терморегуляцию[682].
Это исследование в очередной раз показало, насколько изобретательна эволюция: она умеет приспосабливать один и тот же инструмент для решения диаметрально противоположных задач. Теперь ученым интересно разобраться в том, могла ли выполнять ту же функцию редкая шерсть у других крупных вымерших животных, имевших такое же невыгодное соотношение объема и площади поверхности тела, как у слонов. Может быть, первые волосы возникли именно для того, чтобы помогать животным охлаждаться, и только позже превратились в теплую шубу? На этот вопрос науке еще предстоит ответить.
В поисках гена волосатости
Мамонты отличались от слонов не только густой шерстью – у них были и другие приспособления, помогавшие успешно переносить суровый холодный климат: маленькие уши и хвосты, сокращавшие потери тепла, толстый слой подкожного жира, большое количество сальных желез для теплоизоляции, особенности иммунной системы, регуляции циркадных ритмов и липидного обмена[683][684]. Все эти свойства были обусловлены определенными генами, и сейчас ученые пытаются разобраться в особенностях этих генов. За последние годы было опубликовано несколько научных работ, в которых рассказывается о том, за счет каких генетических вариаций мамонты обзавелись густым шерстяным покровом.
Шерстистый мамонт – одно из наиболее хорошо изученных животных, но его геном начали исследовать относительно недавно. Ученые пытались анализировать генетический материал, который сохранился в костях и мышцах, но сталкивались с большими сложностями. Дело в том, что ДНК в таком материале быстро разрушается и загрязняется генами бактерий. Лишь немногие образцы подходят для изучения, и это очень кропотливая работа: одно исследование может продолжаться несколько лет.
В 2007 году международная группа ученых опубликовала в журнале Science результаты своей работы, в которой было заявлено, что наилучшим объектом для изучения геномов ископаемых млекопитающих являются стержни волос. Ранее считалось, что, если уж исследовать ДНК в волосах, то нужно брать волосяные фолликулы, в которых есть клетки. Стержень волоса по сути представляет собой мертвую ткань, однако, оказалось, что именно в нем генетический материал сохраняется лучше всего, потому что он хорошо защищен от деградации и внешних воздействий биологическим футляром из кератина. Волосы можно легко очистить от бактерий и других внешних загрязнителей, и даже если обработать их растворами, которые уничтожают всю ДНК снаружи, то внутри она сохранится. Более того, ученые выяснили что волосы мамонтов богаты митохондриальной ДНК, и это очень удобный материал для изучения генетического разнообразия популяции.
Используя этот подход, исследователям удалось проанализировать ДНК одного из первых найденных шерстистых мамонтов – мамонта Адамса (его также называют ленским мамонтом). Скелет этого животного с остатками мышц и кожи был обнаружен в 1799 году, выкопан в 1804–1806 годах, а потом еще 200 лет хранился при комнатной температуре в Зоологическом музее Зоологического института РАН в Санкт-Петербурге. Умер этот мамонт около 35 тысяч лет назад, тем не менее ученым потребовалось всего 0,2 грамма волос, чтобы провести полный анализ митохондриального генома[685][686][687].
Это исследование стало важным шагом на пути к секвенированию всего генома шерстистого мамонта, и, наконец, в 2008 году геном этих доисторических гигантов был полностью расшифрован. Оказалось, что ДНК мамонта похожа на ДНК африканского слона даже сильнее, чем ДНК человека на ДНК шимпанзе. Дальше ученые стали искать более тонкие различия в строении и работе отдельных генов, и, конечно, были сделаны некоторые находки, отчасти объясняющие особенности роста шерсти у мамонтов.
Сложности таких исследований заключаются в том, что принцип «один ген – один признак», такой удобный для изучения биологии в школе, в реальности не действует. Например, нет единственного гена, отвечающего за цвет глаз. Аналогичная ситуация и с ростом шерсти, ее длиной и густотой: это результат общей работы многих генов, они разбросаны по разным хромосомам, и их идентификация порой превращается в поиски иголки в стоге сена. К счастью, современным ученым помогают специальные компьютерные алгоритмы, которые умеют анализировать большие массивы данных.