Zwierzęta wąchają od setek milionów lat, ale trudno prześledzić ewolucję zmysłu powonienia. Nie można poprosić na przykład słonia, by opisał zapach drzewa akacji, ani nie można zapytać lwa, czy ma te same odczucia, wąchając tę samą roślinę.
Naukowcy muszą więc zbierać pośrednie wskazówki o tym, jak różne gatunki używają swoich nosów. Jednym ze sposobów jest przeprowadzanie prostych testów na zwierzętach, patrząc, czy wykazują zdolność rozróżniania różnych zapachów. Na przykład słonie potrafią wyczuć różnicę między zapachami do 30 członków ich rozległej rodziny.
Innym sposobem prześledzenia ewolucji węchu jest wyizolowanie cząsteczek dokonujących wąchania u różnych gatunków. W naszych nosach zakończenia nerwowe nabite są receptorami, które potrafią wychwytywać różne cząsteczki zapachowe. Wszystkie ssaki budują odmiany tej samej podstawowej struktury, znanej jako receptor węchu. Mogą jednak mieć w nosach setki różnych rodzajów receptorów węchu, każdy zakodowany na innym genie. Budowa receptora każdego rodzaju określa rodzaj cząsteczek, jakie może wychwytywać – i sygnału, jaki może przesłać do mózgu.
Niedawno naukowcy z uniwersytetu w Tokio porównali 20 tysięcy genów receptorów węchu 13 gatunków ssaków. W niektórych wypadkach, takich jak słonie, pierwsi zestawili taki katalog. W innych, jak krowy i myszy, zidentyfikowali geny receptorów węchu, które jak dotąd przeoczono.
Jednym z uderzających wyników tego badania było odkrycie, że słonie mają mnóstwo różnych receptorów węchu. Mają 1948 genów receptorów, najwięcej ze wszystkich kiedykolwiek przebadanych gatunków. Psy mają mniej niż połowę – 811. A ludzie mają 396.
Czy znaczy to, że słonie mają pięć razy lepszy węch niż my? Nie ma prostego związku między genami receptorów węchu a poczuciem węchu. A ewolucja węchu to coś znacznie więcej niż tylko statystyka receptorów.
Nowe receptory węchu nie pojawiają się po prostu jak grom z jasnego nieba. Wyłaniają się ze specjalnego typu mutacji. Czasami, kiedy komórki podwajają swoje geny, przypadkowo tworzą dodatkową kopię odcinka DNA. Tam, gdzie dotąd był jeden gen receptora węchu, są teraz dwie identyczne kopie. Mutacja może więc zmienić sekwencję jednego genu i w ten sposób zmienić budowę receptora.
Ale mutacje mogą także zabrać ssakom receptory węchu. Mogą uszkodzić gen, tak że neurony nie mogą użyć go do stworzenia odpowiadającego mu receptora. W niektórych wypadkach może to całkowicie wymazać gen.
Najbardziej interesujące w tym nowym badaniu z Tokio jest to, że naukowcy byli w stanie zrekonstruować 100 milionów lat ewolucji węchu w jednym drzewie. Potrafili rozpoznać spokrewnione wersje tego samego genu u różnych gatunków i użyć tej informacji do prześledzenia, kiedy nowe geny powstały i kiedy zniknęły.
Tutaj jest drzewo i objaśnię je poniżej.
Wspólny przodek wszystkich tych gatunków żył około 100 milionów lat temu. W oparciu o ich wspólne geny naukowcy ustalili, że ten ssaczy przodek miał 781 genów – niemal dwa razy więcej niż my mamy dzisiaj i mniej niż połowę tego, co mają słonie.
Niebieskie owale pokazują, ile genów ten wspólny przodek dzisiejszych ssaków miał na każdym węźle drzewa. Liczby wzdłuż każdej gałęzi pokazują, ile nowych genów zyskano, a ile stracono.
Linia, która prowadzi do słonia z pewnością zyskała mnóstwo nowych genów – 1335 razem. To samo jednak stało się w wielu innych liniach. Jeśli prześledzisz drzewo od podstawy do szczurów, zobaczysz, że zyskały 884 nowych genów. Po drodze także jednak straciły wiele genów, więc teraz mają 1207.
Słonie także straciły geny – 168. Nawet jeśli słonie mają zdumiewający zmysł węchu (a tego po prostu nie wiemy), nie było to wynikiem zwykłego dodawania nowych genów. Niektóre geny mogły być dla nich bezużyteczne – ale pozostawać użyteczne u innych gatunków. Nie wiemy jednak, dlaczego straciły te 168 genów.
To drzewo pokazuje inne dziwaczne cechy. Jeśli przejdziesz w dół drzewa od wspólnego przodka do szczurów, zobaczysz, że ich przodkowie zyskiwali netto geny przez pierwsze mniej więcej 10 milionów lat, po czym nastąpiło przynajmniej 20 milionów lat strat, a następnie znowu wielkie uzyskiwanie genów. Nikt nie umie powiedzieć, dlaczego były te górki i dołki.
Nasza historia ewolucyjna ma własne tajemnice. Bez wątpienia my, ludzie, jesteśmy żałośni, jeśli chodzi o geny receptorów węchu. Wielu naukowców zgaduje, że nasi naczelni przodkowie przeszli do polegania bardziej na wzroku w celu znajdowania pokarmu i atrakcyjnych partnerów. Ten argument zakłada, że w parze z lepszym wzrokiem szła utrata węchu. Nie możemy jednak iść zbyt daleko w lekceważeniu węchu w naszej ewolucji. W końcu, jak pisał wiosną mój kolega po piórze Ed Yong, nadal wyczuwamy tryliony różnych zapachów. Z jakiegoś powodu inne małpy, człeko- i zwierzokształtne, mają mniej genów receptorów węchu niż my. Jest szczególnie intrygujące rozważenie wszystkich genów, jakie zyskaliśmy, mimo że nasza kolekcja receptorów kurczyła się. Mamy 18 rodzajów receptorów węchu nie znalezionych u żadnych innych ssaków, nawet u szympansów, naszych najbliższych krewnych. Do czego, u licha, ich używamy?
To drzewo reprezentuje wszystko, co wiemy o ewolucji tych genów u ssaków. Na Ziemi jest jednak około 5 tysięcy innych gatunków ssaków i dodanie ich gałęzi ujawniłoby bardzo wiele. Jak widzicie na tej ilustracji słonie są tylko dalekimi krewnymi gryzoni, naczelnych i innych gatunków, które zbadano jak dotąd. W rzeczywistości słonie mają wielu żyjących krewnych, takich jak manaty i góralki. Byłoby ciekawe zobaczenie, czy ich olbrzymi zestaw genów rósł stopniowo, czy też wybuchł po tym, jak nabyły swoje trąby.
Tymczasem nasza gałąź wywołuje dalsze pytania. Czy Neandertalczycy mieli identyczny zestaw genów receptorów węchu jak my? Zastanawiam się, jak pachniałaby róża dla Neandertalczyka?
The tree of smells
The Loom, 13 sierpnia 2014
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
Carl Zimmer
Wielokrotnie nagradzany amerykański dziennikarz naukowy publikujący często na łamach „New York Times” „National Geographic” i innych pism. Autor 13 książek, w tym „Parasite Rex” oraz „The Tanglend Bank: An introduction to Evolution”. Prowadzi blog The Loom publikowany przy „National Geographic”.
