Внутренняя рыба. История человеческого тела с древнейших времен до наших дней - Нил Шубин

Прошло двадцать лет, и я по-прежнему копаюсь в грязи и раскалываю камни. Кроме того, я собираю образцы ДНК и изучаю ее роль в развитии организмов. Так обычно и бывает в научных спорах — поначалу люди всегда склонны перегибать палку. Со временем подход «все или ничего» уступает место более взвешенным и реалистичным подходам. Ископаемые и геологическая летопись остаются богатым источником данных о нашем прошлом. Без них никак нельзя узнать, какими были условия среды и какие именно переходные формы возникали на протяжении развития жизни. Изучение ДНК в свою очередь, как мы уже убедились, открывает широкое поле для изучения истории жизни и механизмов формирования тел и органов. Роль ДНК особенно велика в тех вопросах, о которых палеонтологические данные ничего не говорят. Многие структуры живых организмов, например мягкие ткани, сохраняются в ископаемом виде лишь в редчайших случаях. Об истории многих таких структур у нас имеются сведения, добытые почти исключительно из ДНК.

Извлекать ДНК из живых организмов удивительно просто — так просто, что вы можете делать это у себя на кухне. Возьмите немного ткани какого-либо растения или животного — горох, или кусок мяса, или куриную печенку. Добавьте немного соли и воды и поместите все это в кухонный комбайн, чтобы размолоть в однородную массу. Затем добавьте немного средства для мытья посуды. Оно растворит окружающие клетки мембраны, оказавшиеся слишком маленькими, чтобы их размолол кухонный комбайн. После этого добавьте немного размягчителя для мяса. Он удалит некоторые белки, прикрепленные к молекулам ДНК. Теперь у вас получилось жидковатое мыльное пюре, в котором плавает ДНК. Добавьте к нему немного технического изопропилового спирта. У вас получится двухслойный коктейль: внизу мыльное пюре, вверху прозрачный спирт. ДНК охотно смешивается со спиртом, поэтому она выйдет из пюре в спирт. Если вы увидите, что в спирте появился округлый белый сгусток, значит, вы все сделали правильно. Этот сгусток и есть ДНК.

Теперь с помощью этого белого вещества можно разобраться во многих фундаментальных связях между нами и остальными живыми существами. Чтобы сделать это, нужно сравнивать строение и функции ДНК разных видов, и на это занятие у нас уходит немало часов и долларов. В этом деле очень помогает одно на первый взгляд неожиданное обстоятельство. Извлекая ДНК из любой ткани того или иного вида, к примеру из печени, можно добыть сведения об истории не только этой ткани и части тела, но и любой другой, например органов обоняния. В ДНК, содержащейся в любой клетке, будь это клетка печени, крови или мышечной ткани, содержится рецепт формирования того устройства, которым мы пользуемся для восприятия запахов окружающей среды. Во всех наших клетках заключен один и тот же набор ДНК. Разница между клетками, напомню, состоит в том, что в них работают разные участки ДНК (то есть гены). Гены, ответственные за наше обоняние, имеются во всех наших клетках, хотя работают они только в клетках носовой полости.

Как нам всем хорошо известно, запахи вызывают нервные импульсы, поступающие в мозг и во многом определяющие наше восприятие окружающего мира. Даже слабый запах может живо напомнить тот класс, в котором мы сидели в детстве, или уютный старый чердак в доме дедушки и бабушки и вновь оживить те чувства, которые мы там когда-то испытывали. Кроме того, и это еще важнее, запахи помогают нам выжить. Запах вкусной еды возбуждает в нас чувство голода, а запах канализации вызывает тошноту. У нас есть встроенная схема поведения, заставляющая нас избегать тухлых яиц. Если вам нужно продать дом, намного лучше, если покупатели, которые придут его осмотреть, почувствуют запах выпекаемого в духовке хлеба, чем варящейся на плите капусты. Люди вкладывают в запахи огромные деньги: в 2005 году в одних Соединенных Штатах парфюмерная промышленность получила 24 миллиарда долларов прибыли. Вот свидетельство того, как тесно мы связаны с нашим обонянием.

Обоняние позволяет нам различать от пяти до десяти тысяч разных запахов. Некоторые люди могут почувствовать вещество, придающее характерный запах острому перцу, в концентрации менее одной части на триллион частей воздуха. Это все равно что заметить единственную песчинку на песчаном пляже в полтора километра длиной. Как нам это удается?

То, что мы воспринимаем как запах, есть ответ нашего мозга на плавающий в воздухе коктейль из разных веществ. Молекулы этих веществ, которые мы ощущаем с помощью органов обоняния, обычно небольшие и достаточно легкие, чтобы оставаться взвешенными в воздухе. Когда мы дышим или принюхиваемся, мы втягиваем эти молекулы в ноздри. Через ноздри они поступают в полость, расположенную в глубине носа, и прилипают к слизи, выстилающей эту полость. Под этой выстилкой из слизи лежит участок ткани, содержащей миллионы нервных клеток, каждая из которых наделена тонким выростом, достигающим слизистого покрова. Когда выпавшие из воздуха молекулы доходят до окончаний этих выростов и связываются с их мембранами, клетки посылают в наш мозг сигналы. Эти сигналы мозг и воспринимает как запах.

На молекулярном уровне наше обоняние работает по принципу ключа и замка. Ключом служит молекула воспринимаемого вещества, замком — рецептор на мембране нервной клетки. Молекула, пойманная выстилающей носовую полость слизью, взаимодействует с рецептором на поверхности мембраны нервной клетки. Клетка посылает в мозг сигнал, только когда молекула связывается с рецептором. Каждому рецептору соответствуют молекулы определенного типа. То, что мы воспринимаем как один запах, часто вызывается набором из молекул многих разных веществ и, соответственно, набором из многих сигналов, поступающих в мозг.

Чтобы пояснить это, как нельзя лучше подойдет аналогия из области музыки: многие запахи — это что-то вроде аккорда. Каждый аккорд состоит из нескольких нот, звучащих и воспринимаемых вместе.

Точно так же и запах может состоять из сигналов от нескольких, часто даже многих рецепторов, работа которых запускается только определенными ключами — молекулами веществ определенного типа. Наш мозг воспринимает набор сигналов, поступающий от этих рецепторов, как один запах.

Органы обоняния находятся у нас внутри черепа, как и у других млекопитающих, а также у рыб, амфибий, рептилий, птиц. Как и у других животных, у нас есть отверстия, через которые внутрь нашей головы поступает воздух вместе с взвешенными в нем веществами, и набор специальных тканей, в которых эти вещества взаимодействуют с нейронами (нервными клетками). Сравним строение этих отверстий, полостей и оболочек у разных организмов от примитивнейших позвоночных до человека, чтобы выявить общие закономерности. Самые примитивные животные, обладающие черепом и позвоночником, — это бесчелюстные, такие как миноги и миксины. У них есть единственная ноздря, ведущая к расположенному внутри черепа мешку. Вода попадает через ноздрю в этот мешок, и в нем воспринимаются запахи. Самое большое отличие обоняния миног и миксин от нашего состоит в том, что они чувствуют запахи веществ, растворенных в воде, а мы — взвешенных в воздухе. У тех рыб, с которыми мы состоим в особенно близком родстве, например двоякодышащих или тиктаалика, органы обоняния еще больше похожи на наши: вода попадает внутрь черепа через ноздри и в итоге достигает полости, соединенной с полостью рта. У этих рыб две пары ноздрей — наружная и внутренняя. В этом они очень похожи на нас. Попробуйте дышать с закрытым ртом. Воздух будет входить сквозь наружные ноздри, проходить сквозь носовую полость и достигать внутренних ноздрей, через которые он попадает в глубину глотки и оттуда в трахею (дыхательное горло). У тех рыб, от которых мы происходим, тоже были наружные и внутренние ноздри, и неудивительно, что это были именно те рыбы, у которых была также плечевая кость — и ряд других общих с нами признаков.