Сыграть в эволюцию

Научно-популярный мультимедийный портал Чердак 6 ноября 2018 г.

Вы думаете, что из хищников мы одомашнили только кошку и собаку? Нет, еще и лису!

Всего полсотни видов животных были одомашнены человеком. Из множества хищников нам поддались только собаки и кошки. Но полвека назад группа советских ученых решила добавить к ним еще одного хищника: лисицу. Корреспондент “Чердака” побывала в лисьем питомнике Института цитологии и генетики СО РАН в Новосибирске, чтобы посмотреть на то, как сибирские ученые в ускоренном темпе воспроизводят эксперимент, на который у древних людей ушло 15 тысяч лет.

Несколько лет назад у одной моей знакомой в доме появилась ручная лисица Жужа. За какие-то считанные недели Жужа вызвала восторг чуть ли не всех жителей района. И заодно перевернула вверх дном всю квартиру своей хозяйки. В сравнении с лисицей даже самая беспокойная собака доставляет хлопот не больше, чем аквариумные рыбки.  – И кому только пришло в голову назвать ее ручной? - спросила я, встретив на прогулке счастливую обладательницу.  –  Академику Беляеву, конечно! Ты что, ничего не слышала про знаменитых беляевских лисиц? Да их во всем мире покупают, специально приезжают за ними в Академгородок! Нигде в мире такого чуда не увидишь, они же ласковые, как собаки, а сколько в них красоты, силы и грации!

На этих словах поводок резко натянулся, и “сила и красота” выдернули хозяйку из кадра, на срочную прогулку в сторону леса. А я позвонила в Институт цитологии и генетики СО РАН, чтобы договориться о встрече с учеными на лисьей ферме и услышать знаменитую историю приручения из первых уст.

Академик Дмитрий Беляев с лисицами, 60-е годы
Фото предоставлено институтом цитологии и генетики СО РАН

Из первых уст

От центрального входа на ферму до клеток лисиц мы шли минут пять. Первая линия животных на нашем пути - агрессивные. Чтобы долго находиться с ними рядом, нужны железные нервы и... беруши. В глазах у каждой - страх, на каждой морде - пугающий оскал. А ведь их здесь только кормят и убирают за ними, подумалось мне. Никто нарочно их не  пугает, не обижает и не дрессирует, как бойцовых собак. Все это - только результат генетического отбора.

Первые попытки сделать дикую лисицу домашней методом обычного отбора (селекции) по дружелюбному поведению к человеку начались в СССР более чем 60 лет назад и для многие сочли их экзотическим чудачеством сибирских ученых. Собака стала домашним животным естественным образом за 15 тысяч лет — но сотрудники Института цитологии и генетики под руководством академика Дмитрия Беляева решили бросить вызов природе. Спустя десятилетия, результаты генетических экспериментов с лисицами потрясли все мировое научное сообщество и вызвали бурный интерес к различным экспериментам по одомашниванию животных.

Изначально отбор лисиц не был связан с поведением и производился исключительно в целях повышения качества и красоты шкур в пушном звероводстве. Совместить большую науку с мелкой прикладной задачей не представлялось возможным – к сожалению, у добрых лисиц шкуры оказались весьма посредственные. Дружелюбные лисы с каждым поколением проявляли, на удивление, все больше ручных признаков. Если в первом поколении они были толерантны к человеку, то есть не бросались на него, рыча и скалясь, то в шестом – кидались лизать ему лицо и руки и ложились на спину, чтобы их погладили. Но усиление с каждым поколением тех качеств, по которым производился отбор, не так удивил ученых, как другие проявившиеся изменения.

Превращение в собаку

Не задерживаясь у лисиц-агрессоров, мы проходим мимо клеток с обычными лисицами (ученые используют их как сравнительные модели) и попадаем к долгожданным ручным лисицам. Завидев нас издалека, лисицы вскакивают, носятся по клеткам, с грохотом крутят лапами свои миски, видимо, ожидая порции фарша. Но, завидев пустые руки, они, на удивление, не теряют ко мне интерес. Виляют хвостами, встают на задние лапы, просовывают между прутьев свой ласковый острый нос. Но главное — смотрят так, что хочется немедленно распахнуть клетки и переобнимать всю пушистую стаю.

В результате доместикации, начатой академиком Беляевым в 1950-е годы,  у лисиц стали появляться новые внешние признаки: контрастные белые пятна на теле (депигментация), характерная белая «звездочка» на лбу, свернутый в кольцо “лаечный” хвост, вислоухость у щенков, укороченная и широкая лицевая часть черепа, иногда укороченные хвост и лапы.

Кроме внешности, изменялись и другие качества, например, сдвинулось на более раннее время брачного периода и, соответственно, время появления щенков. Выражаясь научным языком, длительность светового дня перестала быть главным фактором — скрещивания фиксировались даже при самом коротком световом дне и даже вне сезона размножения, который в природе у животных строго стабилизирован.

— Причиной появления пятен (пегости) и других внешних изменений у экспериментальных животных служит разбалансировка миграции клеток нервного гребня — структура, которая возникает у эмбриона на ранних сроках, — поясняет научный сотрудник лаборатории эволюционной генетики Института цитологии и генетики СО РАН Юрий Гербек. — Клетки из нервного гребня поступают и в челюсти, в лицевые нервы, в конечности, в кожу, и в надпочечники. Когда сотрудница Беляева, Людмила Праслова, брала кожу у эмбрионов, она показала, что в определенный момент клетки нервного гребня не доходят до нужного места, в котором они выполняют свою функцию. Если эти клетки отвечают за цвет шкуры, то в некоторых местах у щенка появляются белые пятна. 

Спустя годы, выяснилось, что к похожим результатам приводит и селекция лисиц по агрессивности к человеку. Удивительные перемены во внешности и физиологии оказались связаны не только с доместикацией, но, в целом, с отбором по социальному поведению. Похоже, причина была в вовлеченности одних и тех же генов, отвечающих за поведение. Задача становилась все интереснее.

С начала 1970-х лисиц начали отбирать не только по степени дружелюбности, но и в противоположном направлении — по их агрессивности к человеку. Исследование теперь включало три линии лисиц — агрессивную, ручную и не подвергнутую селекции. Дмитрий Беляев и его ученица Людмила Трут показали всему миру, что селекция изменяет не только поведение. Меняется гормональный фон и многие обменные процессы. Например, выяснилось, что у дружелюбных особей уровень серотонина заметно выше, чем у агрессивных лисиц.

По какому бы признаку ни проводился отбор, он меняет не только один этот признак — так звучит постулат теории дестабилизирующего отбора, который Беляев доказал на деле. Но эволюционная история каждого вида уникальна, как и его генетические резервы, поэтому предвидеть характер изменений в начале экспериментов почти невозможно.

В частности, из-за различий в истории эволюции все собаки выглядят очень по-разному, в отличие от своего общего предка, волка. И уж тем более они отличались от его древнейшего предка эпохи плейстоцена — волка ужасного (Canis dirus), который охотился на мамонтов и другую мегафауну и имел чудовищных размеров челюсти и зубы. Различия между собаками появились задолго до формирования собачьих пород. Но если знать, за какие процессы отвечают конкретные гены, можно объяснить, почему произошли эти изменения. А это ключ ко многим загадкам, в том числе, и человеческого организма.

Добрые щенки у злой лисицы

По дороге на лисью ферму мне представлялось, что злые лисы должны быть черными, не отобранные — рыжими, а добрые - белыми. Оказалось, что черных лисиц просто большинство во всех группах, но в целом расцветка не связана с поведением. Хотя сложно представить, что белоснежный лисенок с разноцветными глазами, которого дали мне на минутку подержать, мог бы оказаться где-нибудь, кроме ручной линии.

Чтобы доказать, что дружелюбность к людям это глубинный наследуемый признак, сибирские исследователи поставили эксперимент, поменяв местами на 7-й день беременности половину эмбрионов у двух лисиц — черной агрессивной и белой доброй. По окраске все родившиеся черно-белые пятнистые щенки были очень похожи. Так что, если бы не характерное поведение, отличить их было бы совершенно невозможно. Но когда несколько щенков черной лисицы, едва научившись ходить, увидели приближающегося к клетке человека, они со всех ног побежали к нему, виляя хвостами. С этого момента, несмотря на цветовую мимикрию, проблемы с идентификацией пересаженных эмбрионов отпали. Черная лисица была крайне недовольна таким неосмотрительным поведением своих детей, и со злобным рычанием утащила их одного за другим в дальний угол клетки.

— Когда в институте начались разговоры, будут платить зарплату или продолжат кормить лисиц, исследования повисли на волоске. Некоторые представители руководства склонялись к решению закрыть лисью ферму. Эспериментальное хозяйство и уникальное беляевское направление выжило благодаря упорству и усилиям Людмилы Трут, — вспоминает доктор биологических наук, заведующий отделом разнообразия и эволюции геномов Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН Александр Графодатский, который тогда работал в том же институте.

Сохранив лисью ферму и продолжив работы в 90-е, в ХХI веке исследователи получили инструментальную возможность определять расположение на хромосомах участков, связанных с ручным поведением, и эксперименты по доместикации перешли на новый уровень. Выяснилось, что гены, контролирующие поведение, находятся в тесной близости к участкам генома, отвечающим за целый ряд других признаков и процессов.

Добавочные, но не лишние

Никому за рубежом в те годы не пришло бы в голову браться за такие долгие и дорогие проекты. Подобный размах могла себе позволить только мощная держава, поэтому, узнав о проекте, многие зарубежные ученые пришли в восторг и предложили сотрудничать. После выхода статьи Людмилы Трут в журнале American Scientist в 1999 году, к результатам работ сибирских генетиков проявили большой интерес американские ученые, и через несколько лет совместные публикации по беляевским лисицам стали выходить в ведущих научных журналах по молекулярной генетике.

Первые совместные работы с США инициировала биолог из Санкт-Петербурга Анна Кукекова, которая переехала работать в Корнельский университет, а позже возглавила лабораторию в Иллинойсе. Десятки родословных ручных и агрессивных лисиц изучались по сотням разнообразных генетических маркеров. Исследователи занимались картированием генома лисицы, используя генетическую карту сцепления (взаимного расположения генов) собаки, во многом аналогичную лисьей.

У лисиц есть одно интересное отличие от других животных. Они чуть ли не единственные из хищников имеют добавочные хромосомы. Такие хромосомы есть у некоторых млекопитающих. Например, у косули. Никто не мог понять, какую функцию они несут, поэтому их часто называли “мусорной ДНК”. Академик Беляев считал, что именно там и нужно искать ответы на вопросы о доместикации. Картируя гены, ученые нашли на этих добавочных хромосомах полноценный ген, отвечающий за окраску животного, а позже в лаборатории Александра Графодатского там были найдены и другие работающие гены. Назревала необходимость секвенировать геном целиком, но эти работы стоили огромных средств и были по силам и средствам лишь немногим  лабораториям мира.

Первая в топ-100

Сегодня часто можно услышать, что секвенирование скоро станет доступным для любой лаборатории. Здесь стоит пояснить, что секвенирование это всего лишь первый отрезок пути, непоследовательное прочтение генома, который разорван на миллиарды разрозненных последовательностей букв разной длины. Само прочтение этих отрезков может стоить совсем не много. Но чем короче эти отрезки, тем меньше возможностей их как-то использовать, то есть “пристроить” их на карту полного генома.

Располагая полным геномом, ученые могут найти в нем место расположения кусочка, который они секвенировали. Но полных геномов хорошего качества нами расшифровано совсем немного — именно из-за трудоемкости этого процесса. Зачастую громкие заявления о расшифровке генома того или иного животного при дальнейших попытках их использовать оказываются не вполне обоснованными. В “матрице” обнаруживается слишком много пустых ячеек. Так произошло, например, со всеми любимым голым землекопом — хранителем секрета вечной молодости. Первые исследователи слишком торопились собрать его геном, чтобы первыми опубликоваться, а вторые уже не особенно старались. Хорошая работа, как ни банально это звучит, по-прежнему стоит серьезных средств. Например, расшифровка генома человека обошлась в $2,5 млрд.

И вот, как по заказу, в 2009 году в США запускается знаменитый проект расшифровки полных геномов ста млекопитающих, а единственным зарубежным участником туда приглашают новосибирского генетика Александра Графодатского из Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН, известного своей обширной коллекцией ДНК животных. Ученый сразу же вписывает доместицированную лисицу в список американцев. Работа продолжалась примерно 8 лет. Научную часть (весь цикл подготовки материала) выполняли российские ученые в Новосибирске и в США, а готовый для анализа продукт отправляли в Китай для секвенирования. Затем прочитанные отрезки обрабатывала международная группа биоинформатиков, составляя из них читабельную “книгу”.

Домашние лисы счастливее и умнее

Отсеквенированного лиса звали Риф. Он был гибридом ручной и агрессивной лисиц. Для полноты картины на геном Рифа накладывались отдельные данные по десяткам лисиц из разных линий: не только от домашних, агрессивных и неотобранных, но и от диких лисиц — ведь жизнь в клетке накладывает свои отпечатки и на тех, кто отбору не подвергался. После расшифровки полного генома лисицы в 2018 году работы вышли на принципиально новый уровень. Вместо относительно точного (QTL) картирования расположения генов, связанных с поведением животного, в бой вступила тяжелая китайская техника для секвенирования, которая четко определила сами гены и точно картировала их местонахождение.

В ста геномах у агрессивных и у дружелюбных лисиц нашлось в общей сложности 103 участка, достоверно связанных с их поведением, то есть затронутых селекцией. Что особенно ценно – найденные места частично совпали с данными предыдущей методики (QTL). Но появились и новые гены-кандидаты, отвечающие за работу нервных клеток. Например, за передачу сигналов между нейронами и за образование новых нейронов у взрослой особи. Сначала выяснилось, что у ручных лисиц новых нервных клеток больше, и они образуются быстрее, а, спустя годы, нашлись и гены, отвечающие за эти процессы. Может быть, домашние лисицы умнее своих диких сородичей. Это, полагают ученые, связано со снижениему добрых лисиц стресса, который подавляет в организме многие процессы.

— До определенного уровня стресс работает как катализатор развития и помогает, например, быстро принимать решения, но эта взаимосвязь не линейна, и выше определенной точки стресс является нейротоксическим и тормозит многие важные процессы, – поясняет Юрий Гербек. — Эти процессы хорошо изучены и у других животных. Например, у агрессивных крыс обучаемость хуже.

Эксперименту тесно в клетке

С появлением технологий молекулярной генетики ученым удалось решить далеко не все вопросы. Ведь исследовать доместикацию, изучая лисиц, которые живут в клетках и видят человека редко и недолго — это стесненные условия для эксперимента. Чтобы изучать процесс доместикации в полной мере, нужно сделать лисицу домашним животным, поселив ее рядом с человеком, как когда-то собака стала жить рядом с древним человеком в его естественной среде обитания. Людмила Трут однажды провела такой эксперимент, и результаты оказались неожиданными. Лисица Пушинка так сильно привязалась к своей хозяйке, что даже после родов, когда все внимание животного должно быть сосредоточено на потомстве, долго металась из комнаты в комнату, пока не принесла к ее ногам одного за другим всех своих щенков.

— Когда Пушинка положила к моим ногам своего новорожденного щенка прямо на холодный пол, я поругала ее и постелила на пол одеяло, — вспоминает Людмила Трут. — Тогда она быстро перетащила их всех, и, окончательно успокоившись, улеглась кормить. Конечно, Пушинка проявляла много качеств домашнего животного, и даже лаяла на чужих, совсем, как охранная собака. И все-таки трудно было вообразить, что чувство лисицы к собственным детям окажется сопоставимо по силе с ее привязанностью и преданностью к человеку.

Эксперимент с Пушинкой повторить в масштабе невозможно. Для этого пришлось бы раздать сотни лисиц людям. Но для дальнейших исследований необходимо оборудовать ферму вольерами, в которые лисицы смогут свободно выходить из клеток и осваивать новое пространство. Ограничивая жизнь лисицы одной клеткой, ученые неизбежно сокращают спектр ее поведенческих реакций, и, как следствие, полноту своих исследований. Даже стандартный тест на интерес и дружелюбность к человеку был бы намного достовернее и богаче, если у лисицы появился бы выбор — погулять по вольеру или сразу бежать общаться с человеком. Те единичные особи, которых готовят к продаже, живут в вольере лишь несколько месяцев, пока за ними не придет будущий хозяин. Значивой статистики только на них не собрать, да и для исследований они не годятся, поскольку стерилизованы. Но даже по ним видно, что отношение к человеку у них разное. Лисица Муха крутилась вокруг меня, как волчок, лизала руки и, в конце концов, легла на спину, чтобы я почесала ей живот. Другая живо интересовалась только видеокамерой и фототехникой. Третьей было жарко, и она улеглась в тени, поглядывая на наши игры из своего угла. Но для науки нужно проводить исследования и на агрессивных лисицах, а в вольер на продажу попадают только самые дружелюбные.

— К человеку-то они добрые, но вчера я нашла у них на площадке ноги коршуна, — говорит сотрудница фермы, которая ухаживает за ручными лисицами в вольере. — Знаете, здесь часто парят такие мощные птицы с крючковатами клювами и метровым размахом крыльев. Крышу бы надо оборудовать, или хоть рабицу, а то одного лисенка по весне заклевали. На этот раз, видимо, сумели постоять за себя, ласковые наши.

Детские игры – движущая сила эволюции

Один из секретов способности животного к приручению это замедление процессов взросления, которые проявляются в страсти к игре и отсутствии страха. У щенков лисы врожденное чувство опасности появляется обычно на 45 день жизни. На уровне физиологии это проявляется в росте уровня гормона кортизола. У ручной линии лисиц такого выраженного пика в уровне кортизола не происходит ни в этом возрасте, ни в более позднем. Их исследовательский интерес к игре и к общению с человеком одерживает победу над дикими инстинктами. История знает немало примеров, когда люди брали в дом диких животных грудного возраста, и некоторое время они охотно играли с их детьми и казались их добрыми друзьями. Но по достижении определенного возраста уровень кортизола рос, и игры хищников становились все более агрессивными. Такие истории иногда заканчивались печально для тех, кто планировал вырастить таким способом ручного медведя, льва или тигра.

Из-за появления мирного интереса к окружающей природе — и друг к другу — эволюцию человека связывают с его самодоместикацией — самостоятельным одомашниванием. Менее агрессивные группы людей лучше приспосабливались к природным условиям, соответственно, их выживало больше, чем тех, кто существовал в страхе, уничтожая друг друга и себе подобных.

Детское состояние увлеченности, таким образом, это одна из движущих сил не только развития ребенка, но и человека как биологического вида. Проявление детских признаков у взрослых животных, в том числе и людей, ученые называют неотенией — сохранение младенческих качеств у особи, достигшей половозрелого возраста. У насекомых неотенией называется способность к размножению на стадии личинки. У здорового человека признаками неотении можно считать, например, не растущие усы и борода у взрослых мужчин. Если посмотреть на развитие не в рамках одного вида, то мы можем заметить, что, в отличие от человека, у шимпанзе размер мозга при рождении ненамного больше, чем у взрослой особи, а форма и пропорции скелета с возрастом практически не меняются. Мозг человека увеличивается практически на протяжении многих лет  его жизни. С точки зрения межвидового анализа этот процесс можно считать затянувшимся взрослением, а на практике это дает мощный потенциал эволюционного развития.

Окситоцин и доброта

Почему лиса начинает так любить человека, продолжая жить в клетке и не очень много общаться с ним? Что в этот момент происходит в ее мозге? Ряд зарубежных исследований показал, что во время общения с человеком у собаки происходит выработка окситоцина в гипоталамусе. Это вещество, помимо того, что отвечает за сокращение гладкой мускулатуры, отвечает за социальное поведение. Феномен доброго, просоциального поведения людей практически не исследован наукой, поскольку такие люди в современном обществе обычно не нуждаются в услугах психиатрических клиник. Их чрезмерная доброта, по вполне понятным причинам, не тяготит ни окружающих, ни их самих.  

Крайняя степень социальности  как очень небольшой части симптомов медицинского диагноза известна на примере синдрома Вильямса. Достоверно известно, что у людей с этим синдромом уровень окситоцина в среднем выше. Но это заболевание сопровождается целым рядом других изменений, в частности, умственной отсталостью. Само собой, этот частный пример не может свидетельствовать о прямой взаимосвязи доброты и тяжелых психических заболеваниях. Это весьма нередкий случай в научных исследованиях, когда равенство не работает в обратную сторону. Сибирские генетики сегодня занимаются исследованием влияния окситоцина на поведение щенков, вводя это вещество новорожденным щенкам  агрессивных лисиц. Результаты экспериментов пока не опубликованы.

Мария Роговая (текст и фото 2, 3)