Сесть за работу мне долго мешал пес. Он чего-то добивался, то подсовывая голову в ладонь, то жалостно повизгивая, то и вовсе пытался прыгнуть на колени. Есть и пить он отказался, и я так и не понял, что с ним приключилось — одолело одиночество или болел живот...
Ничего необычного в этом описании нет. Домашние животные прежде всего доверяют нам, а порой и беззаветно преданы человеку. Но как сложилось, вернее, как удалось человеку сложить и прочно закрепить такое поведение у бессчетных потомков животных, которые на рассвете цивилизации пришли к людям?
В конце пятидесятых годов появилась гипотеза о том, что уже на первых этапах одомашнивания диких зверей наши предки отбирали их именно на доместикационный тип поведения. Так научно называют способность зверя уживаться с человеком, подчиняться ему и оставлять потомство в созданных человеком условиях.
Механизм доместикации предполагался такой: мощный стресс непривычной обстановки изменяет уровень гормонов, они расшатывают генетический аппарат, дремлющие доселе гены включаются в работу, запуская новый вид поведения. Автором гипотезы был академик Дмитрий Константинович Беляев, который, вплоть до его кончины в ноябре 1985 года, возглавлял Институт цитологии н генетики Сибирского отделения Академии наук СССР.
Однако гипотезе уже четверть века — солидный возраст для научной идеи. Сегодня такое толкование кажется «укороченным». Ведь между генами и поведением животного стоит его мозг. Если мы хотим понять, как аппарат наследственности управляет поведением, то должны разобраться в закономерностях работы мозга, вернее... его языков.
Звенит морзянка, чирикает воробей, программист разговаривает с компьютером, китаец беседует с китайцем, а сельский помещик жалуется Дубровскому — помните? — «Я не могу, дормир, в потемках». Тьма и смешение языков. И у мозга тоже не один, а несколько языков, то есть систем кодирования и передачи информации, так же не похожих друг на друга, как китайский язык на морзянку.
Существует язык пачек электрических импульсов, которыми обмениваются нервные клетки через свои отростки. В хитросплетении этих отростков, в образовании новых контактов-синапсов между нейронами состоит «архитектурный» язык центральной нервной системы. Но дальше всего ученые продвинулись в расшифровке языка химического общения нервных клеток.
Буквы этого языка — молекулы нейро-медиаторов, их выделяют окончания нервных клеток. Биологи насчитывают несколько десятков медиаторов, одни из них заставляют клетку-приемник генерировать электрические импульсы, другие, наоборот, «выключают» электрические сигналы, третьи — влияют на обмен веществ внутри нервной клетки и так далее. Нейрон-передатчик может выделить сразу комбинацию медиаторов. Эти наборы — составленные из букв-медиаторов слова языка мозга — передают уже сложные сообщения. В мозговых структурах (тысячи и миллионы нейронов) слова собираются во фразы. В целом мозге непрерывным потоком течет полнозвучная химическая речь. Но все языки мозга (в том числе и химический) растут из общего корня — «праязыка» генетического аппарата. Врожденный праязык мозга необычайно сложен. Из приблизительно ста пятидесяти тысяч генов млекопитающих почти сто тысяч — львиная доля! - синтезируют белки, печатают буквы языка для нервных клеток. В остальных тканях эти две трети генетического народа безмолвствуют и бездействуют.
Как же работает генный аппарат химической речи мозга?
Самые крупные молекулы посредников- медиаторов белковой природы сразу «печатаются» на генах в виде блоков, которые потом расщепляются на рабочие куски. Существуют и другие медиаторы, их производство регулируется белками- ферментами, которые — угадали — опять же «печатаются» в типографии генов. И, наконец, гены отвечают за производство белков-рецепторов, приемников химического сигнала.
Итак. Первое — поведение животного есть внешнее проявление «речи мозга». Второе — исследователи лучше всего понимают речь мозга, когда она звучит на «химическом языке». И третье — химия нервных процессов давно и прочно связана с генетикой.
Эти стратегические соображения определили, почему связь между генетикой и поведением в первую очередь изучается в области «химического», а не «электрического» или «архитектурного» языков мозга.
Итак, в июне 1986 года в Новосибирске впервые в нашей стране и в мире проходила конференция: «Медиаторы в генетической регуляции поведения».
Наш рассказ не случайно начался с описания трогательного поведения домашнего пса. Новосибирскую конференцию организовал Институт цитологии и генетики Сибирского отделения АН СССР, и сообщения сотрудников этого института рассказывали о контроле поведения как раз одомашниваемых животных. Контроль, естественно, велся самым наработанным способом — за спектром медиаторных ферментов.
В основании докладов лежал монументальный, единственный в истории биологии эксперимент, который четверть века назад начал академик Беляев вместе с Людмилой Николаевной Трут, ныне доктором биологических наук, руководителем лаборатории эволюционной генетики.
На звероферме биологи уложили в четверть века путь, на который требовались тысячелетия. Одомашнили, казалось, совсем неподходящее животное — чернобурую лису. Ученые, основываясь на гипотезе Дмитрия Константиновича Беляева, выбрали вектором селекции сочетание бесстрашия и миролюбия по отношению к человеку. Среди промышленных чернобурок, которых с рождения кормят люди, только у каждой десятой встречается такое счастливое сочетание. Эту горстку четверолапых гуманистов взяли двадцать пять лет назад для отбора на доместикацию. Их скрещивали только внутри группы и в каждом поколении отбраковывали мизантропов, от страха или злобы не желавших идти навстречу человеку.
Наверное, я никогда не забуду два шедда на новосибирской звероферме. Специальное слово «шедд» означает крытый общим навесом длинный ряд из лисиных двухкомнатных квартир, смежных проволочной и деревянной клеток. Настороженная тишина встретила меня в «общежитии» несекционированных животных. Затем из десятков клеток донесся барабанный стук лап — звери прятались в деревянные отсеки — и глухо, угрожающе покашливали: хр-хр! На клетках лежали истрепанные лисьими зубами рукавицы, одного взгляда на них хватало, чтобы держаться от животных подальше. Кроме редкостного однообразия — ничего удивительного. Обычная реакция пленного дикого зверя. Удивительное случилось в другом шедде. Лишь только я вошел, раздался дружный хор сипловатых взвизгов «Йя-йя-йя!» приветственный клич, судя по тому, как вели себя лисицы. Любую из клеток можно было открывать без боязни. Лисы, отобранные на дружелюбие к человеку, как собаки при виде хозяина, отчаянно виляли хвостами, ложились на бок, лизали руки.
Я тогда подумал, что любовь к человеку вообще у этих чернобурок посильнее собачьей. Мой-то красавец ласков только со мной. А эти лисы видели меня первый раз в жизни. Причем это не чудо дрессуры, отношение этих животных к человеку иное, чем у лис промышленной популяции, «с младых когтей» — с первых самостоятельных шагов. Это именно генетическое чудо, потому что путь любви, который, из поколения в поколение расширяясь, протянулся через мозг этих чернобурых лисиц, покоится на фундаменте наследственных перестроек. Но как они отражены в работе — языке мозга?
Пытаясь разрешить эту загадку, профессор, доктор биологических наук Нина Константиновна Попова, которая руководит лабораторией феногенетики поведения, в 1975 году обратилась к изучению химических связных мозга — серотонина и норадреналина. В центральной нервной системе животных очень мало нейронов, которые выделяют эти вещества. Например, в мозге крыс среди миллиардов клеток их несколько десятков тысяч. Зато их отростки дотягиваются буквально до каждого уголка мозга. Некоторые такие нейроны вступают в контакт с полумиллионом соседей! Вклад этих клеток необычайно велик, но особенно важны они для реакций, насыщенных яркими эмоциями, — страха, ярости, полового поведения.
Исследования этих медиаторов в мозге нескольких поколений лисиц в процессе селекции показали, что под видом отбора на доброе поведение на ферме по сути шел отбор по типу активности медиаторных систем. А еще точнее — по типу управления медиаторными системами со стороны центра наследственной информации, генома. Критерием отбора оказалась перестройка наследственных признаков, которые руководят серотониновым обменом. У лис-гуманистов уровень этого медиатора был выше, чем у неселекционированных: активнее работали ферменты, синтезирующие серотонин, слабее те, что разрушали его. Больше было и приемников-рецепторов серотониновых сигналов. Все вместе вело к тому, что серотониновый голос звучал в мозгу громче, уверенней, расширился его контроль за всеми нервными связями.
Похожие события происходили в мозге у диких крыс и промышленных норок, которых тоже отбирали на беззлобность и бесстрашие. Изменения... Но в чем состояли изменения — скорее ли пошла сборка белков-регуляторов, увеличилось ли число «фабрик», производящих серотонин, — пока совершенно неясно.
Зато начал очерчиваться ответ на другой важный вопрос — почему именно серотониновый фактор играет такую важную роль в умиротворении хищников. Н. К. Попова и ее сотрудники больше десяти лет потратили на изучение одного из главных назначений серотонина — передавать сигналы управления агрессивным поведением, особенно хищнической агрессией: охотой, убийством, поеданием.
Серотонин образуется в организме из аминокислоты триптофана, которую хищник может получить только с мясом жертвы. Как считает кандидат биологических наук Элла Михайловна Никулина, коллега Нины Константиновны, чем. меньше триптофана в организме, тем меньше серотонина в мозге, тем сильнее желание охотиться и убивать. Но стоит получить триптофан с мясным обедом — растет уровень серотонинового обмена в нейронах. Сытый зверь неагрессивен.
Правда, во всем этом есть «но». Если отбор на доброту тесно связан с уровнем хищнической агрессивности, то ручные лисы раньше всего должны были перестать нападать на свои потенциальные жертвы — мышей и крыс, а потом уж — не кусать руку человека. На деле наоборот. Лисы первых одомашненных поколений, добрые к человеку, поголовно убивали грызунов, да и в конфликтах с сородичами показали себя вовсе не тихонями.
Такой «стиль поведения» генома можно описать пока только неточно, образно. Постепенно наращивая под давлением отбора нажим на серотониновые «тормоза», аппарат наследственности как бы с оглядкой убирает из поведенческого репертуара разные виды агрессии. Устранив враждебность к человеку, геном «спохватывается»: что же будет с хозяином-организмом, если он не сможет постоять за себя в бою с соперниками и даже раздобыть мелкую зверюшку на обед? Возможно, искусственный, ускоренный отбор сперва целесообразно отключает механизм агрессии против человека, и только затем в фарватере глубоких перестроек генов по инерции слабеет внутривидовая и хищническая агрессивность.
У добрейших лабораторных крыс процесс прошел до конца. Но ведь их отделяют от злобного пасюка многие сотни поколений. Охотничьи инстинкты ослаблены у многих пород домашних собак и кошек. Курьезный вроде бы вопрос: «Почему мой Васька не ловит мышей?» А в ответе на него проступает величайшее мастерство природы, которая зорко следит за тем, что должны уметь животные в новой среде, и... убирает лишнее, как агрессивность у хищника, приученного к регулярной кормежке из рук хозяина.
Конечно, гены серотонинового обмена не единственные, которые меняются при одомашнивании лисиц и норок. Картина сложнее. Но на чистой странице книги о том, как и почему животное идет навстречу человеку, проступили первые слова, фразы, правила, написанные генами на химическом языке мозга.
Вот, например, кому дело до того, умны или глупы рыбы, что гуляют по морям и рекам? Пусть даже будут поглупей — скорее попадут на сковородку. Но. Низкие адаптивные способности рыб приносят многомиллионный ущерб государству. Для мальков, которых искусственно выводят, а после отпускают в реки, тепличное воспитание не проходит даром. Большинство их гибнет в зубах хищника, от голода или других причин, у которых общая основа — не умеют «инкубаторские» мальки приспосабливаться к новой, сложной среде.
Четыре года назад за эту проблему взялся творческий молодежный коллектив «Опыт», в который объединились сотрудники Института эволюционной морфологии и экологии животных АН СССР, других научных центров и Миирыбхоза. Об этой работе на конференции в Новосибирске докладывали москвичи Л. В. Витвицкая и С. И. Никоноров. Они считают, что смекалка, находчивость, объем памяти и выносливость животных тем больше, чем разнообразнее их наследственные признаки — гены. Так, собаководы давно заметили, что дворняги смекалистее и выносливее породистых псов. Эксперименты с крысами, проведенные молодыми биологами коллектива «Опыт», подтвердили точно: представители чистых линий проигрывают животным с более пестрым набором признаков и в быстроте, и в качестве обучения. Удалось доказать, что синтез ДНК и РНК в нейронах чистокровных крыс идет медленнее, чем у гибридов.
Опыты продолжались на рыбах. Среди мальков севрюги и лосося выбирали тех, кто быстрее обучался, и сравнили структуру однотипных ферментов у этих «отличников» и у рыбок-«двоечниц». У «отличников» было больше вариаций. Спектр наследственной информации, кодирующей строение этих ферментов, следовательно, был шире. Итак, способности у рыб, как и у крыс, тем выше, чем больше цветов и оттенков включает их генетическая палитра. Возможно, и у рыб более пестрый геном расширяет словарный запас медиаторов, то есть обогащает язык мозга, а в итоге — его возможности. Биологи коллектива «Опыт» ищут сейчас пути сделать мальков способнее, обогащая информацией среду, в которой те начинают жизнь. При этом мерой способностей служит именно степень разнообразия ферментов мозга.
Итак, следуя ходу новосибирской конференции, мы узнали о разных формах генетического контроля поведения. Через синтез ферментов или молекул-рецепторов гены руководят созданием и распадом медиаторов в мозге, управляют восприятием медиаторов чувствительными окончаниями нервных клеток. Когда эти процессы закрепляются механизмом наследственности, они становятся врожденными особенностями поведения.
Но как сцеплены шестеренки взаимодействия генома и нейромедиатора?
Взаимное влияние генома и медиаторных систем мозга идет по двум путям: туда — от активации гена до синтеза медиатора, его рецептора или управляющего медиатором фермента; в обратную сторону — через действие медиаторов на генетический аппарат клетки.
Больших успехов удалось добиться тем, кто идет по классическому пути — от генома к белкам-медиаторам. Группа американских исследователей выяснила, что гены, которые управляют работой разных химических связных, расположены на хромосомной нити рядом, а зачастую вообще имеют общий регуляторный участок. Поэтому, видимо, гены действительно контролируют всю цепочку образования медиатора, а не отдельные ее звенья.
И все же цепь передачи информации мертва без конечного звена — приемника. Последнее слово в химическом медиаторном разговоре нейронов остается за рецепторами. Именно рецептор, открывая или закрывая под влиянием медиатора каналы в мембране, по которым внутрь нервной клетки скользнут ионы натрия, калия, кальция, заставит нейрон «услышать» слово медиатора — подать электрический сигнал.
Но вот какая получилась запятая. Почти для каждого медиатора обнаружили несколько типов рецепторов. Что это — разные молекулы или одна, но разной формы? Это первый, но не единственный принципиальный вопрос из целой серии вопросов, на которые можно ответить, только получив белок-рецептор в чистом виде и изучив его структуру и пространственное расположение частей.
В начале восьмидесятых годов совместные работы американских и японских исследователей позволили выделить и расшифровать структуру гена, который кодирует производство рецептора для одного из медиаторов — ацетилхолина. Этот ген выделили из клеток электрического ската и встроили в половую клетку лягушки. Лягушачьи клетки разместили в своей оболочке белки рецептора и принялись исправно изменять электрический потенциал в растворе ацетилхолина. Модель явления была создана. Дело за тем, чтобы перенести ее в мозговые клетки, в которых идут процессы запоминания и обучения. Разумеется, это только первые шаги к молекулярным разгадкам связи ген — медиатор, но многообещающие шаги...
Что касается обратного пути, от медиатора к гену... Способность-то медиаторов изменять работу гена известна. В Новосибирске и были сделаны попытки обсудить условия частной задачи: действует ли на гены медиатор, вызывая своеобразную мутацию «изнутри», сам по себе, когда достигает ядра клетки, или через цепочку химических процессов?
Увы! Исследователи не смогли даже сообща поставить задачу — верный признак ее крайней сложности.
В сказочной пьесе Метерлинка «Синяя птица» в Царство Ночи вслед за Мальчиком и Девочкой решился вступить только Пес. Он сказал, что пойдет за человеком куда угодно, хотя бы и на смерть.
Я вспомнил этот эпизод, и мне расхотелось подводить итог расхожими словами, что проблема непроста, но скоро будет решена.
То, что разведано о молекулах-посредниках в генетической регуляции поведения, это «нулевой цикл» — подходы к проблеме. Прочитать клятву верности Пса на химическом языке медиаторов — задача на годы и десятилетия. Но эта задача вышла на передний край нейробиологии потому, что сегодня ясно: корни языков мозга вплетены в двойную спираль ДНК.