Как приручить лису и превратить её в собаку. Сибирский эволюционный эксперимент

Глава 10 Генетический переполох

Для Людмилы Трут и Дмитрия Беляева эксперимент с лисами был в первую очередь попыткой разобраться в генетических механизмах процесса доместикации. Хотя в процессе осуществления эксперимент породил множество проектов в других областях знания, главная его цель оставалась неизменной. Включив в свою команду Анну Кукекову, которая прибыла в Новосибирск брать пробы крови у лис, Людмила наконец получила возможность проникнуть внутрь лисьего генома и рассчитывала, что такой анализ даст более полное понимание процесса одомашнивания.

В первую очередь Анне и Людмиле предстояла кропотливая работа по расшифровке генома экспериментальных животных. Полное секвенирование потребовало бы много средств и времени, и Анна решила использовать более быстрый метод, который позволил бы создать менее детальную карту генома. В то время полным ходом шла расшифровка генома собаки, и Анна хотела попытаться применить к изучению лис те же генетические инструменты, что были опробованы на собаках. Эти инструменты называются генетическими маркерами^{146} и представляют собой особые участки ДНК, позволяющие локализовать, идентифицировать и анализировать гены. Так как лисы являются в эволюционном отношении близкими родственниками собак, Анна полагала, что геномы двух этих видов достаточно схожи, чтобы генетические маркеры, разработанные для собак, оказались полезными. Но твердой уверенности у нее не было, тем более что предковые линии обоих видов разделились более 10 млн лет назад. Строение генома собаки и лисицы тоже неодинаково, в частности они резко различаются по числу хромосом. Большинство пород собак имеет 39 пар хромосом, а в хромосомном наборе чернобурок их только 17 пар. К счастью, проведя весьма трудоемкое тестирование 700 генетических маркеров, использованных при изучении собак, Анна нашла, что около 400 из них вполне подходят для исследования лисьих хромосом. Этого было достаточно, чтобы приступить к картированию генома экспериментальных животных^{147}.

Людмила получила это известие осенью 2003 г., вскоре после того, как она отметила свое 70-летие. Возможность проведения геномного анализа значила для нее очень много. Какой долгий путь прошли они вместе – Дмитрий, она и их лисы! И как все изменилось! Когда она приехала в Новосибирск, чтобы приступить к работе под началом Беляева, им приходилось скрывать истинную цель своих исследований от бдительного ока Лысенко. Теперь, по прошествии 45 лет, ей не нужно ни от кого прятаться. И работает она не с советской, а с российской исследовательницей, которая к тому же получила рабочее место в одном из ведущих научных центров Соединенных Штатов, главного противника СССР в холодной войне. Наконец, сложнейшее оборудование, которое они будут применять, позволит не только проводить четкую границу между отдельными генами, но даже клонировать их. Если бы только Дмитрий Беляев был жив и мог принять участие в этой работе!

Использовав фрагменты ДНК, взятые от 286 животных с экспериментальной фермы, Анна, Людмила и их коллеги кропотливо работали над составлением карты лисьего генома. И хотя в итоге эта карта оказалась неполной, все же она включала участки всех 16 соматических и одной половой хромосомы (Х-хромосомы). Имевшийся у исследователей набор маркеров не позволял осуществить расшифровку всего генома, но им удалось локализовать относительное расположение 320 генов^{148}. Это был большой шаг вперед, хотя такая выборка представляет собой лишь небольшую часть типичного генома млекопитающих. Теперь они могли приступить к следующему этапу – установить, какие именно из нанесенных на карту генов могли быть вовлечены в процесс одомашнивания, и наконец понять, как вышло, что фрагменты ДНК, принадлежавшие дикому агрессивному животному, были перенастроены и произвели на свет ласковое домашнее существо. Эта задача требовала значительно больших затрат денег и времени^{149}. По счастью, полученные ими ранее предварительные результаты расшифровки лисьего генома оказались настолько многообещающими, что Национальный институт здоровья США выделил им грант на исследования. Эксперты сочли, что результаты работы могут иметь прикладное значение для медицины, в частности позволят лучше понять генетические основы как спокойного и просоциального, так и агрессивного и антисоциального поведения животных^{150}.

Пока геномный анализ шел своим чередом, Анна обратилась к Гордону Ларку, профессору биологии в Университете штата Юта. Она рассчитывала на его помощь в продолжении проведенного Людмилой сравнительного изучения анатомии «элитных» и контрольных лис. Вспомним, что эта работа выявила некоторые отличия в анатомическом строении ручных лис: головы и морды у них оказались более короткими и закругленными, чем у контрольных животных, и больше похожими на морды детенышей лис и собак. Анна знала, что Ларк со своими сотрудниками измерял длину и ширину тела и черепа собак, и рассчитывала, что он поможет им провести сравнение анатомии собак и доместицируемых лис.

Как показали исследования группы Ларка, у некоторых пород собак уменьшение длины конечностей и морды сопровождается увеличением ширины этих частей тела: такие «закругленные», приземистые собаки приобретают «бульдожий» облик. Наоборот, собаки с более изящными конечностями отличаются длинными и вытянутыми мордами и скорее напоминают борзую. Сотрудники Ларка провели генетический анализ и выяснили, что соотношение между длиной и шириной костей контролируется небольшим числом генов, определяющих рост скелета^{151}.

Когда Анна спросила Гордона Ларка, не хотел бы он провести подобное исследование на черно-бурых лисах с экспериментальной фермы, тот с радостью согласился. Но для этого на ферме нужно было иметь рентгеновский аппарат, а денег на его приобретение у Людмилы не было. Ларк распорядился перечислить в Институт цитологии и генетики $25 000 для покупки прибора. Людмила, руководившая проектом с российской стороны, доверила Анастасии Харламовой, своей коллеге и подруге, которую Ларк любит называть «заместительницей Людмилы», выполнение повседневных работ. Анастасия начала делать рентгеновские снимки тела и черепа у ручных, агрессивных и контрольных лис, а один из сотрудников Ларка создал сайт, куда загружались сделанные изображения. Теперь команда исследователей в Юте получила возможность проводить необходимые сравнения ширины и длины костей.

Ларк смог убедиться, насколько эффективно и интенсивно работает команда Людмилы. Он вспоминал: «На нас обрушился поток новых данных, совершенно поразительный по объему. Казалось, эта группа исследователей способна трудиться по 50 часов в сутки». И эта работа была сполна вознаграждена. Сотрудники Ларка установили, что у лис сложились те же самые соотношения между длиной и шириной костей, которые ранее были найдены ими у собак – короткие и широкие лапы в сочетании с короткими, широкими и закругленными мордами.

Для объяснения этой закономерности Ларк и Людмила выдвинули интересную гипотезу. У неприрученных лис возрастные изменения в пропорциях тела и головы происходят для того, чтобы повысить шансы на выживание. В щенячьем возрасте морды у них относительно закругленные, а лапы совсем короткие. Потом животные взрослеют и их конечности становятся более длинными и стройными, что позволяет преследовать добычу и спасаться от врагов, а удлиненные и заостренные морды диких лис помогают им обследовать разные укромные местечки в траве и кустах в поисках пищи. В дикой природе такие возрастные изменения, приводящие к типичному для взрослых лис строению тела, обусловлены действием естественного отбора. Лисам, живущим на ферме, не нужно охотиться или убегать от врагов: давление отбора отсутствует. По-видимому, по этой причине взрослые лисы на ферме сохраняют ювенильные пропорции тела – закругленную морду и укороченные конечности^{152}.

Пока Людмила и Гордон Ларк совместно изучали анатомию доместицируемых лис, Анна, Людмила и их коллеги приступили к следующей стадии анализа ДНК – им предстояло увязать результаты геномного исследования лис с их поведением. Были взяты пробы ДНК у 685 особей из «ручной» и «агрессивной» групп, при этом поведение каждой из них при взаимодействии с человеком фиксировалось на видео. Затем был проведен чрезвычайно, если не сказать патологически, подробный анализ 98 форм поведения и выделены его элементы, такие как «спокойные звуки», «агрессивные звуки», «уши в спокойном состоянии», «уши агрессивно прижаты к голове», «наблюдатель может прикоснуться к животному», «лиса подходит и обнюхивает руку наблюдателя», «животное ложится на бок», «лиса приглашает наблюдателя погладить ее по животу» и так далее. Весь этот проект, завершенный в 2011 г., потребовал колоссальных трудозатрат. По счастью, полученные результаты полностью оправдали приложенные усилия.

Исследователи открыли, что гены, ассоциированные со многими новыми признаками в морфологии и поведении, наблюдаемыми у доместицируемых лис, располагаются на определенном участке 12-й хромосомы. Наибольшие генетические различия между «элитными» и агрессивными животными обнаружились как раз в этом участке хромосомы, поэтому Людмила, Анна и их коллеги предположили, что именно эти гены отвечают за те особенности, что отличают доместицируемых лис от их сородичей^{153}.

Всего лишь годом ранее, в 2010 г., в журнале Nature была опубликована статья о доместикации собаки. В ней утверждалось, что многие из генетических изменений, произошедших в процессе превращения волка в собаку, были связаны с генами, компактно локализованными в относительно небольшом числе хромосом. Теперь Анна и Людмила могли узнать, насколько сходны генетические изменения в 12-й хромосоме лисы с теми, что произошли при одомашнивании собак. Они надеялись, что между этими двумя наборами генов обнаружится значительное сходство. Так оно и оказалось. Многие из генов 12-й хромосомы лисы, вовлеченные в процесс их доместикации, были найдены и в геноме собаки, причем именно в тех хромосомах, которые были задействованы в одомашнивании. Это соответствие было настолько хорошо, что казалось почти неправдоподобным.

Спустя 59 лет с того дня, как Дмитрий отправился в Эстонию, чтобы встретиться и договориться о начале эксперимента с Ниной Сорокиной, и через 43 года после того, как в работу включилась Людмила Трут, удалось наконец определить расположение в хромосомах по меньшей мере части генов, связанных с доместикацией. Следующим шагом должен был стать эксперимент по выявлению конкретной функции каждого из генов. Им также предстояло выяснить, не изменилась ли экспрессия этих генов, что могло дать начало новым признакам, возникшим у одомашниваемых лис. Когда Дмитрий Беляев впервые высказал подобное предположение, такие термины были еще мало кому знакомы. Теперь, в 2011 г., уже имелись технологии, позволявшие проверить эту гипотезу.

Технология секвенирования нового поколения (Next generation sequencing technology) позволяет многократно увеличить скорость считывания последовательностей ДНК. Уже не визуально, а с помощью компьютерного анализа расшифровываются миллионы и даже миллиарды небольших участков ДНК, но, даже несмотря на это, изучение работы генов и особенностей их экспрессии остается чрезвычайно сложной процедурой. Причина в том, что один и тот же ген нередко обусловливает несколько процессов в самых разных клетках. Все клетки в теле животного, за исключением сперматозоидов и яйцеклеток, несут в парах своих хромосом одинаковый набор генов. Однако в клетках кожи активируются и инактивируются совсем другие гены, чем, скажем, в кровяных тельцах или нейронах мозга. Если один и тот же ген «включается» в клетках разного типа, то в каждой из них он производит свой специфичный белок.

Чтобы восстановить полную картину экспрессии определенного гена у двух разных видов животных, необходимо сравнить количество различных белков, которые этот ген кодирует, в клетках разного типа. Как правило, такие исследования начинаются с изучения какого-нибудь типа клеток в определенной части организма. Для начала Анна и Людмила должны были определить, с какого типа клеток лучше начать работу. Они выбрали клетки мозговой ткани, ведь мозг – главный регулятор поведения, а все изменения, произошедшие с лисами, случились после того, как их начали отбирать по признаку неагрессивности к человеку. Ранее уже было установлено, что особенно важную роль в регуляции поведения играет префронтальная кора больших полушарий, поэтому было решено взять клетки именно из этой части мозга^{154}.

Им удалось идентифицировать 13 624 гена. Проведя сложный анализ и определив число белков, кодируемых этими генами у ручных и агрессивных лис, исследователи нашли, что 335 генов (или около 3%) из этого числа резко различаются по количеству производимого под их контролем белка. К примеру, у доместицированных животных оказалась гораздо выше экспрессия гена HTR₂C, играющего важную роль в секреции серотонина и дофамина. Особенно удивительно было то, что у 280 из этих 335 генов уровень экспрессии оказался выше у ручных лис, а в остальных случаях – наоборот, у агрессивных. Это говорило о том, что формирование неагрессивного поведения – процесс совсем не простой. Кроме того, были выявлены сложные взаимодействия между самими исследуемыми генами. Ученым понадобится еще много лет, чтобы полностью восстановить полную картину экспрессии генов, вовлеченных в процесс доместикации.

Анна и Людмила по сей день заняты кропотливой работой по выявлению функций каждого из этих 335 генов. Пока удалось установить, что некоторые из них отвечают за производство гормонов, другие – за развитие кровеносной системы, третьи – за формирование иммунитета, образование кожного и волосяного покрова, производство витаминов, минеральных веществ и т.д. То, что эти гены связаны с секрецией гормонов, было вполне ожидаемо, ведь серьезные гормональные сдвиги у доместицируемых лис выявлены уже давно. А вот как связаны с поведением, характерным для «элитных» животных, все остальные признаки, остается загадкой. Чем больше отдельных элементов этой сложной мозаики встают на свои места, тем яснее делается общая картина дестабилизации генома лисы, а это в конечном итоге позволит лучше понять процесс одомашнивания волков и черно-бурых лис^{155}.

Начиная свой эксперимент с лисами, Дмитрий Беляев предполагал, что в ходе доместикации всех видов животных был задействован в сущности один и тот же механизм искусственного отбора на неагрессивное поведение. В случае с приручением волков и лис его предположение подтвердилось, поскольку у обоих видов обнаружились сходные изменения в геномах и экспрессии генов. Но насколько это пригодится нам при изучении истории одомашнивания других видов? Участвовали ли при этом одни и те же гены? Происходили ли аналогичные изменения в их экспрессии?

Не так давно коллектив генетиков под руководством Фрэнка Альберта, в который входила и Людмила, провел сравнительный анализ генов, участвовавших в доместикации трех видов – собаки, свиньи и кролика. Был сопоставлен уровень экспрессии генов у этих животных и их диких родственников – волка, кабана и дикого кролика соответственно. Исследователи получили данные, показывающие, что во всех трех историях одомашнивания участвовали одни и те же гены, причем в их экспрессии происходили схожие изменения. Так, выяснилось, что во всех трех случаях в процесс доместикации были вовлечены два гена, участвующие в формировании мозга животных. Это удивительное открытие в настоящее время ждет своего окончательного подтверждения^{156}.

И все же история одомашнивания других видов, включая и людей, пока скрыта от нас завесой тайны, хотя эта завеса больше не выглядит абсолютно непроницаемой. Чем совершеннее становится техника генетического анализа и чем больше новых данных об истории приручения животных дают нам археология, антропология и генетика, тем яснее мы понимаем, до какой степени схоже протекала доместикация различных видов. Когда-нибудь мы сможем проверить гипотезу Дмитрия Беляева о том, что в основе всех историй одомашнивания лежат отбор на неагрессивное поведение и дестабилизирующий отбор.

Хотя конкретные гены, вовлеченные в процесс доместикации, у отдельных видов животных могли быть разными, есть данные, позволяющие утверждать, что Беляев был прав и в общих чертах этот процесс протекал у разных видов сходным образом. Изучение «генов одомашнивания» различных животных показало, что в основе доместикации лежит целый комплекс генетических изменений, описанных Беляевым в его теории дестабилизирующего отбора. Например, изучение одомашнивания кролика в Южной Франции показало, что «[искусственный] отбор основывался, хотя бы частично, на уже существовавшей в популяции генетической изменчивости, а не на новых мутациях» – в полном соответствии с предсказанием Дмитрия Беляева^{157}. Все большее число исследований показывает, что, как и в случае с черно-бурыми лисами, именно изменения в экспрессии генов, а не просто их наличие или отсутствие являются ключевым фактором доместикации.

Предложенная недавно Адамом Уилкинсом, Ричардом Рэнгемом и У. Текумсе Фитчем теория, объясняющая, почему отбор по признаку спокойного поведения породил целый каскад новых признаков, также в определенном смысле подтверждает концепцию дестабилизирующего отбора. Эти авторы предполагают, что многие признаки, общие для одомашненных животных, связаны с особым типом стволовых клеток, известных как клетки нервного гребня. На очень ранних стадиях эмбрионального развития позвоночных эти клетки перемещаются вдоль так называемого нервного гребня – скопления нейронов, расположенного посреди развивающегося зародыша, – и затем мигрируют в различные участки тела, такие как передний мозг, кожа, челюсти, зубы, глотка, уши и хрящи. Уилкинс и его соавторы предполагают, что отбор на неагрессивное поведение мог сопровождаться небольшим уменьшением числа клеток нервного гребня, и поэтому «большинство [ассоциированных с доместикацией] новоприобретенных признаков, как морфологических, так и физиологических, могут быть прямо объяснены нехваткой клеток нервного гребня, а некоторые другие возникают как побочный продукт этой нехватки»^{158}. Как именно это происходит, пока неизвестно, но, если эта гипотеза верна, она поможет объяснить, почему спокойное поведение коррелирует с остальными особенностями, характерными для одомашненных видов, – пестрой окраской шерсти, вислоухостью, укороченными мордами, изменениями в репродуктивном цикле и т.д. Это очень интригующее предположение, которое требует новых исследований.

Со временем эксперимент по доместикации черно-бурых лис, несомненно, принесет еще немало удивительных открытий. Он продолжается почти 60 лет, что очень и очень много для биологического эксперимента. Но с точки зрения эволюции 60 лет – всего лишь мгновение. Что мы увидим, если будем проводить эксперимент в течение 100 поколений? Или 500? Есть ли пределы одомашнивания и насколько ручными и приспособленными к жизни в симбиозе с людьми станут эти лисы? Насколько похожими на собак они окажутся в итоге? Будут ли такими же сообразительными? Получатся ли из них верные стражи, на возможность чего указывает история с Пушинкой, залаявшей в темноте, чтобы предупредить и защитить Людмилу? Возможно, всего лишь возможно, что, как и надеялся Дмитрий Беляев, эксперимент с лисами в конце концов поможет понять, как произошли глубинные изменения в хромосомах, направившие предков всех ныне доместицированных видов, не исключая и человека, по пути одомашнивания.

Однако есть как минимум один твердо установленный в ходе приручения черно-бурых лис результат. Он состоит в том, что эти лисы стали новой разновидностью домашних питомцев, которых человек может любить, живя с ними под одной крышей. Сбылась надежда Людмилы – ее лисы стали в конце концов, как она сама говорит, «нежными, пушистыми, очаровательными проказниками».

В 2010 г. Людмила всерьез задумалась о том, насколько люди готовы приобретать ручных лис в качестве домашних питомцев, и теперь уже немало этих животных благополучно живут в семьях в России, Западной Европе и Северной Америке. Порой их владельцы присылают Людмиле письма с рассказами о том, как обстоят дела их любимцев, и это доставляет ей много радости. Время от времени она достает и перечитывает эти послания, улыбаясь рассказам хозяев о лисьих проделках и радуясь тому, как они любят своих животных.

Одна американская супружеская чета взяла двух лисичек – Юрия и Скарлет. Недавно они сообщили Людмиле, что парочка «проводит время в играх» и обе лисы «очень общительны. Они очень любят бегать и совать нос куда только можно»^{159}. В другом письме рассказывается о домашнем лисенке Арси, который ведет себя схожим образом: «Примерно с неделю назад с Арси случилось небольшое происшествие. Два дня он ничего не ел и пару раз его рвало. Я отвез его к ветеринару, чтобы тот сделал рентгеновский снимок. В итоге ветеринар извлек кусок резины, оторвавшийся от мячика, который я купил для Арси. Он совсем как маленький ребенок, тянет в рот что попало!»

Эти письма очень дороги для Людмилы, но одно из них совершенно особое. «Привет, Людмила! До чего же я счастлив! – начинается послание от человека, который взял лисенка по имени Адис. – Адис – это чудо… Когда я прихожу с работы, он виляет хвостом и любит целовать меня»^{160}.

«Как это прекрасно. Как бы Дмитрий был этому рад», – думает Людмила всякий раз, когда перечитывает это письмо. Отметив в 2016 г. свой 83-й день рождения, Людмила Трут и сейчас ежедневно работает с лисами. Она никогда не забывает мудрые слова Лиса из сказки о Маленьком принце: «Ты всегда в ответе за тех, кого приручил». Людмила мечтает о том, чтобы ее подопечные жили в безопасности и любви. «Я надеюсь, что удастся зарегистрировать их как новый вид домашних животных, – говорит она. – Однажды меня не станет, но я хочу, чтобы мои лисы жили всегда». Людмила понимает, что будет очень непросто убедить большое число людей взять их к себе домой. Но для нее никогда не было важно, легко или сложно добиться поставленной цели. Главное, что добиться этого возможно.