Рис. 1. В отличие от Микки Мауса, лабораторные мыши пока еще не научились разговаривать. Однако с их помощью ученые делают важные шаги на пути к пониманию того, как возникла человеческая речь. Рисунок с сайта ebay.com

Foxp2 — так называемый «ген речи» — первый из обнаруженных генов, непосредственно влияющих на речевую функцию. Белок Foxp2 у человека и у шимпанзе отличается всего двумя аминокислотными заменами, однако эти замены очень важны для человека. Замены были приобретены достаточно быстро (за 4–8 млн лет), но, в то же время, вся последовательность гена в настоящий момент отличается поразительным отсутствием изменчивости, что подтверждает важную роль и самого гена Foxp2, и новоприобретенных людьми замен. В работе, недавно опубликованной в журнале PNAS, исследовались способности к обучению у мышей, которым в ген Foxp2 были внесены характерные для человека замены. Было выявлено, что мыши с «очеловеченным» Foxp2 способны быстрее переключаться с декларативного обучения на процедурное. Возможно, такая способность оказалось важным базисом для последующего развития языка и речи у людей.

По поводу происхождения речи существует огромное количество спекуляций, а вот фактических данных не так уж и много. Один из способов исследования этого вопроса — это выявление генов, работа которых влияет на речь. Можно предположить, что такие гены человека должны определенным образом отличаться от аналогичных генов других животных и что функционирование таких генов должно каким-то образом способствовать развитию языка и речи.

Обнаружить такие гены можно, анализируя генотипы людей с различными патологиями речи и выявляя отличия от здоровых людей. Особенный интерес представляют наследственные заболевания, для которых можно с уверенностью сказать, что патология речи вызвана именно влиянием генов, а не, к примеру, травмой. В Лондоне проживает одно семейство (в литературе обозначается как «семья КЕ», см. KE family), примерно половина членов которого страдает врожденной вербальной диспраксией — заболеванием, для которого характерны нарушения артикуляции и косноязычие, а также трудности с анализом речи. Например, людям с таким заболеванием трудно определить, из каких звуков состоит слово, или написать список слов, начинающихся на одну и ту же букву. Было выявлено, что у членов семьи КЕ, страдающих этим заболеванием, происходит замена всего лишь одной аминокислоты в белке Foxp2, выполняющем функции транскрипционного фактора (такие белки способны связываться с ДНК и регулировать работу определенных генов).

Через некоторое время появились данные о мальчике с похожим расстройством речи, у которого тоже была нарушена функция гена Foxp2 (в его случае произошел перенос фрагмента другой хромосомы, который встроился в этот ген и нарушил его работу). Так был обнаружен единственный известный на сегодня ген, функции которого однозначно связаны с речью. Cравнение человеческого варианта этого гена с аналогичными генами человекообразных обезьян и мышей подтвердили его значимость для человека. Человекообразных обезьян отличает от мышей лишь одна замена аминокислоты в белке Foxp2, которую они успели приобрести за 130 млн лет, прошедших с момента отделения этих видов от их общего предка, а от человека — две аминокислотные замены, при том что с момента отделения шимпанзе и человека от их общего предка прошло лишь 4–8 млн лет. Важно также, что мутации в этом гене у современных людей очень редки (упомянутая семья КЕ, а также мальчик с хромосомной транслокацией — это все известные примеры). Такое отсутствие изменчивости косвенно подтверждает значимость этого гена для человека.

Итак, нарушения в последовательности гена Foxp2 у людей вызывают ухудшение речи. Но даст ли, наоборот, «человеческий» вариант гена какие-то преимущества другим животным? В 2009 году были получены линии мышей, у которых в мышиный вариант гена Foxp2 были внесены замены, характерные для человека (см. статью W. Enard et al., 2009. A humanized version of Foxp2 affects cortico-basal ganglia circuits in mice). Конечно, исследователи не рассчитывали получить говорящих животных, но вполне можно было предположить, что у таких мышей изменятся режимы работы некоторых генов (поскольку Foxp2 — это транскрипционный фактор). Эти изменения можно было бы считать базисом, необходимым для развития речи и языка в дальнейшем ходе эволюции.

Интересно, что все отличия мышей с «человеческим» Foxp2 от обычных мышей касались мозга: у них были изменены активности некоторых генов в полосатом теле, а также уменьшен уровень дофамина. Также мыши с «очеловеченным» Foxp2 отличались менее активным исследовательским поведением (при помещении в незнакомую среду передвигались медленнее и на меньшие расстояния, исследовали меньшее количество укрытий). Это походило скорее на побочный эффект, чем на механизм, с помощью которого «очеловеченный» вариант гена может способствовать возникновению речи. Кроме того, у мышей с разными вариантами гена Foxp2 несколько отличались частотные характеристики звуков, которые издавали мышата, если их разлучить с матерью. Таким образом, были получены интересные данные, но механизм влияния Foxp2 на речевые навыки остался непонятым.

И вот на днях были опубликованы результаты более подробного исследования мышей с «очеловеченным» Foxp2, в котором анализировались их способности к обучению.

Различают декларативное и процедурное обучение: в первом случае обучение происходит сознательно, во втором — вследствие многократного повторения одного и того же действия. У человека опознать эти две формы обучения легко, поскольку в случае декларативного обучения человек может в любой момент «дать отчет» о том, что именно он делает и с какой целью. В случае же процедурного обучения человек просто механически повторяет одно и то же действие, для чего нет необходимости сосредотачивать на нем сознание.

Экспериментальные животные ни в каком случае не могут дать отчет о своих действиях, поэтому, чтобы отличить декларативное обучение от процедурного, приходится придумывать специальные эксперименты, которые позволили бы предположить у них наличие какой-то направленной, сознательной деятельности. Для этих целей ученые использовали крестообразный лабиринт, в который мышей можно сажать с «северного» или «южного» входа (рис. 2). Если угощение ожидает мышь всегда после того, как она повернет, к примеру, направо, то мышь научится просто механически всегда поворачивать направо, в каком бы месте лабиринта она изначально не оказалась. Такое обучение — процедурное. Зато если угощение будет ждать мышь в конкретном месте лабиринта, то мыши придется научиться определять, куда конкретно ее поместили вначале и куда ей нужно повернуть, и такое обучение — декларативное.

Рис. 2. А — схемы обучения в крестообразном лабиринте, слева — процедурное обучение, справа — декларативное. B — переход с декларативного обучения на процедурное. С — переход с процедурного обучения на декларативное. На графиках белые точки соответствуют обычным мышам, а черные — мышам с «очеловеченным» Foxp2. Видно, что после перехода с декларативного на процедурное обучение (график В) большее число мышей с «очеловеченным» Foxp2 поворачивало в правильную сторону. В случае же перехода от процедурного к декларативному типу обучения (график С) различий в скорости обучения между мышами с разными вариантами гена не было. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Выяснилось, что если мышам требуется обучаться лишь по одному определенному типу — либо декларативному, либо процедурному, — то нет никаких различий между обычными мышами и мышами с «очеловеченным» вариантом гена Foxp2: они обучаются одинаково быстро. Но оказалось, что мыши с «очеловеченным» Foxp2 быстрее могут переключиться с обучения по декларативному типу на обучение по процедурному типу. Возможно, способность быстрее перейти к «автоматическому» режиму запоминания критически важна для изучения языка и послужила базисом, на котором впоследствии и смогла развиться человеческая речь.

Конечно, маловероятно, чтобы за такую сложную функцию, как речь, отвечал всего лишь один ген. Однако известны примеры, когда активность единственного гена может запускать весьма сложные процессы. Так, ген Pax6, который, так же как и Foxp2, кодирует транскрипционный фактор, способен «в одиночку» запустить процесс формирования глаза у мушки дрозофилы, что было подтверждено в экспериментах с искусственной активацией гена Pax6 в различных частях тела дрозофилы (см. G. Halder et al., 1995. Induction of ectopic eyes by targeted expression of the eyeless gene in Drosophila). При этом Pax6 косвенно или напрямую воздействует на активность около 2500 генов. Возможно, Foxp2 также является «спусковым крючком», запускающим сложную систему межгенных взаимодействий, необходимых для нормальной речи.

Источник: C. Schreiweis et al. Humanized Foxp2 accelerates learning by enhancing transitions from declarative to procedural performance // PNAS. V. 111. No. 39. DOI:10.1073/pnas.1414542111.

Миллионы бабочек монархов отправляются осенью из района Скалистых гор в Мексику, где проводят зиму. Они плотными гроздями облепляют хвойные или эвкалиптовые деревья и впадают в спячку. Фото с сайта webdiscover.ru

Бабочки монархи знамениты своими дальними путешествиями: эти легкие создания каждую осень летят из Канады в Мексику, преодолевая расстояние в три тысячи километров. Как появилась эта их удивительная особенность, очевидно гибельная для большинства особей? Предполагалось, что миграции бабочек возникли во время потепления климата, так что изначально оседлые бабочки постепенно распространялись к северу со своей экваториальной родины. Но генетический анализ, выполненный международной командой ученых, показал, что сценарий становления миграций был иным. Длительные миграции появились на основе коротких, которые были изначально характерны для популяций североамериканских субтропиков. Направленное изменение одного лишь гена способствовало укреплению мышц крыльев и, соответственно, позволяло выполнять всё более далекие перелеты. Этот ген четко выявляется при помощи известных методик изучения эволюции.

Миграции животных и история происхождения миграций до сих пор остаются интереснейшей загадкой для науки. Действительно, почему лососи упрямо возвращаются из моря в свою родную реку на нерест, проплывая для этого сотни километров, прыгая вверх по водопадам, преображаясь внешне и внутренне — и всё только затем, чтобы отнереститься в положенном месте и умереть? А угри пускаются в еще более долгое путешествие на 8000 км: стартуя из европейских рек, плывут с глубинными течениями к Саргассову морю. И, опять же, только затем, чтобы отложить икру и погибнуть среди бурых саргассов посреди Атлантики. Молодь угрей — лептоцефалы — влекомые Гольфстримом возвращаются в реки Европы, повторяя судьбу родителей. Мигрируют многие птицы, пролетая над океанами половину земного шара. А еще можно вспомнить миграции леммингов и саранчи, поразительные по своей массовости и расстояниям… И в каждом случае встает вопрос: почему животные пускаются в путь? Ведь часто это невыгодно с точки зрения выживания: по ходу долгого и нелегкого маршрута погибает значительная доля путешественников, до конечной точки добираются немногие.

Решать эту эволюционную загадку можно с помощью генетики: посмотреть, какие гены изменяются, чтобы обеспечить мигрантное поведение вида. Именно так и поступили генетики, взяв за основу «гены миграций» у бабочек монархов. Для выполнения этой работы собралась международная команда из нескольких научных лабораторий мира: Шанхайского института физиологии растений и экологии (Китай),Чикагского университета (США), Медицинской школы Массачусетского университета (Вустер, США),Стэнфордского университета (США), Хельсинкского университета (Финляндия), Университета Кордовы(Испания), Квинслендского университета (Брисбен, Австралия).

Ареал данаид монархов — Центральная и Южная Америка, Северная Америка до умеренных районов Канады, субтропические и тропические острова Тихого и Атлантического океанов, Южная Европа и Северная Африка. Наиболее дальние сезонные миграции свойственны североамериканским монархам. Карта с сайта en.wikipedia.org

Бабочки монархи Danaus plexippus представляют собой превосходный пример мигрантного вида. Эти нежные создания с легкими крылышками могут перемещаться во время сезонных миграций на 3000 км, переправляясь из умеренных районов Канады в Мексику. Там они зимуют и не размножаются. Зато весной, в марте, миллионы их собираются в стаи и устремляются обратно к северу; оставляя на своем пути яйца на развод следующих поколений, они погибают. Их дети и внуки продолжают неудержимое движение на север, также обзаведясь по пути потомством. До исходных северных территорий добирается уже третье или четвертое поколение монархов, отправившихся осенью в Мексику. Также монархи летят из Мексики в Южную Америку, известны трансатлантические перелеты монархов, мигрируют и популяции монархов Африки и Австралии. У Набокова найдем: «Бабочка стремится на юг, на зимовку, но разумеется гибнет, не долетев до тепла».

Сезонная миграция данаид монархов в Северной Америке устроена довольно сложно: бабочки с территорий восточнее Скалистых гор направляются зимовать в Мексику, а обитатели запада — в Калифорнию. Весной они начинают обратный путь, но до Скалистых гор долетают лишь внуки и правнуки осенних мигрантов. Анимация с сайта en.wikipedia.org

Как естественный отбор поддержал такую изумительную расточительность, воспитав в этих легких созданиях выносливость и целеустремленность? Ведь большинство видов этого рода (Danaus), равно как и многие популяции монархов, оседлые и никуда не мигрируют, обосновавшись в тропиках и экваториальной части материков. Этим популяциям незачем пускаться в путь, они могут спокойно размножаться, оставляя несколько поколений потомства ежегодно в одном и том же месте.

Миграция монархов — явление одновременно зрелищное и загадочное — вызывает немало споров среди ученых. Классическое объяснение предполагает, что этот вид появился в экваториальной зоне Центральной Америки. Основу его составляли оседлые популяции. При наступившем потеплении после конца ледникового периода и возрастании численности особей вид стал расширять свой ареал, переселяясь в том числе и в северные районы Америки. Однако там условия не подходили для зимовки, поэтому северные популяции были вынуждены выработать навыки длительных путешествий, преобразовав для этого свой жизненный цикл. Такая интерпретация смотрится логично. Но оказалось, что здравое логичное объяснение не подтверждается генетическими фактами. Дело обстояло как раз наоборот: мигрантные особи американских субтропиков дали начало оседлым популяциям тропиков и экватора, а также расселись по всему миру.

Чтобы выяснить происхождение миграций, ученые проанализировали около сотни геномов монархов и их ближайших родичей из разных популяций, мигрантных и оседлых. У мигрирующих популяций Мексики (мигрирующих хотя бы на короткие дистанции) генетическая вариабельность по однонуклеотидным заменам оказалась гораздо выше, чем во всех других частях света, а также выше, чем у оседлых соседей. Кроме того, у мексиканских популяций оказалась повышена доля гетерозиготных аллелей по многим генам, тогда как у популяций Центральной и Южной Америки, Европы, Африки и островов карибского бассейна и Тихого океана выше была доля гомозиготных генов. Доля гомозигот увеличивалась по мере увеличения удаленности популяций от Мексики. Это позволило предположить, что бабочки монархи начали свой эволюционный путь именно из Мексики, от популяций, совершающих короткие сезонные миграции. Они расширяли свой ареал вместе с распространением основного кормового растения — ядовитого ластовника Asclepias.

Мексиканские бабочки монархи стали расселяться из Мексики в Центральную Америку, оттуда в Южную Америку, попутно обосновавшись на островах Карибского бассейна. Другая волна расселения отправила бабочек через Атлантику в район современной Португалии, а оттуда условия позволили бабочкам перелететь в Южную Европу и Северную Африку. Считалось, что монархи появились в Европе лишь в начале XIX века, но, судя по генетическим маркерам, этот «исход» бабочек из Мексики в Европу через острова начался существенно раньше. Третья часть переселенцев освоила тихоокеанские маршруты, объявившись на островах Тихого океана, в Австралии и Новой Зеландии. По мере удаления от центра расселения — от Мексики — популяции оказывались в неблагоприятных, непривычных условиях, их численность резко снижалась, и в результате они теряли внушительную часть исходного генетического разнообразия. Иными словами, исходно мигрантные популяции эволюционировали в сторону увеличения дальности перелетов и использовали эту свою способность для расселения по всему свету. Также они дали начало и оседлым популяциям.

Филогенетическое дерево, построенное на основе анализа однонуклеотидных замен 89 популяций монархов и их ближайших родственников. Оно отражает пути расселения бабочек из субтропиков северной Америки в другие части света. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Что же помогло исходным мигрантам развить свою страсть к путешествиям? Как выяснилось, различия оседлых и мигрантных особей обнаруживаются в нескольких генах. Но исследователи отметили один из них с наиболее четкими следами движущего отбора. Так, участок последовательности вокруг нового, «мигрантного», варианта характеризуется сниженной генетической вариабельностью — это показатель недавней дивергенции. Это ген альфа-субъединицы коллагена IV (Collagen alpha-3(IV) chain). Этот белок определяет структуру мышц крыльев, вероятно укрепляя их. Также обнаружилась и высокая эффективность работы этих мышц: у мигрантов мышцы, связанные с полетом, потребляют гораздо меньше энергии. Это позволяет бабочкам лететь без отдыха до тысячи километров. У оседлых особей уровень метаболизма в мышцах крыльев гораздо выше, чем у мигрантов. По-видимому, «мигрантный» уровень метаболизма в обычной жизни вреден, поэтому все оседлые популяции переключились на более высокий уровень метаболизма. При этом остальные мышцы тела и конечностей работают у мигрантов и оседлых особей одинаково.

Этот пример показателен в нескольких аспектах. Во-первых, философская сторона дела: в природе не всегда верно то, что на первый взгляд кажется логичнее всего. Во-вторых, эволюционный урок: длительные миграции монархов появились не на пустом месте, а благодаря существующему уже заделу: способности к коротким сезонным миграциям. Стимулом для становления длительных миграций было, по-видимому, распространение основного кормового растения этого вида. Для вырабатывания навыков длительных полетов оказалось достаточным изменение небольшого числа генов, регулирующих структуру мышц крыльев и эффективность их метаболизма. Эти гены четко выявляются при помощи известных методик изучения генетической эволюции.