Человек в животном. Почему животные так часто походят на нас в своем мышлении, чувствах и поведении: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В принципе тот факт, что окружающая среда и гены взаимодействуют и таким образом формируют характерное для конкретного животного поведение, далеко не новость. Уже в 1958 году в «Canadian Journal of Psychology» были опубликованы результаты выдающейся научной работы, к сожалению, слишком быстро забытой. Исследовали две различные линии крыс, которых перед этим в течение многих поколений отбирали по признаку хорошей и плохой обучаемости. Животные одной линии были в силу своих наследственных задатков «умными», то есть умели очень ловко и целенаправленно, не делая много ошибок, проходить через лабиринт. Крысы другой линии были врожденными «глупцами», и в лабиринте в поисках выхода часто запутывались. Таким образом, между обеими линиями крыс прослеживалась явная разница в успешности обучения — правда, лишь в том случае, если все животные вырастали в нормальной, обычной обстановке.

Если же звери жили в скудной обстановке, бедной на раздражители, то между обеими линиями существенных различий не наблюдалось. В то время как сообразительность «генетически умных» крыс в силу таких условий драматически падала, на «генетически глупых» крыс особенного влияния это не оказывало, и результаты обеих групп становились примерно одинаковыми. В отличие от этого, богато оснащенная разнообразными стимулами обстановка оказывала на «генетически глупых» крыс гораздо более сильное воздействие, чем на «генетически умных». «Умные» показывали практически те же результаты, что и прежде, зато «генетически глупые» теперь оказывались намного сообразительнее и делали не намного больше ошибок, чем «умные». Когда сравнивали «генетически умных» крыс, выросших в скудных условиях, с «генетически глупыми», выросшими в богатой обстановке, «генетически глупые» внезапно оказывались даже более сообразительными, чем «генетически умные».

Этот пример показывает: генетическая предрасположенность к успехам в определенном обучении действительно существует. Однако насколько «глупым» или «умным» в итоге будет животное, обусловлено комбинацией генетической предрасположенности и условий окружающей среды. Сказать, что гены предопределяют умственные способности крыс, ни в коем случае нельзя.

Совместное действие генов и окружающей среды: что говорят мыши о болезни Альцгеймера

Полвека спустя влияние условий окружающей среды на реализацию генетических задатков было убедительно подтверждено исследованиями, посвященными болезни Альцгеймера. Хотя в большинстве случаев болезнь Альцгеймера у человека не обусловлена генетически, но существует одна ее редкая форма, так называемая семейная болезнь Альцгеймера, при которой генетические факторы играют существенную роль. Если человек, к примеру, имеет определенные нарушения в гене APP[5], то с почти 100-процентной уверенностью понятно, что симптомы Альцгеймера проявятся у него уже в очень раннем возрасте: в мозге происходит отложение патогенных нерастворимых белковых веществ, так называемых амилоидных бляшек, и умственные способности резко ухудшаются.

Мыши в нормальных случаях не имеют нарушений гена APP и, соответственно, не имеют проблем с Альцгеймером. Однако когда канадские ученые с помощью генной инженерии внедрили дефектный человеческий ген в геном мышей, то в мозге животных стали накапливаться патогенные белковые бляшки, которые ничем не отличались от тех, что встречаются в мозге больных Альцгеймером. Когда ученые проверили этих мышей на когнитивные способности, то провели еще одну параллель — накопление бляшек сопровождалось заметным ухудшением ориентации в пространстве и потерей памяти. Как и у людей, симптомы болезни проявлялись у мышей лишь во взрослом возрасте. В детстве и юности зверьки были абсолютно здоровыми и развивались совершенно нормально. Дальнейшие исследования выявили и другие признаки в поведении мышей, характерные для пациентов с болезнью Альцгеймера: нарушенный ритм сна и бодрствования, гиперактивность и бросающаяся в глаза стереотипия движений. Кроме того, была заметно повышена концентрация гормонов стресса. Итак, единственный ген приводил к тому, что мыши демонстрировали симптомы и течение заболевания, вполне сопоставимые с теми, что наблюдаются у людей.

Когда результаты этого исследования появились в печати, мы как раз занимались изучением влияния суперобогащенной обстановки на поведение и самочувствие мышей. Собрав междисциплинарную научную команду, куда вошли исследователи мозга, врачи и специалисты по биологии поведения, мы сформулировали вопросы: не будет ли обогащенная, наполненная разнообразными раздражителями обстановка позитивно влиять и на «мышей с Альцгеймером»? И не может ли быть, что развитие и протекание симптомов заболевания определяются взаимодействием генов и окружающей среды, а не безусловно предопределены наличием дефектного гена APP?

Канадские коллеги передали нам часть своих «мышей с Альцгеймером», за что мы им были очень признательны. Первое, что мы сделали, — путем целенаправленного скрещивания создали целую колонию таких животных, чтобы затем проверить, будет ли на них позитивно влиять обогащение условий среды. Для этого мы сравнили между собой две группы «мышей с Альцгеймером». Зверьки одной группы жили в нормальных средних условиях содержания, какие применяются для разведения мышей во всем мире. Мыши другой группы жили в обогащенных клетках, в которых дополнительно каждый день открывалась дверь, и мыши на несколько часов попадали в игровую комнату. Там находились самые разнообразные приспособления: колесо для бега, лестница, запутанные трубы, мячики и платочки. Для еще большего разнообразия и стимуляции все это оборудование каждый день меняли. Мышам такое жилое помещение явно понравилось — они быстро осваивали предлагаемые объекты и активно использовали их.

Действительно, такое обогащение условий среды оказало на мозг позитивное воздействие. Как продемонстрировали коллеги из медицинского факультета, у мышей, живших в обогащенном и стимулирующем мире, откладывалось гораздо меньше амилоидных бляшек, чем у мышей из стандартных условий содержания. Вместо этого их мозг продуцировал существенно больше новых нервных клеток, которые, как предполагается, могут противодействовать негативному влиянию болезни Альцгеймера. Кроме того, были активированы самые различные механизмы защиты нервных клеток. Что касается поведения, то мыши из обогащенной обстановки были значительно любознательнее и обследовали новую территорию намного быстрее. В исследованиях других рабочих групп сообщалось также о более высокой способности к обучению.

Еще раз подтвердилось: генетическая предрасположенность к определенным признакам — это одно, а ее реализация — совершенно другое. Хотя дефектным геном APP обладали все животные, но развитие и проявление заданной им болезни определялось сочетанием генетики и окружающих условий. Обогащенная, полная стимулов среда хотя и не могла полностью воспрепятствовать появлению симптомов болезни Альцгеймера, однако служила в высшей степени эффективным буфером.

Затем мы предположили: а что, если предложить «мышам с Альцгеймером» не просто обогащенную клетку с доступом к играм, а нечто грандиозное, вроде амбара? Может быть, такое великолепное, практически естественное местообитание приведет к тому, что симптомы Альцгеймера вообще не проявятся? Мой коллега Ларс Левейоханн взялся за решение этой задачи и провел целую серию исследований.

В первую очередь он выстроил большой вольер площадью в добрые 3 кв. м и более 2 м в высоту. Пять уровней, связанных между собой лестницами и канатами, создали структуру помещения. На земле и на полу всех пяти уровней были разложены многочисленные предметы — пластиковые укрытия, трубы, гнездовые боксы, кирпичики и бумажные платочки. По всему помещению были установлены постоянно наполняемые кормушки и бутылки с водой. В этом вольере с самого своего рождения находилось около 30 мышей обоего пола, из которых у почти 40 % ген APP был подвергнут мутации. Остальные животные были генетически идентичны, однако не имели «гена Альцгеймера». Опытные наблюдатели, не знавшие, кто именно из мышей нес в себе «ген Альцгеймера», детально регистрировали, как вели себя испытуемые животные. Наблюдения длились около 450 часов.

Результаты исследований мозга разочаровали: прекрасная, почти естественная обстановка со всеми ее стимулами вовсе не привела к тому, чтобы амилоидные бляшки прекратили формироваться. Совсем наоборот: у этих мышей появлялось даже больше патогенных отложений, чем у тех, которые провели всю жизнь в скудной стандартной среде. Зато настоящую сенсацию дал анализ поведения: поведение мышей с дефектным геном APP, имеющих согласно исследованиям мозга тяжелую патологию в отношении Альцгеймера, практически ничем не отличалось от поведения мышей без «гена Альцгеймера». Во взрослом возрасте между теми и другими не было никакой разницы ни в приеме пищи, ни в уходе за собой, ни в строительстве гнезда. Практически не отличались они также в социальном поведении и уровне агрессии. Обе группы мышей проявляли сходный уровень любознательности, и примечательно, что ни одна мышь не демонстрировала таких нарушений, как стереотипия движений. Отдельным «мышам с Альцгеймером» удалось даже занять в своих социальных группах высшие иерархические позиции и успешно охранять свою территорию. Последующие исследования, при которых поведение всех животных регистрировали с помощью автоматизированной системы 7 дней в неделю и 24 часа в сутки, подтвердили эти данные. Этому соответствовало и то, что в таких условиях «мыши с Альцгеймером» не отличались от здоровых и по концентрации гормонов стресса.

В целом жизнь в условиях, максимально приближенных к естественным, привела к тому, что несмотря на генетическую расположенность к болезни Альцгеймера и вопреки многочисленным патогенным бляшкам в мозге ни малейших отклонений в поведении животных не происходило. Почему это так, сказать с уверенностью пока нельзя. Возможно, активный образ жизни в стимулирующей среде привел к массовому появлению новых нервных клеток, которые в качестве так называемого «когнитивного резерва» противодействовали болезни Альцгеймера. Но что еще раз точно подтвердили эти результаты — поведение не предопределяется генами, оно является результатом совокупного действия генов и условий окружающей среды.

Совместное действие генов и окружающей среды: чему нас учит ген переносчика серотонина

Одним из лучших примеров совокупного влияния генов и окружающей среды на поведение у человека и животных служат исследования гена переносчика серотонина. Мы уже знаем, что переносчик серотонина (SERT) — это мембранный белок, который переносит высвобождающийся серотонин обратно в клетку и таким образом участвует в функционировании серотонина в мозге. Количество SERT при этом в решающей степени задается свойствами гена SERT — люди, обезьяны или мыши, гены которых несут информацию о малом его количестве, боязливее и более подвержены депрессии, чем те, чьи гены несут информацию о более активной выработке SERT.

Однако и этот ген не обладает детерминирующим действием. Это показало проведенное в 2003 году новаторское исследование израильско-американского нейрофизиолога Авшалома Каспи и его коллег. В этой работе около 1000 людей в возрасте 26 лет были опрошены о том, переживали ли они за последние пять лет тяжелые стрессовые ситуации, и если да, то сколько раз. К таким ситуациям причислялись сильные перегрузки на работе и в личных отношениях, тяжелые проблемы со здоровьем или финансовые трудности. Далее им задали вопросы о том, переживали ли они за последний год фазу депрессии, была ли у них диагностирована настоящая депрессия и имелись ли суицидальные мысли. Наконец, всех испытуемых исследовали на то, являются ли они носителями двух коротких, двух длинных или одного короткого и одного длинного аллеля гена SERT. Результаты исследования оказались в высшей степени интересными.

Первое и вполне очевидное — те, кто в последние пять лет практически не знали стресса, сообщили также о малом числе симптомов депрессии, причем совершенно независимо от того, какими свойствами обладал их ген SERT. Также у всех участников, кто чаще сталкивался с серьезными перегрузками, имелось и больше психических проблем. Однако до какой степени ухудшалось душевное состояние, решающим образом зависело именно от гена SERT. Среди тех, кто пережил четыре и больше фаз тяжелого стресса, носители двух коротких аллелей SERT вдвое чаще жаловались на симптомы депрессии, чем опрошенные с двумя длинными аллелями. Соответственно, у них также примерно в 2 раза чаще диагностировали настоящую депрессию. Наконец, опрошенные с двумя короткими аллелями были заняты суицидальными мыслями или действительно пытались покончить с собой более чем в 3 раза чаще, чем носители двух длинных. Что касается участников с одним длинным и одним коротким аллелями, то их показатели, как и ожидали ученые, располагались примерно посередине между двумя крайностями. Общий вывод исследования вновь убедительно подтверждает, что эмоции и поведение формирует совокупное действие генов и пережитого опыта.

Исследования на мышах подтверждают это не менее ясно. Так, Ребекка Хайминг из нашей команды провела ряд исследований, в которых сравнивала две группы мышей: матери мышей первой группы во время беременности и выкармливания детенышей жили в условиях постоянной опасности, а матери мышей второй группы — в безопасной обстановке. Опасность Ребекка Хайминг имитировала тем, что через определенные промежутки времени подкладывала в клетку подстилку чужих мышей-самцов. Дело в том, что, как известно из поведенческой экологии, чужие самцы представляют собой серьезную опасность и часто убивают новорожденных мышат. Безопасная обстановка имитировалась, соответственно, нейтральной подстилкой. Для своих исследований Ребекка Хайминг скрещивала мышей, каждая из которых имела один неповрежденный и один дефектный аллель гена SERT. Соответственно, в одном и том же выводке встречались потомки с тремя различными генотипами — без дефектного гена SERT, с одним его дефектным аллелем либо с двумя дефектными аллелями.

Анализ результатов эксперимента показал: боязливость либо любознательность потомства в значительной степени определялись жизненным опытом их матерей. Если матери жили в опасной обстановке, их дети были более боязливы и менее любопытны, чем если бы их матери имели опыт спокойной жизни. Но и генотип играл не менее важную роль: если потомки имели два дефектных аллеля SERT, они были боязливее тех, что имели один или два неповрежденных аллеля. Кроме того, генотип влиял на то, в какой степени поведение потомства зависело от среды, в которой жили матери, — у потомков без здоровых аллелей SERT эта зависимость была особенно высокой. Сходно с исследованием Каспи и коллег, проведенным на людях, у мышей реакция на тяжелые ситуации также находилась в зависимости от гена SERT. Опять-таки эмоции и поведение были продуктом совокупного влияния жизненного опыта и гена SERT.

Иметь ген SERT, несущий информацию о слабом синтезе этого белка, кажется на первый взгляд невыгодным. Соответственно, короткий аллель SERT у человека часто считают аллелем риска или угрозы заболеваний, связанных с повышенной тревожностью. Как мы видели, их носители действительно больше подвержены опасности страдать от повышенной тревожности и депрессий, чем носители двух длинных аллелей SERT. Однако гены SERT имеют подобные свойства не только у нас, то есть не только у человека. В естественных популяциях обезьян также встречаются животные с двумя короткими аллелями SERT, двумя длинными либо комбинацией из двух различных. При этом их носители отличаются друг от друга теми же признаками, что и люди с аналогичными аллелями.

С эволюционной точки зрения следовало бы ожидать, что признаки, исключительно невыгодные для особи, постепенно исчезнут из популяции под влиянием естественного отбора. Однако в случае коротких аллелей SERT это совершенно не так — носители этих аллелей должны иметь также какие-то преимущества. В связи с этим американский специалист по психологии развития Джей Бельски задал интересный вопрос — возможно, носители коротких аллелей SERT не только особенно чувствительны к негативным событиям, но и сильнее реагируют на позитивные? Если это так, то носители коротких аллелей в неприятных условиях оказались бы в проигрыше, однако в благоприятной обстановке скорее имели бы преимущество.

В последнее время поступает все больше сообщений, что это так и есть. Например, в исследовании Каспи носители двух коротких SERT-аллелей были сильнее прочих подвержены опасности иметь психические проблемы, если в их жизни происходило слишком много стрессовых ситуаций. Однако именно у них было меньше всего проблем, если их жизнь протекала без сколько-нибудь значимых перегрузок. В той же степени люди с двумя короткими аллелями SERT оказались более невротичными, чем носители двух длинных, если и те и другие пережили серию неприятных событий. Однако радости жизни вызывали у них ровно обратный эффект — такой опыт они переживали менее невротично.

На основе этих результатов Джей Бельски несколько лет назад предложил изменить точку зрения, а именно перестать воспринимать короткие SERT-аллели как ген — носитель риска, угрозы или даже болезни, а видеть в них ген, обусловливающий пластичность. Вероятно, и у человека, и у животных ген SERT оказывает самое общее влияние на то, насколько сильно реагируют его носители на происходящее вокруг них.

Эпигенетика

Еще несколько лет назад существовала неопровержимая догма — гены влияют на поведение, однако поведение не влияет на гены. Что подразумевается под этим? В принципе потомки наследуют один аллель каждого гена от отца и один — от матери. Как мы уже видели, в одинаковых условиях среды уже ничтожные различия в свойствах этих аллелей могут сделать сына или дочь глупее или умнее, агрессивнее или дружелюбнее, трусливее или отважнее. Здесь направление ведет однозначно от генов к поведению. Однако в течение жизни потомки независимо от генов могут накопить совершенно разный опыт: например, многому научиться, живя в обогащенной среде, или отупеть в скудных условиях. Они могут быть замешаны во множестве драк и познакомиться с агрессией или жить в мирном окружении, ничего не узнав о ней. Они могут вынести из жизни положительный опыт и осмелеть или пережить поражения, что сделает их трусливее.

Долгое время исходили из того, что подобный опыт не приводит к изменениям генов и потому не может передаваться по наследству следующим поколениям. Например, ребенок с двумя короткими аллелями SERT имеет предрасположенность к робости, но приобретенный опыт может сделать его отважным. Однако этот опыт не приведет к тому, что из коротких аллелей возникнут длинные, так что когда этот ребенок вырастет и в свою очередь начнет размножаться, он передаст своим потомкам тот же короткий SERT-аллель, а вместе с ним и предрасположенность к робости, даже если сам превратится к тому времени в настоящего храбреца. Путь от генов к поведению казался дорогой с односторонним движением; изменения генов благодаря опыту и передача по наследству измененных таким образом генов казались невозможными. Однако затем появились исследования биолога Майкла Мини и его коллег из Университета Монреаля.

Эти ученые изучали родительское поведение крыс. Они обратили внимание на то, что среди крыс были «плохие» матери и «хорошие». Хорошие матери много заботились о потомстве, подолгу чистили и вылизывали детенышей. Плохие матери, напротив, проявляли заботу о детях в 2 раза меньше. Удивительно, но эта черта представляла собой стабильный характерный признак: крыса, один раз зарекомендовавшая себя как хорошая мать, оставалась ею навсегда. С плохими матерями было то же самое. Разная степень материнской заботы отчетливо сказывалась на потомстве: дети хороших матерей в своей последующей жизни были смелее, лучше обучались и демонстрировали существенно меньшую концентрацию гормонов стресса, чем потомки плохих матерей. То, что причиной столь резких отличий было именно материнское поведение, удалось доказать с помощью экспериментов по обмену: если детей плохих матерей отдавали на воспитание хорошим, то позже те ничем не отличались от детей хороших матерей, выросших вместе с ними. И наоборот, дети хороших матерей несли в себе те же самые свойства, что и потомство плохих, если были воспитаны ими. Возник вопрос: каким образом материнское поведение может оказывать столь сильное влияние на поведенческий профиль потомков? Чтобы понять, какой сенсацией стал ответ на этот вопрос Майкла Мини и его команды, нужно вспомнить некоторые базовые факты из молекулярной генетики.

Все знают, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) является носителем наследственной информации. Она состоит из двух параллельных цепочек, которые закручиваются по винтовой линии и образуют так называемую двойную спираль. Отдельные гены можно представить как различные участки ДНК. Они состоят, как и ДНК в целом, лишь из четырех различных блоков, следующих друг за другом и образующих длинные последовательности. Этими блоками служат нуклеотиды, каждый из которых содержит одно из четырех азотистых оснований — аденин, цитозин, гуанин или тимин. Они обозначаются буквами А, Ц, Г или Т и образуют, так сказать, буквы генетического алфавита. В каждом гене длинная последовательность этих четырех букв несет в себе информацию для синтеза определенного вещества, необходимого для роста, поддержания и функционирования организма. При этом каждый ген демонстрирует уникальную комбинацию этих букв и кодирует таким образом свое, уникальное вещество. Это могут быть, например, ферменты, служащие катализаторами множества идущих в теле процессов, или структурные белки, придающие клеткам прочность и форму, или антитела, защищающие организм от проникаюших в ткани возбудителей. Инструкции по синтезу веществ, влияющих на поведение, также закодированы в генах. С двумя примерами мы уже познакомились: ген SERT и ген МАО-A. Другие примеры — гены, несущие информацию о синтезе гормонов или их клеточных рецепторов в мозге, с которыми связываются гормоны и таким образом влияют на поведение.

Итак. Майкл Мини и его коллеги сумели показать, что родительское поведение матерей-крыс изменило в мозге их потомства тонкую структуру определенных генов, несущих информацию, важную для реализации поведения и интенсивности стрессовых реакций. Хотя последовательность самих оснований в их генах не изменилась, однако к ним добавились метильные группы. Эти мелкие химические «довески», как выключатели в положении «выключено», послужили причиной того, что активность этих генов сократилась. Особенно это затронуло ген, в котором была закодирована информация о синтезе важного рецептора для одного из гормонов. Если мать слишком мало заботилась о своем потомстве, то именно на этом гене появлялся такой «выключатель» и отчасти его инактивировал. Вследствие этого в мозге запускалась цепь реакций, которые впоследствии делали потомство более робким и подверженным стрессу.

[5] APP — предшественник бета-амилоида, трансмембранный белок, фрагмент которого является основным составляющим амилоидных бляшек.