Чем занимались биологи в 2015 году – часть вторая
Во второй части нашего обзора речь пойдёт о происхождении жизни на Земле, о происхождении человека от обезьяны, о природе памяти, о языке и о музыке, а также о главном вопросе современной науки – почему кошки любят коробки.
(Продолжение. Часть первую см. здесь.)
Если говорить о молекулярной биологии, то события в ней, конечно, не ограничивались исследованиями репарации ДНК и системы CRISPR/Cas. Например, мы узнали, что гены млекопитающих работают по-отцовски, то есть мутации, определяющие активность генов, имеют бОльшую силу, если располагаются в отцовских хромосомах. Сама структура хромосомы продолжает интриговать биологов: большая исследовательская группа уже не первый год выясняет, откуда в хромосоме берутся петли, помогающие длиннющей хромосомной ДНК умещаться в крохотном клеточном ядре. Интерес этот вполне практический – от упаковки ДНК зависит скорость старения: чем сильнее хромосома приходит в беспорядок, тем раньше и быстрее клетка начинает стареть.
Другая обширная тема, в которой хочешь - не хочешь, приходится погружаться в мир молекул – эпигенетическое влияние стресса на несколько поколений вперёд. То, что стресс родителей и прародителей влияет на психологическое и физиологическое состояние детей и внуков, известен уже давно, но пока ещё остаётся не вполне ясным сам механизм феномена. В частности, он может быть таким, какой предлагают в своей статье сотрудники Пенсильванского университета: при стрессе в сперматозоидах возникают молекулы регуляторных РНК, влияющие на работу эмбриональных генов. Причём, как мы опять-таки узнали в уходящем году, развитие человеческого зародыша запускают всего три десятка генов, вообще же число абсолютно необходимых генов у человека, как подсчитали в Институте Броуда, составляет всего 3230. (Напомним, что всего человеческий геном насчитывает, по разным оценкам, от 20 до 25 тыс. генов.)
Среди молекулярно-клеточных работ довольно много было таких, которые носили явный эволюционный оттенок. Во-первых, как оказалось, синтезировать антитела иммунным клеткам помогают особые последовательности в ДНК, которые когда-то принадлежали вирусам. Во-вторых, исследователи из Стэнфорда обнаружили, что эмбрион человека от вирусной инфекции защищают собственные «домашние» вирусы. Наконец, группа из Кембриджа нашла в человеческом геноме целых 145 генов, которые пришли к нам от бактерий и простейших эукариот.
О чём это говорит? Это говорит о способности человеческого генома принимать «гостей», о том, что, взаимодействуя сотни тысяч лет с микроорганизмами, наша генетическая система смогла наладить сотрудничество с некоторыми чужими генетическими элементами. В случае с вирусами тут удивляться не приходиться, механизм встраивания их генов в клеточную ДНК подробно изучен, но вот бактериальные генетические последовательности оказались в некотором роде сюрпризом: считается, что бактерии легко обмениваются генами друг с другом, но не с эукариотами и уже тем более не с высшими эукариотами, к которым относимся и мы с вами. Причём бактериальные гены, встроившись в хромосому животной клетки, как бы одомашниваются, приобретая черты собственно животных генов.
Иными словами, когда-то давным-давно в наш геном (или в геном наших предков приматов) попали фрагменты ДНК вирусов и бактерий, а потом, в течение долгого-долгого времени, шла проверка того, годится ли такое приобретение для нас или нет. Если вирусный ген оказывался вредным, то, понятно, естественный отбор такой вариант отсеивал – индивидуум, которому не повезло, либо быстро погибал, либо просто не оставлял потомства. И не стоит думать, что процесс остановился – скорее всего, и сейчас нашим клеткам приходится как-то находить общий язык с не слишком вредными вирусными генами, которые по разным причинам остаются в клеточной ДНК.
В целом молекулярно-генетические исследования позволяют ответить на ряд интересных, но крайне трудноразрешимых вопросов, касающихся самых фундаментальных черт живых организмов. Например, такое известное свойство зверей, как внутриутробное развитие – как такой сложный признак мог развиться в ходе эволюции? Оказывается, здесь не обошлось без мобильных («прыгающих») генетических элементов, или транспозонов, которые, перемещаясь по геному древних млекопитающих, заставили некоторые старые гены сменить поле деятельности и заняться беременностью. (Переквалификация генов под новые потребности – довольно распространённый эволюционный ход; например, точно так же поступили бактерии, которых в экспериментах лишили подвижности – чтобы вернуть её себе, они воспользовались генами, которые до сих пор использовали для совсем других вещей.)
Или, например другая загадка: как животные получили объёмное тело? Ведь все мы живём в гравитационном поле (правда, редко когда о нём вспоминаем), и, чтобы поддерживать клеточную массу в объёме, чтобы не растекаться слоем клеток, у нас должны быть какие-то специальные уловки. Действительно, у животных есть специальный «антигравитационный» ген; правда, с ним ещё предстоит масса работы, чтобы узнать, как именно он функционирует, как и когда он включается и какие другие гены находятся у него в подчинении.
Но всё-таки при слове «эволюция» нам в голову в первую очередь приходят не молекулы, а динозавры, мамонты и всевозможные человеческие предки; ну и ещё, конечно, знаменитый «первичный суп», в котором зародилась жизнь на Земле. На тему «происхождения всего» в уходящем году было несколько весьма примечательных работ: во-первых, земной жизни добавили ещё 300 млн лет – по некоторым данным, она возникла не 3,8 млрд, а 4,1 млрд лет назад; во-вторых, предшественники всех необходимых биомолекул (и нуклеотидов, и аминокислот, и липидов) могли получиться в результате похожих химических реакций и из одинакового химического сырья, иными словами, «жизнь» вполне могла возникнуть из «не-жизни»; в-третьих, стало понятно, как на самых-самых начальных этапах эволюции могли получить преимущество более ёмкие «информационные носители». Здесь стоит напомнить, что по самой распространённой гипотезе именно РНК были первыми биомолекулами, которые могли одновременно и хранить информацию, и копировать её в «потомство», то есть в молекулы следующего поколения. Информации на каждую молекулу становилось всё больше, то есть длинные РНК должны были прийти на смену коротким, и, как выяснилось, физико-химические условия на древней Земле этому процессу вполне благоприятствовали.
Наконец, мы просто не можем не вспомнить про новую архею, названную Локи – Lokiarchaea. Считается, что эукариотические клетки, то есть клетки с ядрами и внутренними мембранами образовались в результате симбиотического слияния бактерии и археи, проблема же была в том, что современные бактерии и археи по разным причинам трудно представить сливающимися в симбиозе. И вот как раз в Lokiarchaea нашли гены, которые могли бы сделать такой симбиоз возможным. Саму по себе Lokiarchaea никак нельзя считать «переходным звеном» или «предком» эукариот, однако она показывает, что предполагаемый нами путь формирования эукариотической клетки вполне мог иметь место.
Что до динозавров, то в уходящем году особенно повезло бронтозаврам, которым вернули право на существование – новый анализ ископаемых останков показал, что они действительно существовали как отдельный род динозавров. (Об интриге, связанной с бронтозаврами, корни которой уходят аж в XIX век, в эпоху палеонтологических «костяных войн», читайте в нашем материале.) Кроме того, палеонтологи продолжают выяснять, какая температура была у динозавров: по-видимому, они могли поддерживать достаточно высокую температуру тела, однако это ещё не значит, что они были по-настоящему теплокровными. Продолжают уточняться эволюционные связи между ними и их современными прямыми потомками, то есть птицами: так, некоторые авторы полагают, что некоторые динозавры, подобно птицам, делали открытые гнёзда.
Древние ящеры, к счастью или к несчастью, вымерли; гипотез на сей счёт существует масса, но всё больше аргументов приобретает вулканическая версия. Однако не в том смысле, что почти всё живое исчезло под слоем лавы, просто вулканы выбросили в атмосферу колоссальное количество углекислого газа, который повысил кислотность всех водоёмов на планете, что не могло не сказаться на состоянии морского планктона, а значит – на состоянии вообще всей экосистемы. А вот мамонты (а также и другие гигантские млекопитающие), по-видимому, вымерли не из-за появления людей, как многие полагают, а по климатическим причинам – из-за серии кратковременных потеплений.
Раз уж мы заговорили о людях – что нового в уходящем году мы узнали о человеческой эволюции? Во-первых, продолжает развиваться гипотеза о том, что кисти рук человека формировались не столько как сложный инструмент для работы с орудиями труда, сколько как оружие: исследователи из Университета Юты уже не первый раз пробуют убедить научную общественность, что человеческая рука в первую очередь создана для драки. (Это не говоря уже о том, что, по мнению некоторых антропологов, тот тип руки, который есть у нас с вами, появился в эволюции значительно раньше, чем то, что мы видим у обезьян.)
С молекулярно-клеточной точки зрения внешние отличия человека от обезьяны обусловлены не столько появлением новых генов, сколько изменениями в работе старых (выше мы уже говорили, что перетряска, переконфигурация уже имеющихся генов – один из самых «популярных» путей эволюции). Однако, пожалуй, самая интригующая тема в «деле о превращении обезьяны в человека» – это мозг. Он у нас больше, и вообще мы умнее, чем шимпанзе и прочие. Что до размера, то здесь, очевидно, всё дело в усиленной работе стволовых клеток, отвечающих во время эмбрионального развития за производство мозговых нейронов: тут и специальные генетические хитрости есть, и даже стволовые клетки у нас несколько иные, более активные. Кроме того, развивающийся человеческий мозг меньше, чем мозг тех же шимпанзе, зависит от генетического руководства и сильнее чувствует влияние среды, и как раз в такой способности к изменениям кроется секрет человеческого интеллекта.
Но вот нейрофизиологические основы нашего замечательного интеллекта до сих пор остаются по-прежнему не вполне ясными. (Здесь мы, как читатели могли догадаться, заходим на территорию нейробиологии.) Хотя уже никто не сомневается в том, что обучение и память связаны с пластичностью синапсов, то есть со способностью нервных клеток создавать и разрывать контакты друг с другом, нам ещё не до конца понятно, от чего зависит синаптическая пластичность, чем она регулируется. В этом году нейробиологи сделали два удивительных наблюдения: оказывается, эффективная регуляция межнейронных контактов зависит от микроповреждений в собственной ДНК нейронов, и потому клетки вынуждены постоянно её рвать.
То, что усваивание новой информации в буквальном смысле влияет на гены мозга, показали исследователи из Сеульского национального университета: им удалось «поймать» 104 гена, чья активность в мозге мышей заметно варьировала, когда животных пытались чему-то обучить. А сотрудникам лаборатории Судзуми Тонегавы в Массачусетском технологическом институте удалось доказать существование специальных нейронов, чья задача – не хранение информации, но её активация (то есть их можно сравнить с библиотекарями, выдающими книги по запросу).
Вообще лаборатория Тонегавы, который из выдающегося иммунолога превратился в не менее выдающегося нейробиолога, ежегодно выдаёт по нескольку без преувеличения захватывающих результатов. Так, в другой их статье, опубликованной летом в Nature, говорится о том, как приятные воспоминания побеждают депрессию, причём победу над депрессией исследователи продемонстрировали именно на клеточном уровне, на уровне активности разных нейронных цепочек. Но даже если заниматься памятью как сугубо психологическим феноменом, то и здесь можно обнаружить много интересного. Например, вспоминание, как выясняется, идёт рука об руку с забыванием – разные части памяти в нашем мозге конкурируют между собой: чем чаще мы вспоминаем что-то одно, тем хуже помним что-то другое; а чтобы что-то выучить, нужно что-то забыть. Кстати, один из простых способов избавиться от неприятных мыслей обнаружили психологи из Оксфорда. Это Тетрис – оказывается, знаменитая игра помогает сделать плохие воспоминания менее навязчивыми.
В мозге, впрочем, полно загадок и помимо памяти с обучением. Одни исследователи продолжают обсуждать вопрос, может ли его кора менять свои функции, другие пытаются понять, отражаются ли на мозге индивидуальные особенности мышления, третьи ищут нейрофизиологические основы психических расстройств. С психоневрологическими заболеваниями вообще дела обстоят непросто – с каждым годом их молекулярно-клеточный портрет усложняется (сейчас, например, снова увеличилось количество «депрессивных» белков, и появился новый эпигенетический механизм, связывающий стресс и депрессию).
Со своей стороны, новые парадоксы подкидывают и психологи – хотя очень трудно бывает определить, где заканчивается психология и начинается нейробиология. Вот, например, группа исследователей из Стэнфорда, занимающихся феноменом творчества, сообщает, что за творчество у нас, среди прочего, в большой степени отвечает ещё и мозжечок. В другой работе, опубликованной в Nature Neuroscience, говорится об особой системе поддержки внимания, которую в мозге нашли с помощью психологических тестов и аппарата магнитно-резонансной томографии. Также в уходящем году мы с помощью нейробиологов и психологов узнали, почему мы слушаемся лидеров – потому что они понимают, что мы думаем и чувствуем.
Из сугубо психологических исследований хотелось бы отметить чрезвычайно интересную работу о влиянии языка на сознание. Если коротко описать выводы из неё, то язык действительно влияет на сознание, то есть свободное владение иностранным языком меняет восприятие и помогает увидеть мир в новом свете. Также упомянем о том, что у трёхлетних детей нашли чувство справедливости, и что культурный контекст, в котором растут дети, влияет на их представления о честности. Ну и, конечно, перед праздниками не стоит забывать, что желудок открывает путь не только к мужскому, но и к женскому сердцу.
Ещё одна, можно сказать, праздничная тема прошла через год буквально красной нитью – речь о музыке, точнее, о её восприятии. Во-первых, в мозге нашли музыкальный отдел: в слуховой коре полушарий мозга есть группа нервных клеток, которые отзываются преимущественно на музыку. Во-вторых, от музыки в который раз обнаружили практическую пользу – она помогает учиться языку. В-третьих, эмоции, которые музыка в нас вызывает, можно в буквальном смысле прочесть по глазам, а наши музыкальные вкусы могут сообщить о том, каких способностей в нас больше, аналитических или эмпатических. Наконец, эксперименты психологов из Университета Макгилла показали, что все люди способны понимать музыку чужой культуры – не полностью, но до какой-то степени.
Свои эмоции, память, когнитивные способности, социальная жизнь есть и у животных, и напоследок мы напомним о некоторых примечательных открытиях в области психологии и поведения братьев наших меньших, от муравьёв до котиков. С муравьёв мы и начнём: у их колоний нашли признаки личности, в том смысле, что устойчивые индивидуальные особенности поведения присущи не только отдельным муравьям, но и всему муравейнику. Кроме того, муравьи выработали довольно хитроумную стратегию переноски тяжестей. Но тяжести тяжестями, а вообще эти насекомые, которые стали одними из символов трудолюбия, на самом деле любят лениться.
А вот звери и птицы в уходящем году просто-таки подавали нам один за другим примеры поведения. Так, крысы в экспериментах исследователей из Чикагского университета помогали товарищам, попавшим в трудное положение, даже ценой вкусного угощения. Авторы работы надеются, что их новые результаты поставят точку в долгой дискуссии о способности животных (ну или, по крайней мере, крыс) к сопереживанию.
Павианы анубисы, обитающие в Центральной Африке, хотя и живут строго иерархичными сообществами, всё же учитывают мнение рядовых членов стаи: выбирая, куда пойти дальше, обезьяны преимущественно слушают друг друга, даже если мнение большинства противоречит мнению «начальства». А самки амадин, выбирая супруга, руководствуются психологической совместимостью с потенциальным избранником. Более того, если самку разлучали с «первой любовью», подсаживая к ней какого-то другого самца, то у самки с ним семейная жизнь не складывалась, даже если второй супруг был, что называется, хоть куда. Высокий уровень социализированности демонстрируют даже такие звери, про которые мы бы такого никогда не подумали: совсем недавно мы писали о том, как рукокрылые вампиры по доброй воле делятся едой с другими, заводя себе новых друзей.
Животные умеют дружить не только с представителями своего вида, но и с теми, кто принадлежит другому виду, роду, а то и царству, хотя в подобных случаях, наверно, следует говорить всё-таки не о дружбе, а о симбиозе или комменсализме, когда отношения полезны только одному виду, а второму безразличны. Так, колибри научились извлекать пользу от соседства с ястребами, а хищные растения непентесы «подружились» с летучими мышами, которые используют ловчие кувшины непентесов как спальню (а растения, в свою очередь, получают от своих «постояльцев» богатый азотом помёт). Конечно, есть пример «симбиоза», который дошёл до настоящей дружбы – это взаимоотношения людей и собак, причём собаки настолько привыкли полагаться на человека, что ждут от него помощи даже тогда, когда могли бы вполне самостоятельно разобраться с проблемой (в отличие от волков, которые всегда всё делают сами).
Хотя будущий год называется годом обезьяны, мы решили закончить наш обзор котиками, тем более что на них у нас пришлось целых четыре новости. Во-первых, теперь мы знаем, почему у кошек вертикальные зрачки: всё дело в том, что их форма у млекопитающих тесно связана с образом жизни, и, например, вертикальные зрачки позволяют мелким хищникам точно оценить расстояние до добычи и точно рассчитать прыжок (а горизонтальные зрачки травоядных копытных помогают им вовремя заметить опасность).
Вообще же кошки доверяют глазам больше, чем носу – к такому выводу пришли зоологи из Университета Линкольна (хотя владельцы котов наверняка и раньше замечали такую особенность у своих любимцев). Привередливость кошачьих в еде объясняется особенностями их эволюции: у кошек, несмотря на их плотоядность, осталось много рецепторов горького вкуса, которые к тому же могут работать иначе, чем человеческие.
Ну и, наконец, «главный вопрос жизни, вселенной и всего такого» – почему кошек тянет в коробки. На этот счёт у мировой науки есть несколько объяснений: кошки могут использовать ящик и как место для засады, и как средство от стресса, и даже как персональный обогреватель. Надо думать, котики радуются Новому году не меньше, чем мы с вами: по крайней мере, раз в году у них нет никакого недостатка в коробках.
