Гипотеза иммунологического тестирования партнеров - согласованность развития адаптаций и смены половых предпочтений

Марков А. В., Куликов А. М.

Известия РАН, Серия биологическая. 2006. № 3. С. 261-274.

ГИПОТЕЗА ИММУНОЛОГИЧЕСКОГО ТЕСТИРОВАНИЯ ПАРТНЕРОВ — СОГЛАСОВАННОСТЬ РАЗВИТИЯ АДАПТАЦИЙ И СМЕНЫ ПОЛОВЫХ ПРЕДПОЧТЕНИЙ

*Палеонтологический институт РАН, 117647 Москва, ул. Профсоюзная, 123

**Институт биологии развития РАН, 117334 Москва, ул. Вавилова, 26

Репродуктивная изоляция играет ключевую роль в видообразовании. Согласно господствующим представлениям, основным механизмом видообразования является постепенное накопление генетических различий в изолированных популяциях (аллопатрическая фаза видообразования), происходящее за счет мутаций, отбора и генетического дрейфа. При этом репродуктивная изоляция изначально зарождается как случайный побочный продукт адаптации к различным условиям (экологическое видообразование) или простого накопления случайных изменений генофонда в результате долгого изолированного существования. В случае чисто симпатрического видообразования предполагается, что изоляция формируется под прямым действием отбора (дивергирующего, или дизруптивного), который благоприятствует особям, избирательно скрещивающимся с себе подобными. В настоящей работе обосновывается возможность третьего варианта. По нашему мнению, изоляция может возникать как побочный продукт дивергенции, но не случайный, а закономерный и детерминированный. Это может происходить на основе механизмов различения своих и чужих. Некоторые из этих механизмов могут действовать по иммунологическому принципу — путем сравнения данных о партнере (сигнальных молекул, феромонов и иных антигенов в широком смысле) с соответствующими данными о самом себе. Антигены главного комплекса гистосовместимости (ГКГ) могут играть существенную роль в такого рода тестировании потенциальных брачных партнеров.

Механизм формирования прекопуляционной изоляции (ПИ), или половых предпочтений, остается во многом загадочным (Kirkpatrick, Barton, 1997; Schluter, 2001). Если постзиготическая изоляция (снижение жизнеспособности или плодовитости гибридного потомства) в ряде случаев может более-менее удовлетворительно объясняться как случайный побочный эффект накопления генетических различий, что приводит, например, к снижению совместимости гаплоидных хромосомных наборов, то к прекопуляционной изоляции такое объяснение едва ли применимо. Ее действие связано с возможностью адекватного восприятия друг-другом брачных партнеров и касается формирования специфических сигналов, запускающих или поддерживающих программу брачного поведения партнеров. Следует понимать ислючительную важность именно этого этапа формирования изолирующих барьеров между видами. Он обеспечивает принципиальный для эволюционного процесса переход от популяций, имеющих различные экологические адаптации и при этом — устойчивый генный поток между собой, объединяющий генотипы из этих популяций в единый генофонд вида, к видам с независимыми генофондами и независимой дальнейшей эволюционной судьбой.

Генетики возлагают большие надежды в этом отношении на механизм "усиления" (reinforcement), который теоретически должен действовать в симпатрической фазе видообразования, поддерживая любые изменения, снижающие уровень гибридизации (Kirkpatrick, 2001). Однако в экспериментах, проводимых с начала 60-х гг. XX в. и посвященных формированию разного рода адаптаций и сцепленного с ними нарушения панмиксии, симпатрической фазы вообще не было и механизм усиления действовать не мог.

В основе этих экспериментов лежали два различных подхода — формирование адаптаций к стрессовым для данного вида условиям и противонаправленный отбор по количественным признакам. Полученные в результате линии сравнивали по признаку репродуктивной совместимости. Были проведены опыты на "стрессовых" субстратах с популяциями тлей Dysaphis anthrisci maicopica (Шапошников 1961, 1965, 1966; Сапунов,1983) и мух Drosophila pseudoobscura (Dodd, 1984, 1989; Powell, Andelkovič, 1983), на содержание в контрастных условиях («холодно–сухо–темно» и "тепло–влажно–светло") при выращивании популяций D. melanogaster (Kilias et al., 1980), эксперименты по искусственному дизруптивному отбору по количеству щетинок на D. melanogaster (Thoday, Gibson, 1962) и величине глазных стебельков самцов мух Cyrtodiopsis dalmanni (Wilkinson, Reillo, 1994). Они показали, что возникновение во всех случаях частичной ПИ нельзя объяснить накоплением каких-то случайных генетических отклонений в изолированных популяциях. ПИ не возникала между изолированными линиями, содержащимися в одинаковых условиях, и проявлялась для линий из контрастных условий. Очевидно, что сформировавшаяся в этих экспериментах ПИ имела не случайный, а направленный (детерминированный) характер, и была связана именно с конкретными условиями жизни нескольких десятков поколений предков, с действовашим на них однонаправленным отбором. Таким образом, прекопуляционная репродуктивная изоляция — не просто »случайный побочный результат» адаптации к различным условиям, а детерминированное и закономерное ее следствие.

Явление, обнаруженное в упомянутых экспериментах, очевидно, имеет место и в природе. Об этом свидетельствуют результаты изучения дрозофилид, обитающих на разных склонах так называемого »каньона Эволюции» (Evolution Canyon) на горе Кармел (Израиль). Популяции D. melanogaster, живущие на разных склонах каньона на расстоянии всего 100–400 м друг от друга (т.е. в нескольких минутах полета) проявляют статистически достоверные предпочтения при скрещивании, избегая спариваний с обитателями другого склона. При этом никаких предпочтений между представителями разных »кланов» (изосамковых линий) с одного и того же склона не наблюдается. Условия на обоих склонах являются для дрозофил стрессовыми и сильно различаются, поскольку склон, обращенный к югу, получает в 6 раз больше солнечного излучения, чем противоположный, обращенный к северу (Korol et al., 2000).

Аналогичная ситуация наблюдается у представителей разноногих ракообразных — гаммарид, у которых подчас разные популяции одного и того же вида обитают на разных субстратах (разных видах водорослей). Эти субстраты в природе могут находиться весьма близко друг от друга, так что рачки в принципе могут свободно переплывать с одних водорослей на другие (однако, по-видимому, предпочитают этого не делать). Представители разных популяций демонстрируют явное предпочтение своих при выборе брачного партнера. Эксперименты с Y-образным лабиринтом показали, что самцы гаммарид статистически достоверно предпочитают самок, живших в природе на том же субстрате, что и они сами (Н.С. Мюге, личное сообщение).

Быстрое возникновение репродуктивной изоляции при расхождении по экологическим параметрам, вероятно, характерно отнюдь не только для членистоногих, хотя фактические данные по другим группам весьма скудны. Это связано с трудностью проведения соответствующих экспериментов, а также с тем, что для природных частично изолированных популяций обычно бывает невозможно определить, как давно возникла изоляция. В отдельных случаях это, однако, удается. Так, показано возникновение частичной репродуктивной изоляции между двумя популяциями нерки (Oncorhynchus nerka), которые начали расходиться от одной предковой линии не ранее, чем в 1937 г. В указанном году нерка была интродуцирована в оз. Вашингтон (штат Вашингтон, США) и вскоре образовала крупную местную популяцию во впадающей в озеро реке Сидар (Cedar River). В 1957 г. было обнаружено, что часть особей стала нереститься не в реке, а в озере. В 1992 г. речные и озерные формы уже представляли собой две частично изолированные популяции, немного отличающиеся морфологически. Представители разных популяций скрещиваются значительно реже, чем это диктуется простой вероятностью. Репродуктивная изоляция в данном случае развилась самое большее за 56 лет, что соответствует примерно 13 поколениям (Hendry et al., 2000).

ГИПОТЕЗА ИММУНОЛОГИЧЕСКОГО ТЕСТИРОВАНИЯ ПАРТНЕРОВ

Представляется, что во всех описанных выше случаях столь удивительная согласованность экологических адаптаций и смены половых предпочтений едва ли могла обеспечиваться разными механизмами. Очевидно, существует некий общий, единый механизм, благодаря которому самые разнообразные экологические адаптации могут детерминированно приводить к соответствующему изменению половых предпочтений. Во всех рассмотренных случаях наблюдается зарождение эндогамии, т.е. свои, похожие, предпочитаются чужим, непохожим. Для этого животные должны уметь каким-то образом отличать своих от чужих.

Проблема согласования изменений сигнала и рецептора при смене половых предпочтений. Казалось бы, предполагаемый единый механизм должен обеспечивать изменение каких-то аспектов прекопуляционного поведения и у самцов, и у самок, причем изменения эти должны быть строго согласованными у обоих полов. Например, если изменился стиль ухаживания самца, должны соответствующим образом измениться и вкусы самки, чтобы ее больше привлекал именно этот новый способ ухаживания; если изменились феромоны, должны адекватным образом измениться и рецепторы, воспринимающие эти феромоны (Kirkpatrick, Barton, 1997). Кажется чрезвычайно маловероятным, чтобы такие сложные и согласованные трансформации могли произойти в результате случайных мутаций и отбора за один-два десятка поколений, как в описанных выше экспериментах. Неправдоподобность такого предположения усиливается тем, что в этих экспериментах не было никаких специальных факторов отбора, направленно действующих на прекопуляционные ритуалы и половые предпочтения.

По-видимому, наблюдаемое в экспериментах согласованное смещение половых предпочтений в ходе приспособления к новым условиям происходит быстро, легко, неизбежно и детерминированно, одним словом — автоматически. По мере накопления фактов этот автоматизм приводит во все большее смущение исследователей, вызывая к жизни довольно расплывчатые рассуждения о возможной сцепленности генов, ответственных за экологические адптации и половые предпочтения, о координированном мутировании и т.п. (Korol et al., 2000).

Возможность автоматической координации изменений сигналов и рецепторов на основе иммунологического принципа. Вместе с тем существует вполне вероятный и простой механизм, способный обеспечить такого рода автоматизм. В основе этого механизма лежит участие компонентов иммунной системы в распознании по принципу свой–чужой.

У всех многоклеточных животных имеются специальные клетки и молекулы, способные отличать чужеродные антигены от своих собственных. У позвоночных, а, возможно, и у многих других животных, на ранних стадиях онтогенеза из изначально большого набора клеток, способных продуцировать «распознающие» молекулы, элиминируются те, которые могут производить молекулы, связывающиеся со своими собственными атигенами. Взрослое животное в результате получает набор «распознающих молекул», связывающихся с огромным множеством чужеродных (но не своих собственных!) антигенов (Burnet, 1959; Галактионов, 1995). Иммунная система, таким образом, является высокоэффективным средством различения «своих» и «чужих».

При адаптации группы особей к изменившимся условиям обычно бывает выгодно ограничить приток генов извне, поскольку такой приток размывает формирующиеся адаптации и приводит к появлению гибридного потомства с пониженной жизнеспособностью. «Иммунологическое тестирование» (ИТ) потенциального полового партнера перед спариванием было бы оптимальным решением проблемы, в котором заинтересованы представители любых дивергирующих популяций.

Можно предположить, что у животных во время прекопуляционного ритуала происходит именно такое ИТ. При этом экспонируемые на поверхности тела и/или выделяемые в окружающую среду определенные наборы антигенов более или менее полно характеризуют их физиологический и биохимический статус. Эти антигены воспринимаются потенциальным партнером и тестируются по «иммунологическому принципу» — возможно с участием антигенов ГКГ. Некоторое оптимальное число антигенов, идентифицированных как «чужие», служит фактором, повышающим привлекательность партнера; слишком малое или слишком большое число «чужих» антигенов оказывает противоположный эффект.

Согласно предлагаемой «иммунологической гипотезе», возникновение изоляции в описанных экспериментах не связано с появлением каких-либо новых изолирующих механизмов, да и вообще не требует никаких новообразований. Мы просто наблюдаем в действии древний механизм, развившийся у предков подопытных животных за миллионы лет до начала эксперимента. Главное достоинство предлагаемой гипотезы в том, что она исчерпывающим образом (и достаточно просто) объясняет самую сложную проблему — как достигается строгая согласованность изменения брачных «сигналов» и ссответствующих «рецепторов» (предпочтений), что совершенно необходимо для быстрого формирования новой эндогамной группировки и крайне трудно объяснимо на основе классических представлений.

Гипотеза позволяет рассматривать репродуктивную изоляцию не как «случайный побочный продукт» адаптации к разным условиям (или любых других изменений физиологии и биохимии, например, вызванных генетическим дрейфом или мутациями), а как закономерный и детерминированный результат этих изменений. Гипотеза значительно расширяет «круг возможностей» для видообразования вообще, поскольку предлагает общий механизм уменьшения размывающего притока генов извне в любую группу особей данного вида, которая начала уклоняться от остальных по каким-либо биохимическим параметрам (независимо от причин, вызвавших это уклонение). Подобный механизм особенно полезен, если контрастные условия, требующие взаимоисключающих адаптаций, существуют в непосредственной близости друг от друга, как в случае с противоположными склонами «каньона Эволюции», на которых сформировались практически изолированные друг от друга популяции дрозофил (Korol et al., 2000).

«Рецепторами брачных сигналов» не обязательно должны служить компоненты собственно иммунной системы. Возможно, для этого могут использоваться какие-то их модификации или другие молекулярные рецепторы, формирующиеся, однако, по тем же принципам, которые сводятся к двум основным вариантам: 1) «прямой слепок» — формируется полипептид, комплементарный конкретному антигену; 2) «обратный слепок» — формируется набор полипептидов, потенциально аффинных к самым разнообразным антигенам, за исключением своих собственных.

В обоих случаях принципиально то, что система не может быть полностью врожденной, а должна формироваться (или по крайней мере настраиваться) в течение жизни организма. Только такая прижизненная доводка системы «рецепторов брачных сигналов» способна обеспечить автоматическое согласование их изменений с изменениями самих сигналов. И для позвоночных в последние годы получено подтверждение непосредственного взаимодействия элементов аутоиммунной системы и обонятельных рецепторов в тестировании брачных партнеров.

ИММУНОЛОГИЧЕСКОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ, ХЕМОРЕЦЕПЦИЯ И ВЫБОР БРАЧНОГО ПАРТНЕРА У ПОЗВОНОЧНЫХ

У многих животных в выборе брачного партера участвуют хемосенсорные рецепторы (обонятельные, вомероназальные, вкусовые). Задачи, стоящие перед хемосенсорной и иммунной системами, в целом сходны: им обеим приходиться разбираться в огромном разнообразии молекул, как «своих», так и чужеродных (Rodriguez, 2004). Обе системы, следовательно, сталкиваются с необходимостью диверсификации рецепторов. Иммунная система позвоночных решает эту задачу преимущественно путем соматической диверсификации (комбинаторная реорганизация генов, соматическое мутирование). Хеморецепторная система позвоночных в общем предпочитает путь геномной диверсификации (умножение количества генов хеморецепторов в зародышевой линии).

В геномах млекопитающих гены хеморецепторов чрезвычайно многочисленны и разнообразны. Они могут составлять до 1% всего генома (Mombaerts, 1999). В геноме мыши выявлено около 1500 генов, предположительно кодирующих различные хеморецепторы (из них примерно 1000 активных); у других млекопитающих наблюдается примерно такое же их разнообразие (Young et al., 2002). Строение и функционирование этих рецепторов, не говоря уже о механизмах регуляции экспрессии соответствующих генов и сплайсинга транскрибированных РНК, изучены пока очень слабо (Sullivan, 2002; Young et al., 2003). Несмотря на это, уже сейчас можно отметить ряд фактов, указывающих на возможность реализации «иммунологических» принципов в формировании индивидуального набора обонятельных рецепторов у млекопитающих. Это, во-первых, принцип «одна клетка (в данном случае нейрон) — один хеморецептор» (Rodriguez, 2004), что напоминает ситуацию в иммунной системе («один клон B-лимфоцитов — антитело одной специфичности»; «одна Т-клетка — один антигенраспознающий Т-клеточный рецептор»). Во-вторых, показано, что гены разных обонятельных рецепторов в обонятельном эпителии одной особи могут резко (до 300 раз) различаться по уровню экспрессии (Young et al., 2003). Это наводит на мысль о возможности существования каких-то аналогов механизма клональной селекции, который также приводит к резким различиям в уровне экспрессии рецепторных молекул. В-третьих, в ходе экспрессии этих генов имеет место чрезвычайно интенсивный альтернативный сплайсинг (Young et al., 2003). Последнее особенно важно, так как может свидетельствовать о наличии механизмов «подбора» структуры рецепторных молекул с целью адаптации индивидуального набора хеморецепторов к определенным внешним и внутренним факторам. На этом может быть основан как обонятельный импринтинг, различение знакомых (в том числе своих собственных) и незнакомых запахов, так и происходящее по «иммунологическому» принципу формирование de novo специфических рецепторов, комплементарных собственным или чужим «ключевым антигенам» (сигнальным молекулам). Наконец, как и ГКГ-белки и CAM-белки (cell adhesion molecule — белки, содержащие иммуноглобулиновые домены С2-типа), хемосенсорные рецепторы выполняют функции хоминга для аксонов хемосенсорных нейронов в соответствующих районах мозга (Mombaerts, 1999; Key, John, 2002; Oliveira et al., 2004).

Важным доводом в пользу существования глубокой связи между хеморецепторной и иммунной системами является факт сцепленности кластеров генов ГКГ и обонятельных рецепторов в геномах многих изученных позвоночных (Jordan, Bruford, 1998; Amadou et al., 2003). Это позволяет предполагать координированную регуляцию экспрессии и функциональную связь этих генов.

Самые последние данные позволяют уже перенести это предположение в категорию экспериментально доказанных фактов. Так, в вомероназальном эпителии мышей обнаружена согласованная комбинаторная коэкспрессия генов обонятельных (вомероназальных) рецепторов и генов ГКГ, причем продукты этих генов образуют комбинированные рецепторные комплексы (подробнее об этом будет сказано ниже, в разделе о вомероназальном органе).

Перечисленные факты, в совокупности с недавно полученными данными об экспрессии ольфакторных рецепторов и тяжелых цепей ГКГ класса I в сперматозоидах, легли в основу так называемой «гипотезы отбора рецепторов в сперме» («sperm-receptor-selection» hypothesis) (Ziegler et al., 2002). Эта хорошо обоснованная гипотеза предполагает чисто «иммунологический» механизм формирования индивидуального набора ольфакторных рецепторов, экспрессируемых на поверхности сперматозоидов. В соответствии с ней в ходе сперматогенеза происходит экспрессия генов тяжелых цепей ГКГ класса I и ольфакторных рецепторов, включая и гены вомероназальных рецепторов V1R, сцепленных с кластером ГКГ. Транскрибированные гены ольфакторных рецепторов подвергаются альтернативному сплайсингу и отбираются те из них, которые не способны связываться со своими (представленными в этих же клетках) белками ГКГ класса I. Эти рецепторы продолжают экспрессироваться в зрелых сперматозоидах (или «отбираются» для дальнейшего созревания те сперматоциты, которые экспрессировали «правильные» рецепторы, с учетом альтернативного сплайсинга). В результате зрелые сперматозоиды получают такой набор ольфакторных рецепторов, который позволяет им не реагировать с растворенными в семенной жидкости «своими» белками ГКГ, но обеспечивает узнавание и связывание «чужих» белков ГКГ в женских половых путях. Это в конечном счете помогает сперматозоиду найти яйцеклетку и способствует успешному оплодотворению — но только в том случае, если самка имеет отличный от самца набор аллельных вариантов ГКГ класса I. Действительно, для ряда животных (не только позвоночных, но и насекомых) показана отрицательная корреляция между вероятностью успешного оплодотворения и степенью генетического родства родителей (Markow, 1997; Kraaijeveld-Smit et al., 2002).

Таким образом, механизм формирования индивидуального набора хеморецепторов в сперматозоидах, в котором принимают участие молекулы ГКГ, обладает значительным сходством с механизмом формирования индивидуального набора Т-клеточных рецепторов. Вполне возможно, что аналогичные механизмы могут работать и при формировании индивидуальных наборов рецепторов в обонятельном и вомероназальном эпителии («иммунологический» отбор хемосенсорных нейронов). Косвенным доводом в пользу такой возможности служит наличие в обонятельном эпителии большого количества стволовых клеток, идентичных по своим свойствам эмбриональным, и активно идущий там в течение всей жизни и усиливающийся в стрессовой ситуации процесс нейрогенеза (Feron et al., 1999).

Хеморецепция и выбор брачных партнеров. Рассмотрим некоторые случаи хеморецепторной идентификации сородичей и потенциальных брачных партнеров у млекопитающих. Представляется, что некоторые из этих случаев могут свидетельствовать об участии иммунологических механизмов в индентификации «своих» и «чужих» у высших позвоночных.

Известно, что очень многие животные способны по запаху отличать «своих» (родственников) от «чужих». Это справедливо и для человека (Stricker, 2000). Так, показана способность человека по запаху определять пол и степень родства другого человека (Russel, 1976, Porter, Moore, 1981). В другом эксперименте испытуемым предлагали сравнить запахи матерей и их детей, мужей и жен, а также неродственных пар людей, причем участники эксперимента не были знакомы с «производителями» запахов и не видели их. Показано, что запахи матери и ее родных детей статистически достоверно идентифицируются посторонними людьми как сходные; тогда как запахи людей, не состоящих друг с другом в кровном родстве, в том числе мужей и жен, воспринимаются как различные (Porter et al., 1985). Пример использования индивидуальной ольфакторной информации при выборе брачного партнера дают эксперименты с карликовым лори Nycticebus pygmaeus. Экспонирование самкам этого вида в течение нескольких недель мочи определенного самца резко повышало вероятность его выбора именно в качестве брачного партнера (Fisher et al., 2003). Это может объясняться «обонятельным импринтингом», запоминанием запахов, которое может осуществляться как средствами нервной системы, так и путем модификации индивидуального набора хеморецепторов, в том числе и по «иммунологическому» принципу.

Экспериментально доказана связь половых предпочтений у млекопитающих с определенными иммунологическими показателями, в частности, с аллельным состоянием генов ГКГ. Считается, что организм, гетерозиготный по генам ГКГ, идентифицирует более широкий диапазон антигенов и поэтому обладает более эффективной иммунной системой (Палмер, Палмер, 2003).

В общем случае позвоночные предпочитают выбирать в качестве партнеров особей, отличающихся от них самих по аллельному состоянию ГКГ. Такая избирательность может быть связана не только с тем, что потомство в этом случае будет иметь более эффективную иммунную систему. Отрицательная ассортативность скрещиваний по ГКГ может преследовать и более общую цель избежания инбридинга и обеспечения максимальной гетерозиготности потомства (Wedekind, Furi, 1997). Ключевую роль в оценке аллельного состояния ГКГ партнера играют пептидные лиганды ГКГ, содержащиеся наряду с самими белками ГКГ в моче, слюне, поте и других выделениях тела (Montag et al., 2001). Каждый класс пептидных лигандов ГКГ соответствует определенному аллельному варианту определенного гена ГКГ, и классы отличаются друг от друга обычно только двумя «ключевыми» аминокислотами. Поэтому индивидуальный набор этих лигандов несет информацию в первую очередь об аллельном состоянии генов ГКГ данной особи, а во вторую — информацию о генетическом, биохимическом и иммунологическом статусе особи в целом (для этого потенциально можно использовать полные последовательности пептидных лигандов ГКГ). Гипотеза о возможной роли ГКГ в формировании индивидуального запаха (одортипа) особей была впервые высказана Томасом (Thomas, 1975) и впоследствии подтверждена многочисленными экспериментами (Wysocki et al., 2004).

Как самцы, так и самки мышей по запаху идентифицируют особей, отличающихся от них самих по локусу ГКГ, и обычно предпочитают их в качестве половых партнеров (Jordan, Bruford, 1998; Yamazaki et al., 1988). В результате в естественных популяциях рождается значительно меньше гомозиготных мышат, чем следовало бы ожидать при панмиксии (Potts et al., 1991). Сходные брачные предпочтения выявлены у некоторых видов рыб, ящериц (Lacerta agilis) и птиц (Passerculus sandwichensis) (Mays, Hill, 2004).

Точно такие же предпочтения выявлены и у человека (Milinsky, Wedekind, 2001). В одном из экспериментов испытуемым предлагали оценить запахи маек других людей — таким образом была выявлена зависимость уровня «приятности» запахов от степени совпадения аллельного состояния ГКГ у испытуемого и того, кто носил майки. Как мужчины, так и женщины предпочитали запахи тех людей, у кого аллельное состояние ГКГ наиболее сильно отличалось от их собственного. Исключение составили женщины, принимавшие противозачаточные таблетки: им, напротив, больше нравились запахи людей со сходным состоянием ГКГ. Это предположительно объясняется тем, что в период беременности для женщин адаптивным является пребывание вблизи ближайших родственников, а не поиск брачного партнера (Wedekind, Furi, 1997; Ober et al., 1997). Также и самки мышей, воспитывающие свое потомство в «коммунальных» гнездах, предпочитают гнездиться вместе с особями, близкими к ним самим по аллельному состоянию ГКГ (Manning et al., 1992). В этом случае вполне очевидно, что аллельное состояние ГКГ имеет значение не само по себе, как характеристика иммунной системы, а как маркер генетического статуса особи в целом, позволяющий судить о степени родства.

Индивидуальная ольфакторная информация, используемая животными при выборе брачных партнеров, по-видимому, отнюдь не ограничивается белками ГКГ и их пептидными лигандами. Так, у грызунов обнаружена особая группа белков (Major urinary proteins, MUP), присутствующих в моче и служащих для коммуникации, идентификации особей и привлечения половых партнеров. Эти белки очень многочисленны и разнообразны, а набор их у каждой особи весьма специфичен (Beynon, Hurst, 2004). Скорее всего, эти белки относятся к числу «ключевых антигенов», несущих информацию о генетическом статусе организма, и которые, согласно нашей гипотезе, животное должно предоставлять другим особям для тестирования. Белки MUP способны связывать и освобождать небольшие летучие молекулы (такие как (R,R)-3,4-дегидроэкзобревикомин, E,E-альфа-фарнезин, E-бета-фарнезин, 6-гидрокси-6-метил-3-гептанон и др.), выполняющие сигнальные функции. В частности, некоторые из этих веществ действуют как мужские феромоны, ускоряя половое созревание самок (Brennan, 2004). Напомним, что и белки ГКГ связывают различные пептиды, набор которых несет персональную информацию. Комбинаторное разнообразие уровней экспрессии различных MUP может быть сопоставимо с таковым для белков ГКГ, а количественное их содержание в моче на много порядков выше (Hurst et al., 2001).

Широко известен так называемый «эффект Брюса», состоящий в том, что вероятность наступления беременности у самок грызунов резко снижается, если после спаривания самка будет обонять запах мочи другого самца (Bruce, 1959). Показано, что в данном случае самки различают запахи разных самцов по набору присутствующих в моче пептидных лигандов ГКГ (Leinders-Zufall et al., 2004).

Весьма вероятно, что пептидные лиганды ГКГ и во многих других случаях играют роль сигнальных молекул, несущих индивидуальную информацию, используемую, в частности, при выборе брачного партнера. Однако этот механизм ольфакторной коммуникации еще только начинает исследоваться, и прямое экспериментальное подтверждение роли пептидных лигандов ГКГ в выборе брачных партнеров получено пока только для трехиглой колюшки (Milinski et al., 2005).

Перечислим некоторые другие факты, свидетельствующе о существовании и многообразных проявлениях тройственной связи «ГКГ — хеморецепция — половое поведение». К ним можно отнести: феномен синхронизации эстрального цикла у группы женщин под влиянием запаха их пота (Jacob, McClintock, 2000); аналогичный эффект у мышей, вызываемый летучими лигандами белков MUP (Brennan, 2004); угнетающее действие запаха мочи доминантных самцов на половое созревание, уровень тестостерона и размер семенников у самцов грызунов и приматов (Калуев и др., 2000; Perret, Schilling, 1995).

Вомероназальный орган. У наземных позвоночных (тетрапод) важную роль в ольфакторной коммуникации и идентификации персональных запахов играет вомероназальный орган (ВО). Существенное функциональное отличие ВО от основного обонятельного эпителия состоит в его способности воспринимать малолетучие и нелетучие молекулы, такие как белки и пептиды, при тесном контакте с источником запаха (Brennan, 2004). Вомероназальный орган способен активно втягивать в себя воздух. У рыб, не сталкивающихся с характерными для наземных животных трудностями при обонятельном восприятии нелетучих молекул, гены характерных для ВО рецепторов V2R (см. ниже) экспрессируются в основном обонятельном эпителии (Speca et al., 1999; Rodrigues, 2004)

Сенсорные нейроны ВО реагируют на феромоны и другие химические сигналы, несущие информацию о половой принадлежности, социальном статусе (положении в иерархии у общественных животных) и индивидуальных особенностях особей. В частности, ВО необходим для вышеупомянутого «эффекта Брюса» (Lloyd-Thomas, Keverne, 1982). До самого недавнего времени, однако, оставалась неясной химическая природа воспринимаемых ВО пахучих веществ, несущих персональную информацию.

Удаление ВО у млекопитающих не приводит к изменению восприятия обычных запахов, но резко нарушает социальное поведение животных и их взаимодействие с сородичами. Любопытно, что окончательное формирование вомероназального эпителия происходит довольно поздно в онтогенезе и фактически завершается лишь к периоду полового созревания, в отличие от основного обонятельного эпителия, который полностью формируется вскоре после рождения (Rodriguez, 2004). Можно заключить, что функциональный ВО необходим лишь половозрелым особям. Это хорошо согласуется с фактами, указывающими на важную роль ВО в выборе брачного партнера.

Нейроэпителиальные клетки ВО экспрессируют специфические хемосенсорные белки — вомероназальные рецепторы, содержащие 7 трансмембранных доменов и взаимодействующие с G-белками. Вомероназальные рецепторы относятся к двум суперсемействам: V1R (экспрессируются в основном в центральных, или апикальных областях вомероназального эпителия) и V2R (приурочены к периферическим, или базальным областям). У мышей имеется не менее 137 различных рецепторов V1R и около 100 рецепторов V2R (Brennan, 2004). Рецепторы V1R, по-видимому, воспринимают небольшие летучие молекулы, в том числе феромоны и летучие лиганды белков MUP, причем они отличаются чрезвычайно высокой чувствительностью и большей селективностью по сравнению с обычными ольфакторными рецепторами. Например, у мышей рецептор V1rb2 (и, кажется, только он) реагирует на феромон 2-гептанон. Нейроны, экспрессирующие этот рецептор, возбуждаются даже при самой ничтожной концентрации феромона, тогда как другие похожие на 2-гептанон молекулы не вызывают никакой реакции (Zufall et al., 2002). Рецепторы V2R отвечают за восприятие более крупных белковых или пептидных молекул (Cavaggioni et al., 1999). Для генов вомероназальных рецепторов характерен весьма высокий аллельный полиморфизм — свойство, характерное также и для генов иммунной системы. Наборы вомероназальных рецепторов сильно различаются у разных видов. Предполагается, что эволюционные изменения вомероназальных рецепторов могли оказывать существенное влияние или даже быть движущей силой видообразования (Rodrigues, 2004). Помимо вомероназального эпителия, экспресия генов V1R обнаружена в обонятельном эпителии у коз и людей, а также, что особенно удивительно, в развивающихся половых клетках в семенниках у мышей (Tatsura et al., 2001). Последнее может свидетельствовать об участии этих рецепторов в выборе партнера на уровне гамет.

Чрезвычайно интересен тот факт, что у мышей рецепторы V2R экспрессируются совместно с белками семейства H2-Mv (это семейство принадлежит к числу «несклассических» генов ГКГ класса I (MHC Ib)), к которому относится 9 генов (M1, M9, M10.1-M10.6, M11) (Ishii et al., 2003; Brennan, 2004). Экспрессия этих генов у мышей не обнаружена нигде, кроме сенсорных нейронов ВО, экспрессирующих рецепторы V2R. Белки MHC Ib образуют на мембранах сенсорных нейронов рецепторные комплексы с белками V2R и бета-2-микроглобином (Loconto et al., 2003). Примечательно, что для каждого V2R рецептора характерен строго определенный ген (или несколько генов) MHC Ib, экспрессирующихся вместе с ним (Ischii et al., 2003; Scott, 2003).

У белков H2-Mv имеется вариабельная область в районе пептидсвязывающего желобка, что свидетельствует о возможности избирательного связывания ими пептидных лигандов. По-видимому, они принимают непосредственное участие в осуществлении рецепторных функций в едином комплексе с рецепторами V2R. Однако у них отсутствует несколько аминокислотных остатков, обычно участвующих в связывании пептидов белками ГКГ класса I. Это может означать, что характер связывания пептидов белками H2-Mv отличается от «классического» (Loconto et al., 2003).

Таким образом, налицо факт прямого участия ГКГ или, по крайней мере, белков, чрезвычайно близких по своей доменной организации (иммуноглобулиновые домены) и функциональным характеристикам к белкам иммунной системы, в хеморецепции. Причем это участие имеет место как раз в той части хемосенсорного эпителия, которая, судя по всему, играет ключевую роль в распознании индивидуальных запахов и регуляции полового поведения. Это — весомый довод в пользу предлагаемой здесь гипотезы «иммунологического тестирования» брачных партнеров.

В конце 2004 г. была экспериментально подтверждена способность нейронов базальной части вомероназального эпителия (тех самых, которые несут рецепторные комплексы из V2R и MHC Ib) мышей избирательно реагировать на пептидные лиганды молекул ГКГ (Leinders-Zufall et al., 2004). Значение этого открытия в контексте предлагаемой гипотезы трудно переоценить. Если раньше было известно лишь, что белки ГКГ и их пептидные лиганды несут индивидуальную информацию, которая потенциально может использоваться в целях коммуникации, и что эта информация каким-то образом воспринимается и учитывается при выборе брачного партнера, то теперь найден реальный молекулярный механизм такого восприятия. Показано, что обонятельные (вомероназальные) рецепторы, образующие комплексы с неклассическими белками ГКГ на поверхности сенсорных нейронов, способны воспринимать ее не опосредованно, а напрямую, взаимодействуя с пептидными лигандами ГКГ, т.е. с ключевыми компонентами иммунной системы другой (тестируемой) особи.

Химические сигналы, воспринимаемые ВО, непосредственно влияют на социальное и половое поведение и выбор брачного партнера (Halpern, Martinez-Marcos, 2003; Meredith, 1998). В частности, известно, что нервные волокна от ВО идут в области гипоталамуса, отвечающие за регуляцию репродуктивного поведения и секрецию гонадотропных гормонов (Калуев и др., 2000; Макарчук, Калуев, 2000). Поэтому можно заключить, что в данном случае (у мышей) «иммунологическое тестирование» брачных партнеров следует рассматривать уже не как гипотезу, а как реальность.

Таким образом, оба основных функциональных блока системы передачи информации о генетическом статусе индивидуума (передающий и принимающий) теснейшим образом связаны с компонентами главного комплекса гистосовместимости. Это, с одной стороны, пептидные лиганды ГКГ класса I, играющие роль сигнальных молекул, с другой — рецепторные комплексы, в состав вторых входят белки ГКГ класса Ib.

Любопытно, что вомероназальные рецепторы исследованных мышей оказались способны реагировать как на «свои» пептидные лиганды ГКГ, так и на «чужие», т.е. те, для которых у данной особи нет соответствующих молекул ГКГ. При этом, однако, для «своих» лигандов пороговая концентрация, необходимая для возбуждения нейрона, оказалось на порядок более высокой, чем для «чужих» (Leinders-Zufall et al., 2004). Такая пониженная чувствительность вомероназальных нейронов к «своим» запахам может быть одним из первичных механизмов различения своего и чужого на ольфакторном уровне.

Необходимо отметить, что система ольфакторной «персональной идентификации», судя по всему, очень сложна и отнюдь не ограничивается вомероназальными рецепторами V2R, способными распознавать пептидные лиганды ГКГ. Об этом свидетельствуют опыты с мышами, у которых ВО был удален. Эта операция не только не лишила животных способности различать запахи особей с разными аллельными состояниями ГКГ, но даже не привела к заметному ослаблению этой способности. Это говорит о том, что основной обонятельный эпителий тоже располагает какими-то средствами различения индивидуальных запахов, отражающих аллельное состояние ГКГ (Wysocki et al., 2004). В связи с этим следует упомянуть хорошо обоснованную гипотезу, согласно которой белки ГКГ после отделения от поверхности клеток могут терять свои пептидные лиганды. При этом их сайты связывания освобождаются и могут взаимодействовать с различными небольшими летучими молекулами. Вместе с белками ГКГ эти летучие лиганды попадают в мочу и другие выделения тела, где они могут снова отделяться от белковых носителей и влиять на индивидуальный запах. Такие летучие лиганды могут распознаваться основным обонятельным эпителием (Singh, 2001; Brennan, 2004).

Влияние степени родства на брачные отношения. Можно заметить, что у млекопитающих (и позвоночных в целом) по сравнению с насекомыми сильнее выражена тенденция к предпочтению неродственных особей в качестве половых партнеров. У позвоночных сильнее развиты механизмы предотвращения инбридинга. Это может быть связано с особенностями иммунной системы, которая у позвоночных отличается наибольшей сложностью и эффективностью (например, структура ГКГ явно способствует выработке тенденций к предпочтению отличающихся партнеров и к росту общей гетерозиготности). Этим могут отчасти объясняться некоторые особенности эволюции позвоночных и насекомых (различия в степени эндемизма; относительном числе эврибионтных, полиморфных видов; общем уровне разнообразия — виды млекопитающих проявляют меньшую склонность к дроблению, и т.д.). Вместе с тем очевидно, что предпочтение «иных» в качестве брачных партеров — вещь относительная; абсолютизация этого принципа привела бы к массовой отдаленной гибридизации и полной деградации вида. Ясно, что речь идет именно об оптимальной величине сходства/различия.

Так, показано, что самки трехиглой колюшки оценивают выделяемый самцами набор пептидных лигандов ГКГ класса IIb и используют эту информацию при выборе брачного партнера. Однако предпочтение отдается не максимально непохожим по аллельному состоянию ГКГ самцам, а тем, которые имеют определенный оптимальный уровень генетического сходства с выбирающей самкой. «Отталкивающим» действием обладает не только слишком близкий (сходный со своим) набор пептидов, но и слишком далекий (несходный) (Milinsky, 2003). Взаимодействие механизмов отбора по степени родства («kin selection») и преимущества гетерогенных скрещиваний («heterogeneous advantage») при явном преимуществе последних показано в природных популяциях атлантического лосося Salmo salar (Griffiths, Armstrong, 2001).

Вполне возможно, что в определенных ситуациях (например, под воздействием стресса, высокой смертности в популяции и тому подобное) «оптимум иммунологической близости» при выборе брачных партнеров у позвоночных может закономерно смещаться в сторону предпочтения «своих», т.е. генетически близких особей, чтобы предотвратить растворение в общем генном потоке полезных в данной критической ситуации наследственных отклонений. О том, что рисунок ольфакторного восприятия и характер связанных с запахом предпочтений может меняться в зависимости от условий, свидетельствует факт активизации нейрогенеза в ольфакторном эпителии млекопитающих под воздействием стресса (Feron et al., 1999).

В целом не подлежит сомнению, что у позвоночных индивидуальный запах (набор сигнальных молекул или «ключевых антигенов»), во-первых, специфичен для каждой особи, во-вторых, несет большой объем информации о ее генетическом статусе. Эта информация адекватно интерпретируется сородичами, причем в этой интерпретации большую роль играет сравнение данных о статусе тестируемого индивида с аналогичными данными о самом себе. От результатов таких сравнений часто зависит выбор брачного партнера.

НЕКОТОРЫЕ СЛЕДСТВИЯ ДЕЙСТВИЯ «ИММУНОЛОГИЧЕСКОГО» ПРИНЦИПА ВЫБОРА БРАЧНЫХ ПАРТНЕРОВ

Взаимодействие «случайного» и «направленного» в процессе эволюции. Классические модели эволюционных процессов в популяциях, разработанные в рамках синтетической теории эволюции (СТЭ), в большинстве своем основываются на законе Харди-Вайнберга и концепции панмиксии — равновероятного скрещивания каждой особи с каждой (Hardy, 1908). Эволюция в этом случае представляется процессом в значительной степени случайным, недетерминированным («тихогенез»). Однако в реальных популяциях полная панмиксия встречается весьма редко. Если организмы имеют возможность выбора брачных партнеров и если для этого существуют специальные высоко эффективные механизмы (такие, как механизм «иммунологического тестирования»), едва ли можно предполагать что эти возможности, позволяющие существенно повысить шансы потомства на выживание, не будут использоваться.

Многовековой опыт селекционной работы (как бессознательной, так и осознанной) показывает, что грамотный подбор брачных пар является мощнейшим инструментом, позволяющим в очень короткие сроки создавать новые породы животных и сорта растений. Элиминация «неприспособленных» (или несоответствующих задачам селекционера) особей играет при этом подчиненную роль и в конечном счете необязательна для процесса формообразования, за исключением ситуации, когда имеет место острая конкуренция за одни и те же ресурсы между «уклоняющимися» и «предковыми» линиями. Тем не менее необходимо подчеркнуть, что второстепенная роль отбора возможна только на начальном этапе формообразования и дивергенции видов. Безусловная и ведущая роль отбора проявляется как в «оценке» вновь возникающих адаптаций, так и в стабилизирующем действии на каждый конкретный онтогенез, поддерживая тем самым гомеостаз на организменном и популяционном уровнях.

Признание рационального подбора брачных пар одной из важнейших движущих сил эволюции может объяснить многие факты наблюдаемой «направленности», «детерминированности» эволюционного процесса, на которых основываются так называемые номогенетические теории.

Сужение спектра тестируемых антигенов. Едва ли можно предполагать, что ИТ всегда является тотальным (т.е. оцениваются все или очень широкий спектр антигенов партнера). Возможно, такое тотальное тестирование могло быть исходным, наиболее примитивным вариантом данного механизма в некоторых группах многоклеточных животных. В ходе эволюции различных групп животных спектр тестируемых антигенов должен был сужаться таким образом, чтобы проверялось в первую очередь аллельное состояние тех локусов, от которых в наибольшей степени зависит выживание потомства. В дальнейшем вместо непосредственного тестирования жизненно важных антигенов могут развиться более опосредованные механизмы. В частности, могут появиться «посредники» (messengers) — специальные сигнальные вещества, набор которых несет информацию (в той или иной степени обобщенную) об аллельном состоянии ключевых для выживания потомства генов. При этом, однако, возникает проблема адекватности («правдивости») этой информации, особенно остро встающая при возникновении новых аллелей (например, в результате мутаций).

В предельном случае ИТ может выродиться в крайне упрощенную и специализированную сигнальную систему, включающую небольшой набор видоспецифических сигнальных веществ (феромонов) и соответствующих рецепторов. Такая система является весьма жесткой и едва ли способствует оптимизации популяционной структуры вида. В этом случае особенно очевидно, что любые эволюционные изменения феромона и рецептора должны происходить согласованно. Феромоны могут нести информацию о видовой и половой принадлежности, физиологическом состоянии, фазе эстрального цикла и так далее. Однако феромонная «коммуникация» практически не дает возможности передавать и анализировать подробную информацию об индивидуальном генетическом статусе конкретных особей, поэтому ее функциональная роль ограничена по сравнению с ИТ. Для оптимального выбора брачного партнера на основе его индивидуальных генетических характеристик система феромонов не является достаточной.

Согласованность эволюционных изменений сигналов и воспринимающих их рецепторов может осуществляться благодаря «иммунологическому» принципу формирования последних. Вероятными кандидатами на роль таких специфических рецепторов, формирующихся по иммунологическому принципу, являются обонятельные (в том числе вомероназальные) рецепторы млекопитающих, отличающиеся колоссальным разнообразием и играющие важнейшую роль в выборе брачных партнеров.

Делать предположения о конкретных кандидатах на роль участников тестирующей системы у беспозвоночных преждевременно, но наличие самой системы подтверждается открытием у гастропод адаптивного иммунитета (Zhang et al., 2004). Участие соматически дифференцирующихся иммуноглобулиновых FREP-белков в процессе распознания патогенов позволило высказать предположение о широком распространении явления иммунного тестирования у всех многоклеточных животных (Eason et al., 2004). Так, например, в цикле работ лаборатории Т. Маккей, посвященных генетическому анализу механизмов одорантзависимого поведения, показана согласованность изменения уровней экспрессии генов одорантных рецепторов, иммунного ответа и клеточной адгезии в изогенных линиях D. melanogaster, гомозиготных по мутациям, ухудшающим обоняние у мух (Anholt, Mackay, 2001; Anholt et al., 2003).

Многократное появление одного и того же вида. Следует отметить, что «иммунологический» механизм формирования эндогамных группировок иногда, по-видимому, может приводить к такому необычному явлению, как независимое многократное возникновение одного и того же вида. В рамках классической СТЭ такое предположение выглядит невероятным. Действительно, если полагать репродуктивную изоляцию случайным побочным эффектом медленного накопления случайных генетических различий, то возникновение каждого нового вида должно быть событием единичным и абсолютно уникальным, поскольку длинная цепочка из множества случайностей не может в точности повториться дважды. Другое дело, если эндогамия возникает автоматически, как закономерный и детерминированный результат адаптивных изменений, на основе механизма прекопуляционного ИТ.

В экспериментах Додд (Dodd, 1989) была получена лишь неполная ПИ. Если бы удалось в подобных опытах (например, увеличив их продолжительность) получить полную изоляцию, тем самым была бы доказана возможность независимого многократного появления одного и того же нового вида. Ведь между изолированными популяциями, приспособившимися к одной и той же стрессовой среде, никакой ПИ не возникло. О том же говорят и результаты опытов Шапошникова (1961, 1965, 1966), в которых экспериментальная популяция приобрела репродуктивную совместимость с другим видом тлей; таким образом, в ходе эксперимента наметилось как бы повторное возникновение вида, уже существующего в природе.

Определяющими факторами и необходимыми условиями подобного явления, очевидно, следует считать близкое родство исходных (предковых) популяций и однонаправленное действие отбора (единственный лимитирующий фактор, действующий одинаково на все подопытные популяции).

Оптимальный уровень иммунологической близости. Понятно, что «иммунологический» механизм формирования половых предпочтений может в ходе эволюции дополняться другими механизмами (например, различными ритуалами ухаживания). Кроме того, оптимальный уровень иммунологической близости, который воспринимается как «наиболее привлекательный», может смещаться. Так, например, накопление в популяции рецессивных летальных или просто вредных мутаций должно приводить к тому, что отбор будет способствовать смещению этого оптимума в сторону меньшего сходства (с целью избежания инбридинга). При этом возникает положительная обратная связь (накопление леталей — смещение оптимума иммунологической близости при выборе партнера в сторону меньшего сходства — повышение уровня гибридизации и гетерозиготности — благоприятные условия для дальнейшего накопления леталей). Таким образом, вредный генетический груз может оказаться фактором повышения полиморфизма популяции. Это может быть полезно для нее, поскольку полиморфизм способствует стабильности видов, их адаптируемости к изменяющимся условиям (Северцов, 2000).

Другим фактором смещения оптимума в сторону меньшего сходства может быть высокая степень нестабильности и непредсказуемости условий среды (в такой ситуации популяции выгодно повышать уровень полиморфизма). Напротив, стрессовые факторы, приводившие в описанных выше экспериментах к появлению эндогамии (что могло быть связано, в том числе, со сдвигом этого оптимума в сторону большего сходства), всегда были постоянными.

Адапатация к стрессовым условиям, уровень гомозиготности и механизм «иммунологического тестирования». При быстрой адаптации к стрессовым условиям, как в экспериментах Шапошникова (1961, 1965, 1966), Додд (Dodd, 1989) и др., в популяции, очевидно, должен возрастать уровень гомозиготности по некоторым ключевым аллелям. Приток генов извне будет препятствовать сохранению этой гомозиготности. Из этого видно, что для гомозигот по ключевым адаптивным аллелям было бы целесообразно сместить оптимальный уровень иммунологической близости брачного партнера в сторону большего сходства. Это может достигаться автоматически, если имеет место ИТ. Действительно, гомозиготы будут иметь меньший набор соответствующих антигенных детерминант по сравнению с гетерозиготами, и набор их тестирующих механизмов, сформированный по принципу «обратного слепка», будет воспринимать как «чужие» большее число аллельных вариантов. Почему в условиях стресса «чужие» оказываются за пределами оптимума иммунологической близости? Наиболее адаптированные к стрессирующим факторам индивидуумы в пределах данной популяции с большой вероятностью обладают сходными генетическими осоновами благоприятной адаптации, принципиально отличающей их от всех остальных в данных условиях. Учитывая значительные изменения метаболических и сигнальных каскадов, связанных с адаптацией, и количественные изменения спектра белков, используемых для изготовления сигнальных пептидов (в том числе лигандов ГКГ), такие особи будут существенно отличаться от остальных по спектру предъявляемых антигенов и будут более привередливы в выборе партнера, предпочитая себе подобных. Совершенно аналогичная ситуация наблюдается с группами крови и их совместимостью: особи с наименьшим разнообразием ключевых антигенов (группа крови 0) имеют наибольшее разнообразие соответствующих антител и потому наиболее «привередливы» в отношении переливаемой им крови (им подходит только кровь той же самой группы), тогда как особи с наибольшим разнообразием антигенов (группа AB) наиболее толерантны в этом отношении, так как имеют наименьшее разнообразие соответствующих антител.

Если допустить, что уровень гомозиготности особенно сильно возрастает именно при адаптации к резко неблагоприятным (стрессовым) условиям, то это может объяснить ряд известных фактов, когда между одними субстратспецифичными популяциями изоляция возникает, а между другими — нет. А.Н. Фролов исследовал субстратспецифичные популяции близких видов мотыльков Ostrinia nubialis, O. narynensis и O. scapulalis (Фролов, 1994). Оказалось, что, хотя в природе разные популяции приурочены к строго определенным растениям (злакам и двудольным), в лабораторных условиях их представители (в том числе и относящиеся к разным видам) свободно скрещиваются между собой, не проявляя заметных предпочтений, за единственным исключением (о котором будет сказано ниже). В данном случае достаточный уровень эндогамии популяций поддерживается самой их приуроченностью к разным растениям –хозяевам (избирательное скрещивание за счет выбора местообитаний, «assortative mating through habitat choice» (Hawthorne, Via, 2001)). Такая же ситуация известна и у других насекомых, например, у мухи Rhagoletis pomonella, у которой фактическая изоляция субстратспецифичных популяций (разошедшихся всего лишь 150 лет назад) полностью обеспечивается тем, что одних мух больше привлекает запах яблок, а других — боярышника (Linn et al., 2003).

Единственное исключение в экспериментах Фролова (1994) составили популяции O. nubialis, обитающие на кукурузе в северной части ареала данного вида. Представители этих популяций предпочитали скрещиваться только со «своими», причем изоляция наблюдалась как с популяциями, обитающими на двудольных, так и с кукурузными популяциями из южных частей ареала вида. Причина, по мнению Фролова, состоит в том, что в северных кукурузных популяциях O. nubialis гусеницы вынуждены питаться тканями листьев кукурузы в фазе листовой воронки, когда эти ткани наиболее токсичны. Южные кукурузные популяции используют кукурузу на более поздних стадиях (в фазе выметывания метелки и после), когда токсичность резко снижается.

Таким образом, в данном случае именно адаптация к стрессовым условиям повлекла за собой предпочтение «своих» при выборе полового партнера (эндогамию). По-видимому, большого адаптивного значения эта особенность северных кукурузных популяций O. nubialis не имеет, поскольку для эффективной изоляции популяций вполне достаточно их приуроченности к разным видам растений. Кроме того, «неадаптивный» характер этой изоляции подтверждается тем, что ее уровень совершенно не зависел от степени симпатричности тестируемых популяций (Фролов, 1994). Вероятно, в данном случае эндогамия развилась как детерминированный побочный эффект адаптации к стрессовым условиям, без непосредственного влияния отбора на этологическую изоляцию и без помощи механизма «усиления» (reinforcement). Адекватным объяснением является рост гомозиготности у этих популяций в сочетании с механизмом «иммунологического тестирования».

Кроме того, можно предположить, что отсутствие половых предпочтений между популяциями, обитающими на различных (но не «стрессовых») растениях, и даже между разными видами, свидетельствует о том, что спектр тестируемых «антигенов» у данных насекомых сравнительно узок и включает в первую очередь антигены, играющие ключевую роль в адаптации к стрессовым средам, в частности, к растительным токсинам. В эволюции насекомых-фитофагов важнейшую роль играло развитие быстрой приспособляемости к растительным токсинам, которые используются растениями как главное средство защиты от этих вредителей (В.В. Жерихин, личное сообщение). Вполне естественно, что аллели, ответственные за эту приспособляемость, попали в число ключевых антигенов, тестируемых в процессе выбора брачного партнера.

Можно заключить, что ситуация у млекопитающих принципиально не отличается от таковой у насекомых. Для формирования эндогамных группировок на основе «хеморецепторного» выбора партнера в любом случае требуется согласованное (координированное) изменение системы сигналов и системы их восприятия. Путем случайных и независимых изменений того и другого добиться подобной согласованности весьма трудно, особенно в сжатые сроки. Удобным и простым решением этой проблемы может быть формирование (или настройка) индивидуальной системы восприятия на основе «иммунологического принципа», т.е. путем прижизненного подбора «прямых» или «обратных слепков» своих собственных ключевых антигенов или сигнальных молекул.

Галактионов В.Г. Очерки эволюционной иммунологии. М. : Наука, 1995. 256 с.

Калуев А.В., Макарчук Н.Е., Дерягина М.А., Самохвалов В.П. Уринация и поведение. Киев: КСФ, 2000. 148 с.

Макарчук Н.Е., Калуев А.В. Обоняние и поведение. Киев: КСФ, 2000. 134 с.

Палмер Д., Палмер Л. Эволюционная психология. СПб.: Прайм-Еврознак, 2003. 384 с.

Сапунов В.Б. Адаптация к перемене экологических условий и фенотипическая изменчивость тлей // Журн. общ. биологии. 1983. Т. 44. № 4. С. 557–567 .

Северцов А.С. Причины эволюционного стазиса // Матер. 1-й междунар. конф. «Биоразнообразие и динамика экосистем Северной Евразии». Новосибирск, 21–26 августа 2000 г. http://evolution.powernet.ru/library/resonsstat.html.

Фролов А.Н. Формирование барьеров половой изоляции у кукурузного мотылька Ostrinia nubialis: различие в стратегиях использования растений-хозяев // Журн. общ. биологии. 1994. Т. 55. № 2. С. 189–197.

Шапошников Г.Х. Специфичность и возникновение адаптаций к новым хозяевам у тлей (Homoptera, Aphidoidea) в процессе естественного отбора (экспериментальные исследования) // Энтомол. обозрение. 1961. Т. 40. № 4. С. 739–762.

Шапошников Г.Х. Морфологическая дивергенция и конвергенция в эксперименте с тлями (Homoptera, Aphidenea) // Энтомол. обозрение. 1965. Т. 44. № 1. С. 3–25.

Шапошников Г.X. Возникновение и утрата репродуктивной изоляции и критерий вида // Энтомол. обозрение. 1966. Т. 45. № 1. С. 3–35.

Amadou C., Younger R.M., Sims S., Matthews L.H., Rogers J., Kumaґnovics A., Ziegler A., Beck S., Lindah K.F. Co-duplication of olfactory receptor and MHC class I genes in the mouse major histocompatibility complex // Human Mol. Genet. 2003. V. 12. № 22. Р. 3025–3040.

Anholt R.R., Dilda C.L., Chang S., Fanara J.J., Kulkarni N.H., Ganguly I., Rollmann S.M., Kamdar K.P., Mackay T.F. The genetic architecture of odor-guided behavior in Drosophila: epistasis and the transcriptome // Nat. Genet. 2003. V. 35. № 2. P. 180–184.

Anholt R.R, Mackay T.F. The genetic architecture of odor-guided behavior in Drosophila melanogaster // Behav. Genet. 2001. V. 31. № 1. P. 7–27.

Beynon R.J., Hurst J.L. Urinary proteins and the modulation of chemical scents in mice and rats // Peptides. 2004. V. 25. № 9. P. 1553–1563.

Brennan P.A. The nose knows who's who: chemosensory individuality and mate recognition in mice // Horm. Behav. 2004. V. 46. № 3. P. 231–240.

Bruce H.M. An exteroceptive block to pregnancy in the mouse // Nature. 1959. V. 184. P. 105.

Burnet F.M. The Clonal selection theory of acquired immunity // The Abraham Flexner Lectures, 1958. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1959. P. 49–80.

Cavaggioni A., Mucignat C., Tirindelli R. Pheromone signalling in the mouse: role of urinary proteins and vomeronasal organ // Arch. Ital. Biol. 1999. V.137. № 2–3. Р. 193–200.

Dodd D.M.B. Behavioral correlates of the adaptive divergence of Drosophila populations: Ph. D. Diss. New Haven, CT: Yale Univ., 1984. 120 p.

Dodd D.M.B. Reproductive isolation as a consequence of adaptive divergence in Drosophila pseudoobscura // Evolution. 1989. V. 43. № 6. P.1308–1311.

Eason D.D., Cannon J.P., Haire R.N., Rast J.P., Ostrov D.A., Litman G.W. Mechanisms of antigen receptor evolution // Sem. Immunol. 2004. V. 16. P. 215–226.

Feron F, Mackay-Sim A, Andrieu J.L., Matthaei K.I., Holley A., Sicard G. Stress induces neurogenesis in nonneuronal cell cultures of adult olfactory epithelium // Neurosci. 1999. V. 88. № 2. P. 571–583.

Fisher H.S., Swaisgood R.R., Fitch-Snyder H. Odor familiarity and female preferences for males in a threatened primate, the pygmy loris Nycticebus pygmaeus: applications for genetic management of small populations // Naturwissenschaften. 2003. V. 90. № 11. P. 509–512.

Griffiths S.W., Armstrong J.D. The benefits of genetic diversity outweigh those of kin association in a territorial animal // Proc. Biol. Sci. 2001. V. 268. № 1473. P. 1293–1296.

Halpern M., Martinez-Marcos A. Structure and function of the vomeronasal system: an update // Prog. Neurobiol. 2003. V. 70. № 3. P. 245–318.

Hardy G.H. Mendelian proportions in a mixed population // Science. 1908. V. 28. P. 49 — 50.

Hawthorne D.J., Via S. Genetic linkage of ecological specialization and reproductive isolation in Pea Aphids // Nature. 2001. V. 412. № 6850. P. 904–907.

Hendry A.P., Wenburg J.K., Bentzen P., Volk E.C., Quinn T.P. Rapid Evolution of Reproductive Isolation in the wild: evidence from introduced salmon // Science. 2000. V. 290. P. 516–518.

Hurst J.L., Payne C.P., Nevison C.M., Marie A.D., Humphries R.E., Robertson D.H.L., Cavaggioni A., Beynon R.J. Individual recognition in mice mediated by major urinary proteins // Nature. 2001. V. 414. № 6864. P. 631–634.

Ishii T., Hirota J., Mombaerts P. Combinatorial coexpression of neural and immune multigene families in mouse vomeronasal sensory neurons // Cur. Biol. 2003. V. 13. № 5. P. 394–400.

Jacob S., McClintock M.K. Psychological state and mood effects of steroidal chemosignals in women and men // Horm. Behav. 2000. V. 37. № 1. P. 1–23 .

Jordan W.C., Bruford M.W. New perspectives on mate choice and the MHC // Heredity. 1998. V. 81. P. 127–133 .

Key B., John J. St. Axon navigation in the mammalian primary olfactory pathway: Where to next? // Chem. Senses. 2002. V. 27. № 3. P. 245–260.

Kilias G., Alahiotis S. N., Delecanos M. A multifactorial investigation of speciation theory using Drosophila melanogaster // Evolution.1980. V.34. P.730–737 .

Kirkpatrick M. Reinforcement during ecological speciation // Proc. Biol. Sci. 2001. V. 268. № 1473. P. 1259–1263.

Kirkpatrick M., Barton N.H. The strength of indirect selection on female mating preferences // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1997. V. 94. № 4. P. 1282–1286.

Korol A., Rashkovetsky E., Iliadi K., Michalak P., Ronin Y., Nevo E. Nonrandom mating in Drosophila melanogaster laboratory populations derived from closely adjacent ecologically contrasting slopes at «Evolution Canyon» // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2000. V. 97. № 23. P. 12637–12642.

Kraaijeveld-Smit F.J.L., Ward S.J., Temple-Smith P.D., Paetkau D. Factors influencing paternity success in Antechinus agilis: last-male sperm precedence, timing of mating and genetic compatibility // J. Evol. Biol. 2002. V. 15. № 1. P. 100–107.

Leinders-Zufall T., Brennan P., Widmayer P., Chandramani P.S., Maul-Pavicic A., Jager M., Li X.-H., Breer H., Zufall F., Boehm T. MHC Class I peptides as chemosensory signals in the vomeronasal organ // Science. 2004. V. 306. P. 1033–1037.

Linn C., Jr, Feder J.L., Nojima S., Dambroski H.R., Berlocher S.H., Roelofs W. Fruit odor discrimination and sympatric host race formation in Rhagoletis. // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2003. V. 100. № 20. P. 11490–11493.

Lloyd-Thomas A., Keverne E.B. Role of the brain and accessory olfactory system in the block to pregnancy in mice // Neurosci. 1982. V. 7. № 4. P. 907–913 .

Loconto J., Papes F., Chang E., Stowers L., Jones E.P., Takada T., Kumanovics A., Fischer-Lindahl K., Dulac C. Functional expression of murine V2R pheromone receptors involves selective association with the M10 and M1 families of MHC class Ib molecules // Cell. 2003. V. 112. № 5. P. 607–618.

Manning C.J., Wakeland E.K., Potts W.K. Communal nesting patterns in mice implicate MHC genes in kin recognition // Nature. 1992. V. 360. № 6404. P. 581–583.

Markow T.A. Assortative fertilization in Drosophila // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1997. V. 94. № 15. P. 7756–7760.

Mays H.L., Hill G.E. Choosing mates: good genes versus genes that are a good fit // Trends Ecol. Evol. 2004. V. 19. № 10. P. 554–559 .

Meredith M. Vomeronasal function // Chem. Senses. 1998. V. 23. № 4. P. 463–466.

Milinski M. The function of mate choice in sticklebacks: optimizing Mhc genetics // J. Fish Biol. 2003. V. 63. № s1. P.1–16 .

Milinski M., Griffiths S., Wegner K.M., Reusch T.B., Haas-Assenbaum A., Boehm T. Mate choice decisions of stickleback females predictably modified by MHC peptide ligands // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2005. V. 102. № 12. P. 4414–4418.

Milinsky M., Wedekind C. Evidence for MHC-correlated perfume preferences in humans // Behav. Ecol. 2001. V. 12. № 2. P. 140–149 .

Mombaerts P. Seven-transmembrane proteins as odorant and chemosensory receptors // Science. 1999. V. 286. № 5440. P. 707–711.

Montag S., Frank M., Ulmer H., Wernet D., Gopel W., Rammensee H.-G. «Electronic noise» detects major histocompatibility complex-dependent prerenal and postrenal odor components // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2001. V. 98. № 16. P. 9249–9254.

Ober C., Weitkamp L.R., Cox N., Dytch H., Kostyu D., Elias S. HLA and mate choice in humans // Am. J. Hum. Genet. 1997. V. 61. № 3. P. 497–504.

Oliveira A.L., Thams S., Lidman O., Piehl F., Hokfelt T., Karre K., Linda H., Cullheim S. A role for MHC class I molecules in synaptic plasticity and regeneration of neurons after axotomy // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2004. V. 101. № 51. P. 17843–17848.

Perret M., Schilling A. Sexual responses to urinary chemosignals depend on photoperiod in a male primate // Physiol. Behav. 1995. V. 58. № 4. Р. 633–639.

Porter R., Moore J.D. Human kin recognition by olfactory cues // Physiol. Behav. 1981. V. 27. № 3. P. 493–495 .

Porter R., Cernoch J., Balogh R. Odour signatures and kin recognition // Physiol. Behav. 1985. V. 34. № 3. P. 445–448.

Potts W.K., Manning C.J., Wakeland E.K. Mating patterns in semi-natural populations of mice influenced by MHC genotype // Nature. 1991. V. 352. № 6336. P. 619–621.

Powell J.R., Anjelkovič M. Population genetics of Drosophila amylase IV. Selection in laboratory populations maintained on different carbohydrates // Genetics. 1983. V. 103. № 4. P. 675–689.

Rodriguez I. Pheromone receptors in mammals // Horm. Behav. 2004. V. 46. № 3. P. 219–230.

Russel M. Human olfactory communication // Nature. 1976. V. 260. P. 520–522.

Schluter D. Ecology and the origin of species // Trends Ecol. Evol. 2001. V. 16. № 7. P. 372–380.

Singh P.B. Chemosensation and genetic individuality // Reproduction. 2001. V. 121. № 4. P. 529–539.

Speca D.J., Lin D.M., Sorensen P.W., Isakoff E.Y., Ngai J., Dittman A.H. Functional identification of a goldfish odorant receptor // Neuron. 1999. V. 23. № 3. P. 487–498.

Stricker F.L. Y2K Man and pheromonal communication // Int. Electronic J. Dermopharmacological Res., Dermopharmaceutical Technol. and Related Cosmetic Subjects. 2000. http://www.relata.info/docs/Y2K_MAN.PDF

Sullivan S.L. Mammalian chemosensory receptors // Neuroreport. 2002. V. 13. № 1. P. A9–A17.

Tatsura H., Nagao H., Tamada A., Sasaki S., Kohri K., Mori K. Developing germ cells in mouse testis express pheromone receptors // FEBS Lett. 2001. V. 488. № 3. P. 139–144.

Thoday J.M., Gibson J.B. Isolation by disruptive selection // Nature. 1962. V. 193. P. 1164–1166.

Thomas L. Symbiosis as an immunologic problem // Eds. Neter E., Milgrom S. The immune system and infectious diseases. Basel: S. Karger, 1975. P. 2-11.

Wedekind C., Furi S. Body odour preferences in men and women: do they aim for specifi c MHC combinations or simply heterozygosity? // Proc. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 1997. V. 264. № 1387. P. 1471–1479.

Wilkinson G. S., Reillo P. R. Female choice response to artificial selection on an exaggerated male // Proc. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 1994. V.255. № 1342. P. 1–6.

Wysocki C.J., Yamazaki K., Curran M., Wysocki L.M., Beauchamp G.K. Mice (Mus musculus) lacking a vomeronasal organ can discriminate MHC-determined odortypes // Horm. Behav. 2004. V. 46. № 3. P. 241–246.

Yamazaki K., Beauchamp G.K., Kupniewski D., Bard J., Thomas L., Boyse E.A. Familiar imprinting determines H-2 selective mating preferences // Science. 1988. V. 240. № 4857. P. 1331–1332.

Young J.M., Shykind B.M., Lane R.P., Tonnes-Priddy L., Ross J.A., Walker M., Williams E.M., Trask B.J. Odorant receptor expressed sequence tags demonstrate olfactory expression of over 400 genes, extensive alternate splicing and unequal expression levels // Genome Biol. 2003. V. 4. № 11. P. R71.1–R71.15.

Zhang S.M., Adema C.M., Kepler T.B., Loker E.S. Diversification of Ig Superfamily genes in an invertebrate // Science. 2004. V. 305. № 5681. P. 251–254.

Ziegler A., Dohr G., Uchanska-Ziegler B. Possible roles for products of polymorphic MHC and linked olfactory receptor genes during selection process in reproduction // Am. J. Reprod. Immunol. 2002. V. 48. № 1. P. 34–42.

Zufall F., Kelliher K.R., Leinders-Zufall T. Pheromone detection by mammalian vomeronasal neurons // Microsc. Res. Tech. 2002. V. 58. № 3. P. 251–260.

HYPOTHESIS OF IMMUNOLOGICAL TESTING OF PARTNERS — THE COORDINATION OF ADAPTATION DEVELOPMENT AND CHANGES OF SEXUAL PREFERENCES

The reproductive isolation plays a key role in speciation. According to prevailing conceptions, the basic mechanism of species formation is gradual accumulation of genetical distinctions in the isolated populations (an allopatric phase of species formation), an event due to mutations, selection and genetical drift. Thus the reproductive isolation is initially arised as a casual by-product of acclimatization to various conditions (ecological formation of species) or simple accumulation of casual changes of a gene pool as a result of the long isolated existence. In case of cleanly sympatric formations of species it is supposed, that isolation is formed under direct selection (divergent selection) which favours to the individuals selectively crossed with similar. The opportunity of the third variant proves in the present work. To our opinion, isolation can arise as a divergent by-product, not casual, but natural and determined. It can be descended on the basis of a «friend and foe» mechanisms of discrimination. Some of these mechanisms can work by the means of «immunologic» principle — by comparison of partner data (alarm molecules, pheromones and other «antigens» in a broad sense) with conforming themselves data. The immune system can play an essential role in such testing potential marriage partners.

Evolution, histocompatibility complex, autoimmune testing, antigen receptor, adaptive immune system, odorant, odor-guided behavior, isolating mechanisms.

Проблемы Эволюции

Гипотеза иммунологического тестирования партнеров - согласованность развития адаптаций и смены половых предпочтений

ГИПОТЕЗА ИММУНОЛОГИЧЕСКОГО ТЕСТИРОВАНИЯ ПАРТНЕРОВ — СОГЛАСОВАННОСТЬ РАЗВИТИЯ АДАПТАЦИЙ И СМЕНЫ ПОЛОВЫХ ПРЕДПОЧТЕНИЙ

© 2006 г. А. В. Марков*, А. М. Куликов**

Рекламные ссылки