5. "Иммунологическое" тестирование у высших
позвоночных: фантастика или реальность?
У многих животных (а в наибольшей
степени, пожалуй, у млекопитающих), в выборе брачного партера участвуют
хемосенсорные рецепторы (обонятельные, вомероназальные, вкусовые). В геномах
млекопитающих гены хеморецепторов чрезвычайно многочисленны и разнообразны. Они
могут составлять до 1% всего генома. В геноме мыши выявлено более тысячи (по
другим данным - до 1500) генов , предположительно кодирующих различные
хеморецепторы; у других млекопитающих наблюдается примерно такое же их
разнообразие. Строение и функционирование этих рецепторов, не говоря уже о
механизмах регуляции экспрессии соответствующих генов, сплайсинга
транскрибированных РНК и т.п., изучены пока очень слабо (Sullivan, 2002; Young
et al., 2003). В ходе дальнейших исследований предстоит установить, каким
образом достигается согласованность эволюционных изменений химических "брачных
сигналов" и соответствующих рецепторов, и какую роль в этом играют механизмы
"иммунологического" характера. Однако уже сейчас можно отметить отдельные факты,
косвенно указывающие на возможность реализации некоторых "иммунологических"
принципов в формировании индивидуального набора обонятельных рецепторов у
млекопитающих. Это, во-первых, принцип "одна клетка (в данном случае - нейрон) -
один хеморецептор", что напоминает ситуацию в иммунной системе ("один B-лимфоцит
- одно антитело"). Во-вторых, показано, что гены разных обонятельных рецепторов
в обонятельном эпителии одной особи могут резко различаться по уровню экспрессии
(вплоть до 300 раз). В-третьих, в ходе экспрессии этих генов имеет место
чрезвычайно интенсивный альтернативный сплайсинг (Young et al., 2003). Последнее
особенно важно, т.к. может свидетельствовать о каких-то механизмах "подбора"
структуры рецепторных молекул с целью адаптации индивидуального набора
хеморецепторов к определенным внешним и внутренним факторам. На этом может быть
основан как обонятельный "импринтинг", различение знакомых (в том числе своих
собственных) и незнакомых запахов, так и происходящее по "иммунологическому"
принципу формирование de novo специфических рецепторов, комплементарных
собственным или чужим "ключевым антигенам" (сигнальным молекулам).
Эта морозоустойчивая львица из Новосибирского зоопарка
сфотографирована при температуре воздуха -200 С. Вот что
сообщил Валентин Суслов, сотрудник Института Цитологии и Генетики СО РАН
(автор фотографии), на мой вопрос о том, каким образом львы в
Новосибирском зоопарке приспособились к холоду: "В одну из зим решили
поставить эксперимент: оставили дверь зимника открытой, предоставив
животным возможность выбирать где жить, в тепле или на морозе на улице.
При этом дали усиленный паек. Львы выбрали улицу."
Недавно в зоопарке произошло редкое событие: родился "лигер",
тигрольвенок. Я спросил Валентина, может ли быть, по его мнению, какая-то
связь между адаптацией львов к стрессовым условиям и этим событием. Ответ
был такой: "Насчет тигрольвенка, тут все просто - одна из львиц
кормящая (та самая, что на фотографии), а другая - беременная. Вот льву и
деваться некуда, а тут служители недосмотрели. Кстати, было это еще
осенью. Так, что никакой связи с адаптацией к холоду."
Правда, на следующий день пришло уточнение:
"Адаптация к стрессовым
условиям и нарушение репродуктивной изоляции могут быть прямо завязаны
друг на друга через гетерозис! Так, что рождение тигрольвенка, как это ни
странно, может быть прямо связано с адаптацией к стресс-фактору. Вопрос
лишь в том, насколько это распространено в природе у данного таксона. В
Индии и в лучшие-то времена тигры и львы скрещивались редко (во всяком
случае, появление гривастого тигра отмечается индусами как "удивительное
явление" - читал у какого-то англичанина, охотившегося на гривастого
тигра-людоеда). Зато у растений образование отдаленных гибридов при
ухудшении среды - общее дело. Фиксация гетерозиса у них возможна через
вегетативное размножение или полиплоидизацию и/или самооплодотворение.
Иное дело у животных. Правда, я читал книгу (забыл ее автора, вспомню -
сообщу) который всю макроэволюцию выводит из отдаленной гибридизации."
См. "дополнительный материал"
в конце странички.
С другой стороны, природа в прошлом уже поставила
подобный эксперимент, и результаты в нем получились несколько иные.
Пещерный лев Panthera leo spelaea - подвид обычного льва, приспособившийся
к холодному климату - по-видимому, не скрещивался со своими более
теплолюбивыми сородичами; об этом свидетельствуют недавно опубликованные
результаты анализа митохондриальной ДНК пещерного льва (Burger et al.,
2004). Холодолюбивые неандертальцы тоже, по-видимому, не скрещивались с
теплолюбивыми сапиенсами (см. последние данные в статье
).
Рассмотрим некоторые случаи
"химической" (хеморецепторной) идентификации сородичей и потенциальных брачных
партнеров у млекопитающих. Нам представляется, что некоторые из этих случаев
могут свидетельствовать об участии иммунологических механизмов (или, по крайней
мере, "иммунологических принципов") в индентификации "своих" и "чужих" у высших
позвоночных.
Самкам карликового лори Nycticebus
pygmaeus в течение нескольких недель давали нюхать мочу определенного самца,
после чего вероятность выбора именно этого самца в качестве брачного партнера
резко повышалась (по сравнению с другими самцами, чей запах был самкам не
знаком) (Fisher et al., 2003). Это может объясняться "обонятельным
импринтингом", запоминанием запахов, которое может осуществляться как средствами
нервной системы, так и путем модификации индивидуального набора хеморецепторов,
в том числе и по "иммунологическому" принципу. Можно предположить и прямой
иммунологический механизм, а именно, выработку у самок специфических антител к
содержащимся в моче антигенам, что приводит к более быстрой и сильной
иммунологической реакции при встрече самки с живым "источником" запаха.
У грызунов обнаружена особая группа белков,
присутствующих в моче и служащих для коммуникации, идентификации особей и
привлечения половых партнеров. Эти белки очень многочисленны и разнообразны, а
набор их у каждой особи весьма специфичен (Beynon, Hurst, 2004). Скорее всего,
это и есть те самые "ключевые антигены",
или специализированные "сигнальные вещества", несущие информацию о
генетическом статусе организма, которые, согласно нашей гипотезе, животное
должно предоставлять другим особям для тестирования.
Известно, что очень многие животные способны по запаху
отличать "своих" (родственников) от "чужих", и, по-видимому, это справедливо и
для человека (Stricker, 2000).
Согласно поверью, некоторые прекопуляционные ритуальные
действия у людей могут быть связаны с распознаванием своих и
чужих. "Что-то не так! Когда я целую тебя, у меня такое чувство, как
будто я целую своего брата" – говорит героиня фантастического фильма С.
Спилберга "Назад в будущее", целуясь с прибывшим из будущего собственным сыном.
Впрочем, так ли уж это фантастично? Результаты
экспериментальных исследований говорят об обратном. Так, показана способность
человека по запаху (например, поношенной одежды) определять пол другого человека
(Russel, 1976). Показано также, что человек способен по запаху отличить своих
родных братьев и сестер от неродственников (Porter, Moore, 1981). В другом
эксперименте испытуемым предлагали сравнить запахи матерей и их детей, мужей и
жен, а также неродственных пар людей, причем участники эксперимента не были
знакомы с людьми – "производителями" запахов и не видели их. Показано, что
запахи матери и ее родных детей статистически достоверно идентифицируются
посторонними людьми как сходные; тогда как запахи людей, не состоящих друг с
другом в кровном родстве, в том числе мужей и жен, воспринимаются как различные
(Porter et al., 1985).
Экспериментально доказана связь половых предпочтений у
млекопитающих с определенными иммунологическими показателями, а именно с так
называемым главным комплексом гистосовместимости (major histocompatibility
complex, MHC). Организм, гетерозиготный по генам МНС, идентифицирует более
широкий диапазон антигенов и поэтому обладает более эффективной иммунной
системой (Палмер, Палмер, 2003). Самцы мышей по запаху идентифицируют самок,
отличающихся от них самих по локусу MHC, и всегда предпочитают их в качестве
половых партнеров (Yamazaki et al., 1988). Точно такие же предпочтения выявлены
и у человека. Испытуемым предлагали оценить запахи маек других людей. Выявлена
зависимость уровня "приятности" запахов от степени совпадения аллельного
состояния MHC у испытуемого и того, кто носил майки. Как мужчины, так и женщины
предпочитали запахи тех людей, у кого аллельное состояние MHC наиболее сильно
отличалось от их собственного. Исключение составили женщины, принимавшие
противозачаточные таблетки: им, напротив, больше нравились запахи людей со
сходным состоянием MHC. Это предположительно объясняется тем, что в период
беременности для женщин адаптивным является пребывание вблизи ближайших
родственников, а не поиск брачного партнера (Wedekind, Furi, 1997; Ober et al.,
1997).
Все это соответствует высказанному
выше предположению (см. в предыдущем разделе),
что величина сходства иммунологических показателей, воспринимаемая животными как
"наиболее привлекательная", может смещаться как в меньшую, так и в большую
сторону, в зависимости от характера конкретного иммунологического показателя,
вида животного, фазы репродуктивного цикла и других факторов.
Можно также отметить, что у млекопитающих, по сравнению
с насекомыми, в целом сильнее выражена тенденция к предпочтению неродственных
особей в качестве половых партнеров. У млекопитающих, по-видимому, сильнее
развиты механизмы предотвращения инбридинга. Это может быть связано с особенностями
иммунной системы, которая у млекопитающих отличается наибольшей сложностью и
эффективностью (например, структура MHC млекопитающих явно способствует
выработке тенденций к предпочтению отличающихся партнеров и к росту общей
гетерозиготности). Этим могут отчасти объясняться некоторые особенности эволюции
млекопитающих и насекомых (различия в степени эндемизма; относительном числе
эврибионтных, полиморфных видов; общем уровне разнообразия – виды млекопитающих
проявляют меньшую склонность к дроблению, и т.д.). Вместе с
тем очевидно, что предпочтение "иных" в качестве брачных партеров - вещь
относительная; абсолютизация этого принципа привела бы к массовой отдаленной гибридизации
и полной деградации вида. Ясно, что речь идет именно об "оптимальной величине
сходства/различия".
В целом не подлежит сомнению, что у
млекопитающих индивидуальный "запах" (набор сигнальных молекул или "ключевых
антигенов"), во-первых, специфичен для каждой особи, во-вторых, несет большой
объем информации о ее генетическом статусе. Эта информация адекватно
интерпретируется ("расшифровывается") сородичами, причем в этой интерпретации
большую роль играет сравнение данных о статусе "тестируемого" индивида с
аналогичными данными о самом себе. От результатов таких сравнений часто зависит
выбор брачного партнера.
Таким образом, ситуация у
млекопитающих принципиально не отличается от таковой у насекомых. Для
формирования эндогамных группировок на основе "хеморецепторного" выбора партнера
в любом случае требуется согласованное (координированное) изменение
системы сигналов и системы их восприятия. Путем случайных
и независимых изменений того и другого добиться подобной согласованности весьма
трудно, особенно в сжатые сроки (см. выше пример с лососями, показывающий, что
репродуктивная изоляция у позвоночных тоже может развиваться весьма быстро).
Удобным и простым решением этой проблемы может быть формирование (или настройка)
индивидуальной "системы восприятия" на основе "иммунологических" принципов, т.е.
путем прижизненного подбора "прямых" или "обратных слепков" своих собственных
ключевых антигенов или сигнальных молекул.
Интересные соображения по поводу
того, в каких условиях выгодно скрещиваться со "своими", а в каких - с "чужими",
прислал мне в ходе обсуждения данной темы В.В.Суслов (ИЦиГ СО РАН). Привожу
выдержки из его письма:
"Что до связи стрессовых условий
и ассортативности скрещивания или избирательности при образовании пар, то здесь
по моему мнению должно быть как минимум четыре зависимости:
1) от характера стрессора - если
стрессор предсказуемый (например, медленное однонаправленное изменение климата,
охлаждение, иссушение, увлажнение и пр.) тогда специализация выгодна и
действительно, можно предположить, что стабилизирующий отбор подхватит
ассортативность пар, как один из механизмов сужения нормы реакции. Но если
стрессор непредсказуемый (резкие
стохастические изменения климата), может быть выгодным наоборот снизить
ассортативность, чтобы максимально размыть норму реакции;
2) от эффективной численности
популяции - если численность популяции низка (как у хищников-одиночек на крупную
добычу, к которым относятся кошки или у сверххищников, к которым относится лев),
ассортативность скорее всего приведет к инбридингу, огомозигочиванию и
вырождению. Посему должна развиться строгая избирательность, препятствующая
инбридингу. Действительно, у кошек такая избирательность есть и любой кошатник
скажет Вам, как трудно
подобрать пару. Что до львов, могу сказать, что точечный рисунок вибрисс на
морде у них строго индивидуален и используется животными при подборе пар. Пары
преимущественно образуют животные с несхожим рисунком. Вообще, предел в этом
плане - горные популяции прыткой ящерицы. Тут эффективные численности популяции
столь низки, что идет межвидовое скрещивание, а полустерильные гибриды
приспособились размножаться партеногенезом;
3) энергетитческие соображения -
грубо говоря, если затраты энергии на поиск партнера слишком велики, проще
образовать постоянную пару, но необходима гарантия от инбридинга в виде высокой
избирательности. Такая стратегия характерна для хорошо летающих птиц с их
высокими энергозатратами (прежде всего морские птицы, с их постоянными
многолетними парами, партнеры в коих видят друг друга всего лишь несколько
месяцев в году в сезон размножения, а в остальное
время в одиночестве мигрируют над океаном), но предел здесь - глубоководные рыбы
с их паразитическими самцами;
4) предшествующая стратегия
размножения вида, его, так сказать, традиция. Взять, например, волков - где бы
не жили, в каких условиях от Новой Земли до Индии и от Испании до Аляски, а
везде образуют многолетние пары с представителями своего вида, причем с
о-о-очень большой избирательностью, а с представителями чужих видов (собаки,
койоты, шакалы) скрещиваются лишь при низкой эффективной численности популяции,
без особой избирательности, никогда не образуя стойких пар.
... Проблема отдаленной гибридизации, как способа преодоления стрессовых условий
видом, особо затрагивает антропогенез, в частности грацильных неандертальцев,
которые демонстрируют мозаику кроманьонских и неандерталоидных черт. Дело в том,
что эволюция человека по-видимому более чем эволюция какого-либо другого
млекопитающего проходила на фоне стресс-фактора. По Беляеву этим стресс-фактором
был сам человек, точнее постоянная необходимость общения. У всех остальных
стайных видов млекопитающих эта необходимость на порядок меньше: они либо сильны
и крупны (слоны, киты, львы), что позволяет им безбоязнено наслаждаться
одиночеством, когда общение, грубо говоря, достанет, либо их стаи периодически
распадаются на особи, пары или демы (волки, олени, медведи, ластоногие), либо,
наконец, каждый член стаи имеет индивидуальное убежище (грызуны, гиеновые
собаки). Человек исходно был лишен этого всего. Поэтому человек был вынужден
"cамоодомашниваться", что в частности выражено в его потрясающем морфологическом
разнообразии и в бисексуальности его социума (у остальных млекопитающих социумы
моносексуальны (гиены, слоны), либо влияние одного из полов преобладающе
(грызуны, псовые и все приматы, кроме человека)).
Известно, что одомашненные
животные легко идут на нарушение репродуктивных барьеров (лошадь и осел, буйвол
и корова), так, что априори ничто не мешало неандертальцу скрещиваться с
кроманьенцем для преодоления стресс-условий гетерозисным потомством. Другое
дело, что молекулярные биологи напрочь это отрицают (хотя может они свои
доказательства ищут не там)."
