Чем мозг человека отличается от мозга шимпанзе? Какую роль в функционировании органов нашего тела играют жиры? Как в ходе эволюции изменились мышцы человека? Об этом рассказывает руководитель группы сравнительной биологии в Институте вычислительной биологии в Шанхае Филипп Хайтович.

Когда мы говорим об эволюции человека, мы в первую очередь говорим об эволюции мозга. Но не нужно забывать, что эволюция — это комплексный процесс. И если мы посмотрим сейчас на человека и сравним его с нашими предками: неандертальцами, австралопитеками — или с нашими ближайшими родственниками: шимпанзе, гориллами, орангутанами и гиббонами — мы увидим массу различий. Различий в том, как организован скелет, в том, как мы двигаемся. Мы знаем, что есть различия в иммунной системе, в устойчивости к болезням. Например, человек, если заражается ВИЧ, заболевает, а шимпанзе не заболевают, они резистентны к этому вирусу. Есть множество и других отличий.

Хотя мозг является первоочередным и одним из самых интересных аспектов эволюции человека, существуют и другие. Если посмотреть более комплексно на эволюцию человека, мы увидим, что есть и другие достаточно интересные отличия, о которых мы часто не задумываемся. В нашей работе мы посмотрели на то, как изменяются концентрации маленьких молекул: метаболитов, аминокислот, других молекул, которые создают наши белки, нуклеиновые кислоты, жиры, а также других молекул, например нейротрансмиттеров. И мы посмотрели на экспрессию генов, какие гены активны в человеке в разных тканях. Нам было интересно сравнить человека с шимпанзе, с макаками, с мышами, чтобы посмотреть на этих разных уровнях, что изменилось, какие органы, какие ткани и где основные отличия на молекулярном уровне. Потому что, когда мы смотрим просто на человека либо на геном, очень сложно сказать. Человек выглядит совершенно по-другому, нежели шимпанзе. Нам не нужно смотреть на ДНК или секвенировать человека, чтобы понять, что это человек или шимпанзе.

Если мы смотрим на геном, то, конечно, мы можем различить геном человека и геном шимпанзе. Но геном один и тот же во всех тканях: геном в мозге, геном в печени, в почках, в мышцах. Поэтому нам интересно, как этот геном себя проявляет, как он экспрессируется, какие гены активны в какой ткани у человека и у других видов.

Когда мы посмотрели на это, то оказалось, что с точки зрения экспрессии генов и концентрации метаболитов, особенно концентрации липидов, то есть молекул жира, человеческий мозг отличается от мозга шимпанзе, от мозга макак, от мозга мышей очень сильно. Это неудивительно. Особенно насчет жира, хотя это непопулярная субстанция. Но не нужно забывать, что наш мозг состоит больше чем на 50% из жира. Поэтому, когда мы говорим о мозге, мы в первую очередь говорим о жирах. И мы видим, что состав мозга с точки зрения жиров — какая смесь жиров используется в человеческом мозге — довольно сильно отличается от той смеси жиров, которая используется в мозге шимпанзе, макак, мышей. Что это означает, мы точно не понимаем, потому что в принципе никто не знает, какие жиры в мозге за что отвечают. Этот вопрос наукой практически не изучен. Но очень интересно, что существует очень большая разница в композиции нашего мозга по сравнению с мозгом других приматов и мышей.

Жиры ведут себя довольно обособленно, потому что, если мы посмотрим на экспрессию всех генов, которые активны в мозге, мы не увидим, что мозг стоит особняком по сравнению с другими тканями. Конечно, мозг отличается и от печени, и от мышц, но они все разные. С точки зрения экспрессии генов любая ткань очень сильно отличается, что неудивительно: на основании одного и того же генома вы активизируете, экспрессируете разные гены в разных тканях и получаете разные ткани. А если вы смотрите на жиры, то вы видите, что такие разные ткани, как, например, печень и мышца, почти не различаются. То есть жиры, которые внутри этих тканей — клеточные мембраны, — это не просто жир, который у нас на животе. Клеточные мембраны, мембраны органелл — они все сделаны из жиров. Жиры используются как резерв энергии, они нужны во всех клетках, не только в брюхе.

Если мы посмотрим на жиры, то увидим, что мозг действительно стоит особняком, а у мышцы и, например, печени или почки жиры почти одинаковые. Если мы посмотрим на те метаболиты, которые растворимы в воде, которые плавают в наших клетках, внутри клеток или снаружи, то увидим очень интересную тенденцию. Мы видим, что мозг отнюдь не является единственным органом, который в человеке изменился очень сильно.

Другой орган, который изменился даже больше, чем мозг, — мышцы, скелетные мышцы, тоже являющиеся основным органом нашего тела.

Про мозг мы можем сказать: «Ничего удивительного, наш мозг работает по-другому, мы гораздо умнее, чем обезьяны. В мозге есть что-то другое, иначе как так получилось, что мы настолько умные?» А в мышцах? Обезьяны ходят, лазают по деревьям. Мы тоже ходим, лазаем по деревьям. В принципе, никакой разницы в том, как мы используем нашу мускулатуру и как обезьяны используют их мускулатуру, нет. Почему же такие колоссальные изменения в метаболических процессах?

Можно предположить, что существует какая-то взаимосвязь, потому что мозг — это очень дорогой орган с точки зрения энергетики. Практически 20% нашей энергии уходит на мозг, когда мы не двигаемся. Есть некоторые органы, которые потребляют много энергии. Например, наша кишка, потому что нам нужно переваривать пищу; наши почки, потому что нужно абсорбировать назад воду. И наш мозг. Наш мозг действительно потребляет большое количество энергии. 20% всей энергии, которое вырабатывает наше тело, уходит на мозг. Хоть он и большой, но он не 20% нашего тела.

Но мышцы, когда они не работают, почти ничего не потребляют. А вот когда мы бежим, спасаем наши жизни или работаем в поте лица, они потребляют кучу энергии. Может быть, это адаптация, баланс — что мозгу нужно столько энергии, и энергия ему нужна постоянно. Если вы снизите поток глюкозы в мозг даже на полминуты, вы потеряете сознание. Это то, что происходит, например, у больных диабетом: они не могут выжить, потому что в мозг не поступает достаточное количество глюкозы или поступает слишком много глюкозы. Наш мозг очень капризный. Ему нужен постоянный большой приток энергии, такой «трубопровод» глюкозы к мозгу. Естественно, если мышцы начинают жечь всю эту глюкозу, то как мозг может работать? Поэтому, может быть, это взаимосвязано. На самом деле мы точно не знаем. Нам было интересно посмотреть, есть ли какие-то изменения, как мышцы функционируют. Проще сказать, отличаемся ли мы по силе от обезьян, от шимпанзе.

Мы посмотрели на литературу, и оказалось, что было сделано всего две работы: одна в 20-е годы, одна в 40-е. В одной работе ученые использовали трех шимпанзе и пытались заставить их тянуть веревку с какой-нибудь платформы. Эти шимпанзе, в принципе, не были в этом очень заинтересованы. Они немножко потянули, и им это надоело, поэтому никаких результатов они не получили. В другом эксперименте они делали практически то же самое, и тоже ничего. Там было всего два или три шимпанзе, и они тоже особо не были заинтересованы в этом.

Рекомендуем по этой теме:

Мы все равно решили попробовать удачу. Мы скооперировались с учеными в Лейпциге, у которых большой питомник с разными приматами, включая шимпанзе. Оказалось, что, действительно, взрослых шимпанзе очень трудно заставить работать, им это неинтересно, они сидят, едят, им больше ничего не нужно. А если брать молодых животных, которые еще не совсем одеревенелые, они с удовольствием кооперируются, и, если положить какую-нибудь вкусную вещь, они тянут за веревку, и мы можем измерить, с какой силой они тянут. И то же самое мы можем делать с макаками, то есть брать молодых макак, заставлять их тянуть за веревку и измерять силу. Естественно, мы можем делать это с молодыми людьми, со студентами. Студентов мы не использовали, потому что у нас студенты в основном биоинформатики, поэтому они не очень сильные. Мы привлекли сильных молодых людей, которые занимаются спортом достаточно профессионально, чтобы не было никаких перекосов с точки зрения измерений.

Получилась удивительная вещь. Мы измерили около 50 человек, мы измерили около 10 макак и шимпанзе, и оказалось, что макаки и шимпанзе друг от друга практически не отличаются. Их нужно корректировать по размеру: макаки — маленькие, шимпанзе — побольше, люди — еще больше. Но если скорректировать просто по весу или по мышечной массе, то получается, что макаки и шимпанзе примерно в два раза сильнее, чем люди.

Естественно, этот эксперимент неидеальный: просто все тянут за веревку, и мы измеряем усилие. Люди, наверное, были более мотивированны, потому что им хотелось отличиться друг перед другом. А макаки и шимпанзе это делали поодиночке: мы клали им виноградину, яблоко, поэтому им было, может быть, менее интересно. Тем не менее оказалось, что существует разница не только в мозге, но и в нашей силе — мы заработали хорошо работающий мозг, но кое-что и потеряли. Процесс эволюции — это комплексный процесс. Мы посмотрели на мышцы, и если мы посмотрим на другие ткани, то наверняка увидим другие изменения.