Mají savci feromony?

Chemická komunikace je způsob předávání a rozpoznávání látek, jímž živočichové získávají informace o jiných jedincích, o jejich pohlaví a věku, o možných predátorech či o potravě, a hlavně o prostředí, ve kterém žijí. V posledních letech jsme se o jejím fungování u savců dozvěděli leccos překvapivého.

Chemické informace jsou u savců detekovány nozdrami či nosem pomocí hlavního čichového orgánu ukrytého v čichovém epitelu nebo pomocí vomeronazálního orgánu umístěného v trubici na bázi nosního septa a kosti radličné. Každý z těchto dvou orgánů má trochu jinou funkci, nicméně se vzájemně doplňují a v kombinaci zvyšují limity v detekci a spektru pachového n-dimenzionálního hyperprostoru.

Co to znamená? Každý pach je reprezentován kombinací mnoha molekul, zpravidla těkavých, jejichž poměrné zastoupení ve směsi tvoří charakteristický profil či „podpis“ (angl. signature mixtures) příslušného pachu. Detekci pachů provází typický postoj, kterému se u kopytníků říká flémování (z německého slova flehmen): jedinec protáhne krk, našpulí horní pysk a nasává směs pachů do vomeronazálního orgánu.

Staré časy

Na konci padesátých let minulého století publikovali Peter Karlson a Martin Lüscher v časopise Nature zásadní článek [1]. Přišli v něm s převratným konceptem biologicky aktivních látek, které u příjemce stimulují relevantní změny ve fyziologii a chování, a nazvali je feromony. Tyto látky jsou produkovány jedincem, dostanou se na povrch těla či jsou vyloučeny různými typy sekrece a obdobně jako hormony stimulují změny v chování příjemce. Vzápětí se s rozvojem chromatografických technik objevily první práce, které feromony potvrdily. Jedním z autorů byl i Adolf Butenandt, který u bource morušového (Bombyx mori) objevil a pojmenoval feromon bombykol, jímž samičky lákají samce. Od té doby se objevila řada prací, které odhalovaly nové feromony u mnoha druhů (hlavně) hmyzu.

Seznamovací chování. A. O samotě se myš čistí tak, že nanese sliny na packy předních končetin a probírá místa, na která dosáhne (angl. self-grooming). Tím zároveň vnáší své chemické signály ze slin do srsti. B. Když se setkají dvě myši (samec vpravo, samice vlevo), nejdříve se očichávají v hlavové oblasti (ústa, oči, boky). C. Samec zpravidla prodlužuje kontakt tím, že poskytuje čištění srsti samičky (angl. allo-grooming). D. To mu pak umožní identifikovat reprodukční stav samice na základě jejích pachů v anogenitální oblasti.

Snímky Romana Stopková

O tom, že hmyz používá feromony a že mnoho takových látek je produkováno druhově specificky, nebylo pochyb. V druhé polovině 20. století se však začalo spekulovat, že feromony mají i jiní živočichové, včetně savců. Prvním badatelem, který ukázal, že „něco“ je ve vzduchu, byl Wesley K. Whitten. V jednoduchých experimentech prokázal, že i pouhá samčí moč stačí myším samičkám k vyvolání estru (říje), a pokud je v kleci více samiček, dochází k synchronizaci ovulačního cyklu. Teď již jen stačilo popsat, které feromony to jsou.

V devadesátých letech využil prof. Miloš Novotný hmotnostní spektrometrii spřaženou s plynovou chromatografií a objevil v moči myší několik vysoce biologicky aktivních látek (SBT, DB, 6-hydroxy-6-methyl- 3-heptanon, α- a β-farnesen), které v kontrolovaných experimentech stimulovaly rychlý nástup estrálního cyklu samiček. Pozdější experimenty však ukázaly, že silnou biologickou aktivitu mají spíše směsi těchto látek než každá z nich jednotlivě.

Koncept druhově specifických feromonů se začal bořit, když byly tyto látky (např. farneseny) objeveny i u rostlin, bakterií či u hmyzu. Se zlepšováním metod hmotnostní spektrometrie, a hlavně s jejich zlevněním se začalo ukazovat, že myší chemické signály se např. v moči vyskytují v podobě stovek různých organických látek, tedy nikoli jednotek či desítek. Zásadní ránu konceptu druhově specifických feromonů zasadil fakt, že velké množství látek je sdíleno mezi různými druhy a nezáleží na množství jedné látky, ale na tom, jak jsou všechny tyto látky v organismu „namíchané“. Díky těmto objevům z posledních let dnes většina vědců používá termín „chemické signály“, a feromony tak zůstávají fikcí populárních beletrií.

Odkud pocházejí?

Již v roce 1914 Alexander Graham Bell spekuloval, zda bude vůbec někdy možné vůně či pachy měřit. Minulé a naše století se od sebe liší způsobem, jaké otázky si klademe. Ze všech těch stovek článků z 20. století je zřetelná chuť po objevování feromonů, zatímco v tom současném se mnohem více ptáme, odkud pocházejí. Hmyzí výzkumy jsou v různých ohledech dál, protože se již ví, jak jsou některé chemické signály produkovány, a výsledkem jakých metabolických drah tedy jsou.

Obdobným způsobem jako myš na předchozí sérii obrázků se seznamuje většina hlodavců včetně myšic, v tomto případě myšice křovinná (Apodemus sylvaticus). Samec je vpravo.

Snímek Romana Stopková

První odpovědi na otázku, jak je to se savčími chemickými signály, přišly s narůstajícím počtem sekvenovaných genomů. Jakmile byl znám genom myši, ukázalo se, že řada látek objevených Milošem Novotným není produkována samotnou myší, protože ta k tomu zkrátka nemá genetickou výbavu, a tudíž ani enzymy (např. syntázy), jejichž působením na uhlovodíkový substrát takové látky vznikají. Výzkumy mikrobiomů ukázaly, že tyto látky (např. terpenoidy) produkuje řada symbiotických bakterií, které sdílejí prostředí myšího, ale i našeho trávicího traktu. Z těla jsou pak tyto látky vyloučeny např. močí, slinami či potem hostitele a fungují jako chemický signál. Tím se ale koncept chemických signálů dostal pod taktovku dawkinsovského konceptu rozšířeného fenotypu. Podobně jako chrostík, jehož larvy používají kamínky či jiný substrát k svému obalení, nemá kamínky v genech, i myš produkuje chemické signály, které nemá v genech, ale vyrobí je pro ni někdo jiný, v tomto případě její bakterie s využitím potravy, kterou myš konzumuje.

Jsou chemické signály stabilní?

Dlouhá léta v evolučních teoriích platilo, že chemická signalizace je pod selekcí a že by měla být stabilní bez ohledu na stav (reprodukční, zdravotní) či fyziologické změny. Už to ale neplatí. Práce publikované v posledních dvaceti letech (včetně prací naší laboratoře) ukázaly, že koncentrace a profily chemických signálů se mění v průběhu reprodukčních cyklů myších samiček a že za touto změnou jsou i bakterie reprodukčního orgánu, protože bakteriální profily a profily chemických signálů korelují na úrovni komponent v mnohorozměrných analýzách.

To příliš překvapivé nebylo, protože obdobný jev byl již dávno zjištěn i u lidí v případě cyklického předovulačního nárůstu bakterií rodu Lactobacillus. Tyto bakterie okyselují vaginální prostředí a brání ostatním mikroorganismům v jejich růstu. U myší dochází k podobnému jevu s rodem Rodentibacter. Je možné, že plní obdobnou funkci, protože diverzita mikrobiálního společenstva vaginálního prostředí se v době ovulace sníží. Tím se změní i pachové profily samic. [2] Z etologických experimentů opakovaných v mnoha laboratořích víme, že sameček dle pachu spolehlivě pozná, zda je samička receptivní. Za zmínku jistě stojí i fakt, že pokud se volně žijící myš přenese do prostředí laboratorních chovu, zredukuje se její mikrobiota, změní se chemické signály v moči a obecně její fyziologie i chování. Takové objevy přispěly i k pochopení současného lidského života, protože vysoká úroveň hygieny v moderním světě může být jednou z příčin řady autoimunitních chorob jako důsledku nepotkávání se s bakteriálními antigeny.

Za vším hledej mozek

Původní teorie, že existuje jedna unikátní látka (feromon), která téměř automaticky zapíná chování příjemce, byla pro určitou část vědců atraktivní, protože „svět zvířat“ zjednodušovala na cosi automaticky řízeného a člověku dávala naději na unikátnost a nadřazenost. Osobně mi přijdou takové pohledy liché, protože jak konstatoval už Charles Darwin, člověk nemá nic, co by – byť v nějaké jednodušší či jiné podobě – neměli i ostatní živočichové. V rámci evolučního kontinua je to tedy očekávatelné. Zvířata přemýšlejí, protože kdyby bylo vše řízeno automaticky nějakými produkty genů, muselo by být genů mnohonásobně více. Genomy člověka a myši jsou ale, co se počtu genů týče, velmi podobné, obsahují jich jen něco málo přes dvacet tisíc. Musíme se tedy mnoho věcí naučit, a v tom spočívá podstata podobnosti mezi námi a jinými zvířaty.

„Za vším hledej mozek“ je teze, která vychází z mého přesvědčení, že vrcholem pyramidy chemické komunikace je mozek, jehož „nadrátování“ v podobě neurálních projekcí a spojů není triviální. Chemické signály jsou detekovány receptory čichového nebo přídatného čichového orgánu, které „sedí“ na membráně čichového neuronu. Část receptorů je na vnější membráně panožek čichového neuronu, druhá část je vnitrobuněčná a pomocí heterotrimerických G-proteinů zahajuje v reakci na chemický signál depolarizaci membrány. Dlouhé axony pak předávají tuto informaci do mozku, konkrétně do čichového laloku v případě čichového orgánu nebo do přídatného čichového laloku v případě vomeronazálního orgánu.

Genů pro takové receptory má myš více než 1500, zatímco člověk pouze okolo 350. Z počtu receptorů je patrné, že pro myš je čich důležitějším smyslem než pro člověka, který v evoluci vomeronazální orgán ztratil (stejně jako všichni lidoopi či už náš společný předek).

Z patnácti set myších receptorů je navíc 200 receptorů vomeronazálních (VNR). Většina těchto VNR detekuje těkavé organické látky (receptory V1R), zatímco menšina je schopna detekovat látky rozpustné například ve slinách či moči (V2R). U vodních obratlovců a obojživelníků je to naopak, mají více vomeronazálních receptorů typu V2R, zaměřených na rozpustné chemické signály. To jim umožňuje lépe se orientovat ve vodním prostředí a například lososům návrat na trdliště v horních tocích řek.

Aktivita obou čichových orgánů se dá u savců měřit. Využívají se k tomu specifické protilátky, které na histologických řezech rychle odebraných z myších mozků detegují zvýšenou nebo sníženou aktivitu konkrétních neuronů. Takto můžeme pomocí konfokálního mikroskopu v čichovém laloku změřit, kolik kterých neuronů je „zapnuto“ jako reakce na specifický podnět, např. myší moč.

V poslední době se navíc začala využívat nová metoda, kdy se do specifické oblasti v mozku vsune elektroda, která dokáže měřit tisíce neuronů najednou. To umožnilo doslova revoluci v neurovědách. Touto metodou se dají zvířecí modely použít opakovaně s podáváním různých stimulů. To umožnilo prokázat, že konkrétní stimuly typické pro druh, pohlaví či zdravotní stav jsou stabilně a stereotypně (tj. přes různé jedince) reprezentovány konkrétními specializovanými neurony [3, 4]. Co to znamená? Kombinace chemických signálů typických pro různé znaky a jedince „zapíná“ konkrétní neurony a dráhy, které tuto informaci integrují v přídatném čichovém laloku a následně je komplexní informace předána do dalších částí mozku, kde jsou stimulovány relevantní etologické projevy, jako je např. dvoření a páření. Je zajímavé, že za objev chemosenzorických receptorů a kombinatoriální působení chemických signálů byli Richard Axel a Linda Buck oceněni Nobelovou cenou teprve v roce 2004. Jedná se tedy o velmi mladou oblast zkoumání.

Jak se to dá využít?

Odpověď na otázku po smyslu výzkumů chemické komunikace má dvě roviny. V prvé řadě se chceme dozvědět něco o sobě a o životě obecně. Co máme s jinými živočišnými druhy společné, v čem se lišíme, jak se čichová komunikace během evoluce vyvinula a jak přesně funguje? V případě chemické ekologie se ale nabízejí i ryze praktické aplikace. Pokud pachový profil s vysokou spolehlivostí vypovídá o stavu jedince, bylo by pomocí elektronického „nosu“ možné detekovat podezřele nervózní jedince na letištích, včas diagnostikovat nemoci (viz také s. 396) či určovat plodné dny žen plánujících těhotenství.

Na konceptu elektronického nosu se pracuje v mnoha laboratořích po celém světě již od osmdesátých let minulého století. Jedná se o procesorem vybavené čipy nesoucí stovky obdob receptorů pro různé látky. Náročné je naprogramovat čip tak, aby dokázal spojit pachový podpis s konkrétním fenotypem. Právě s tím mohou pomoci vědci, kteří se chemickou ekologií zabývají. Díky moderním a stále se zlevňujícím přístrojům v oblasti hmotnostní spektrometrie se dnes tato technologie rychle rozvíjí.