אבולוציה של חוש הריח

מולקולות ריח מתגלות על ידי קולטני הריח  שנמצאים באפיתל שבחלל האף. כל סוג קולטן הוא תת-קבוצה של נוירונים המתחברים ישירות לפקעת הריח שבמוחYoung, J. M., & Trask, B. J. (2002). "The sense of smell: genomics of vertebrate odorant receptors". Human Molecular Genetics, 11 (10), 1153-1160.. חוש הריח חיוני להישרדות אצל רוב בעלי החוליות. עם זאת, המידה בה תלוי כל מין בחוש זה משתנה מאודHoover, K. C. (2010). "Smell with inspiration: the evolutionary significance of olfaction". American Journal of Physical Anthropology, 143 (S51), 63-74.. כפי שמוצג באמצעות ניתוחים ביואינפורמטיים, קיימת שונות גדולה במספר הגנים לקולטני הריח של בעלי חוליות. מגוון זה נובע מטווח הסביבות הרחב בהן חיים בעלי החוליות. כך לדוגמה, לדולפינים שהסתגלו לסביבה ימית בשלב מאוחר יש תת-קבוצה של גנים שקטנה משמעותית ביחס לרוב היונקיםNiimura, Y. (2012). "Olfactory receptor multigene family in vertebrates: from the viewpoint of evolutionary genomics". Current Genomics, 13(2), 103..

קבוצת הגנים לקולטני הריח קשורה לשינויים בחושים אחרים. פרימטים עם מערכות ראייה מפותחות יותר נוטים להיות בעלי מספר קטן יותר של גנים לקולטני ריח. חקירת השינויים האבולוציוניים של גנים לקולטני הריח יכולה לספק מידע שימושי על האופן שבו הגנום מגיב לשינויים סביבתיים. שונות ברגישות לריח תלויה גם באנטומיה של מנגנון הריח, כגון גודל פקעת הריח ואפיתל.

על אף ההבדלים לעיל, המאפיינים הכלליים של מערכת הריח נשמרים היטב בקרב בעלי חוליותEisthen, H. L. (1997). "Evolution of vertebrate olfactory systems". Brain, Behavior and Evolution, 50 (4), 222-233.. בדומה למערכות חושיות אחרות, תחושת הריח עברה שינויים קטנים למדי לאורך האבולוציה של בעלי החוליות. ניתוחים פילוגנטיים חושפים כי לפחות שלוש תת-מערכות של חוש הריח נמצאות בעקביות בכל בבעלי חוליות ומערכת עזר רביעית (איבר יעקובסון) התפתחה רק בבעלי ארבע רגליים.

 אבולוציה מולקולרית 
אבולוציה מולקולרית של חוש הריח נגרמת כתוצאה ממוטציות המשפיעות על גנים קולטני הריח בכרומוזום הן האחראיות העיקריות לאבולוציה של חוש הריח. הגנים לקולטני הריח מקובצים באשכולות לאורך מספר כרומוזומים ואחראים לקידוד חלבוני קולטני ריח. חלבונים אלו מכילים שבעה תחומים טרנסממברניים האחראים על זיהוי קבוצות ספציפיות של מולקולות ריחNei, M., Niimura, Y., & Nozawa, M. (2008). "The evolution of animal chemosensory receptor gene repertoires: roles of chance and necessity". Nature Reviews Genetics, 9 (12), 951-963.. גנים של קולטני הריח ממוקמים באזורים בכרומוזום הנוטים לשגיאות, וכתוצאה מכך, ה-DNA של גן הקולטן משוכפל מעת לעת במהלך ההצלבה. אחרי שכפול כזה, אחד משני הגנים עלול לעבור מוטציה שמשביתה את תפקודו ולהפוך אותו לפסאודוגן. לחלופין, העותק המשוכפל עשוי לעבור מוטציה ולהישאר פעיל. גן זה ימשיך ליצור את אותו קולטן ריח אך עם שינויים מבניים. התאמת חלבון זו יכולה לגרום לשינוי עדין בטווח הריחות שהחיה יכולה להריח. מגוון הגנים של חוש הריח הקיימים בבני אדם כיום מיוחסים לסבבים רבים של מוטציות שהתרחשו לאורך האבולוציה של בעלי החוליות.

סבבים חוזרים ונשנים של שכפול גנים, מחיקה והתפתחות פסאודוגנית תורמים למגוון של מספר הגנים קולטני ריח. דינמיקה זו, המכונה באופן רשמי "אבולוצית לידה ומוות", נמדדת מספר ה״רווח וההפסד״ האלה בכל ענף של העץ הפילוגנטי המדובר. ניתן להשתמש בשיטות סטטיסטיות כדי להעריך את המספר שלהם, העשוי להגיע לכמה מאות לכל ענף בעץNozawa, M., & Nei, M. (2007). "Evolutionary dynamics of olfactory receptor genes in Drosophila species". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 104 (17), 7122-7127.. מעבר לכך, מספר הרווחים וההפסדים יכולים להיות עצומים גם אם לשני מינים יש אותו מספר גנים (לדוגמה, בני אדם ומקוקים).

הסתגלות ואירועים אקראיים יכולים לגרום לאבולוצית לידה ומוות. שכפול גנים נובע מאירועים מקריים ומתרחשת בעיקר באמצעות הצלבה לא שווה (לא כולל שכפול הגנום השלם, שהוא אירוע נדיר). לחלופין, הקיבוע של גנים כפולים יכול להיות מושפע מהברירה הטבעית או באופן אקראיNozawa M, Kawahara Y, Nei M. (2007). "Genomic drift and copy number variation of sensory receptor genes in humans". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104: 20421–20426.. בתוך העץ הפילוגנטי של היונקים, נצפים מספר רב של רווחים והפסדים של גנים כמעט בכל הענפים, מה שמצביע על כך שחלק ניכר מהשינויים במספר הגנים נגרמו מאירועי השבתה ושכפול גנים אקראי. תהליך זה מכונה סחף גנומי, או "סחף גנטי אקראי בשכיחות גנים" בגנטיקה של אוכלוסיות. פסאודוגנים נתונים גם לסחף גנומי, מכיוון שהם מוצגים כלא פונקציונליים ונראה שהם מתפתחים בצורה נייטרליתLi, W. H., Gojobori, T., & Nei, M. (1981). "Pseudogenes as a paradigm of neutral evolution". Nature, 292 (5820), 237-239..

 יוחסין 
לפחות תשע קבוצות של גנים קולטני ריח (α,β,γ,δ,ε,ζ,η ו-θ) זוהו בבעלי חוליות. כל אחת מהן נגזרת מגנים קדמוניים הקיימים אצל האב הקדמון המשותף לבעלי ארבע רגליים ולדגים. באופן ספציפי, הגנים לקולטני ריח של בעלי חוליות נגזרים מדפוס אבולוציוני של שלוש שושלות נפרדות: דגים, דו-חיים ויונקיםNiimura Y, Nei M. (2005). "Evolutionary dynamics of olfactory receptor genes in fishes and tetrapods". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 :6039–6044..

 בעלי חוליות ודגים מוקדמים 
 גנטיקה 
חוש ריח של בעלי חוליות הופיע לראשונה במערכת אקולוגית מימית, בה מים היו אמצעי ההעברה העיקרי של חומרי ריח. אזמלוניים, מחלקה של מיתרניים ימיים דמויי דגים, הם האבות הקדמונים המרוחקים ביותר שחולקים את אותם קולטני ריח עם בני אדם. הם התפצלו מהאבות הקדומים שלנו לפני כ-550 מיליון שנה, זמן קצר לפני התפתחות עיני המצלמה והמוח. למרות שהאזמלוניים חסרי איבר ריח, הם בעלי 40 גנים קולטני ריח המשובצים לאורך אגפיהם כדי לזהות מולקולות ריח מהסביבה המימית שמסביבם. יתר על כן, גנים רבים של קולטני ריח מסוג חולייתנים נמצאו בגנום שלהם. האב הקדמון המשותף של חולייתנים ומיתרני זנב, בעלי חוש ריח, פיתחו את מערכת הריח יותר מאשר האזמלוניים.

חקר הגנים של קולטני הריח בצמדאים שחיו עד לפני כמעט חצי מיליון שנה מספק תובנה עמוקה לגבי מקורות חוש הריח אצל בעלי חוליותFreitag, J., Krieger, J., Strotmann, J., & Breer, H. (1995). "Two classes of olfactory receptors in Xenopus laevis". Neuron, 15 (6), 1383-1392.. תבניות שהם מסימני ההיכר של קולטני ריח של בעלי חוליות אובחנו בעת בידוד גנים של קולטני ריח של צמדאים. אנליזה פילוגנטית שהשוותה את הגנים של קולטני ריח של דגים ויונקים גילתה כי קולטני הריח של צמדאים התפצלו מבעלי חוליות מתקדמים יותר לפני תחילתם של גנים מסוגי I ו-II. כמו כן, נמצא שאוסף הגנים של קולטני הריח של צמדאים היה קטן יחסית. שכפול גנים וסחיפה גנטית הרחיבו אותם על פני זמן אבולוציוני, מה שתומך ברעיון שרצף קולטני הריח של צמדאים מייצג משפחת קולטני ריח קדומהMezler, M. A. R. I. O., Konzelmann, S. I. D. O. N. I. E., Freitag, J. O. A. C. H. I. M., Rossler, P., & Breer, H. E. I. N. Z. (1999). "Expression of olfactory receptors during development in Xenopus laevis". The Journal of Experimental Biology, 202 (4), 365-376..

המגוון העצום של איברי חוש הריח מיוחס במידה רבה להיסטוריה האבולוציונית הארוכה של דגיםHara, T. J. (1975). "Olfaction in fish". Progress in Neurobiology, 5, 271-335.. דגים, שהם מחלקה קדומה יותר באבולוציונית חולייתנים, נושאים מספר גנים קולטני ריח קדומים על הכרומוזום שלהם, אך קיימת שונות רבה בגנים הללו בין פרטים ומיניםShi, P., & Zhang, J. (2009). "Extraordinary diversity of chemosensory receptor gene repertoires among vertebrates". In Chemosensory Systems in Mammals, Fishes, and Insects (pp. 57-75). Springer Berlin Heidelberg.. לדגים מערכות חוש ריח חלשות בהשוואה ליונקים והם מכילים רק כ-100 קולטני ריח, בעוד שרוב היונקים הם בעלי בין 500 ל-1000 קולטנים.

 קולטני ריח מסוג I ו-II 
אנליזה פילוגנטית מתארת שני סוגים עיקריים של גנים לקולטני ריח שמקורם בבעלי חוליות מוקדמים: גנים מסוג I, האחראים לקידוד חלבונים המזהים חומרי ריח מסיסים במים, וגנים סוג II, הקשורים לזיהוי מולקולות ריח באוויר. שני הסוגים משמשים כמבנים דומים בדגים ובבעלי ארבע רגלייםMezler, M., Fleischer, J., & Breer, H. (2001). "Characteristic features and ligand specificity of the two olfactory receptor classes from Xenopus laevis". The Journal of Experimental Biology, 204 (17), 2987-2997..

מיני דו-חיים מסוימים הם בעלי שני סוגי קולטני הריח, בניגוד לדגים או יונקים. קולטנים מסוג I שלהם נמצאים בדיברטיקולום צדדי, באזור המתמחה תגובה לחומרי ריח מסיסים במים קולטנים סוג II נמצאים בדיברטיקולום האמצעי המתמחה באיתור ריחות נדיפים.

 מבנה 
כל הדגים קולטים ריחות באמצעות מבנים דמויי נחיריים. רובם חסרים איבר יעקובסון, אך הם עדיין מסוגלים לזהות פרומונים באמצעות גנים הקשורים לאיבר זה. במקומו יש לדגים אפיתל חושי המכיל שלושה סוגים של תאי חוש ריח, שניים מהם אחראים על פרומונים מיניים וחברתייםDøving, K. B. (2002). "The alarm reaction in crucian carp is mediated by olfactory neurons with long dendrites". Chemical Senses, 27 (4), 395-398.. בהתחשב בפיזור האיטי של מולקולות ריח במים, סביר מבחינה אבולוציונית להחזיק רק סוג אחד של תאים המוקדש לחומרי ריח ושני תאים המוקדשים לתקשורת כימית.

 בחירה 
דגים משתמשים בעיקר בפרומונים לצורך התנהגות חברתית כגון איתותים חברתיים ורבייתיים והימנעות מטורפים. פרומונים נגד טורפים משתנים בין המינים; חלקם עשויים לפלוט אותות כימיים המעוררים שינויים פיזיולוגיים (כגון הגדלת עומק הגוף), אחרים פולטים אותות המעודדים התחמקות (שחרור אותות ריח של בני אותו מין מתים). זיהוי פרומונים נמצא בשימוש רב גם בזיהוי קרובי משפחה, שיפור התחברות לצורך הישרדות (למשל כדי לנוע יחד בנחיל) ואיתותי נדידה. פרומונים מיניים מאפשרים להבחין בין זכר לנקבה לצורך הזדווגות והשרצה.Sorensen, P. W., & Stacey, N. E. (2004). "Brief review of fish pheromones and discussion of their possible uses in the control of non‐indigenous teleost fishes". New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research, 38 (3), 399-417..

 בעלי ארבע רגליים ודו-חיים מוקדמים 
 גנטיקה 
התפצלות אבולוציונית של גן קולטני הריח התקיימה במקביל בתקופת דומיננטיות הזוחלים לפני כ-200 מיליון שנה. סביר להניח שהדבר מצביע על היווצרות מינים רבים או שינוי הסתגלותי במינים הנפוצים. בעלי ארבע רגליים הקדומים ביותר חיו בסביבות מימיות לפני המעבר הראשוני ליבשה. באופן דומה, גם דו-חיים מודרניים חיו במים לפני שעברו ליבשה. הסתגלות כפולה זו אפשרה לבעלי ארבע רגליים המוקדמים ודו-חיים מאוחרים לנצל משאבים בשתי הסביבות. כתוצאה מכך, לדו-חיים מודרניים יש איברי ריח המתמחים באיתור ריחות נדיפים ומסיסים במים כאחד. הם מזהים חומרי ריח במים באופן דומה לדגים, על ידי כך מילוי חלל האף במיםReiss, J. O., & Eisthen, H. L. (2008). "Comparative anatomy and physiology of chemical senses in amphibians". In Sensory Evolution On the Threshold: Adaptations in Secondarily Aquatic Vertebrates. University of California Press, 43-63., פעולה המתבצעת על ידי משאבת הנשימה.

צלקנתאים נחשבים כמין ביניים בין דגים בעלי ארבע רגליים מכיוון שהם מכילים בליטות דמויות גפיים. אחד המינים באלה, הלטימריה אפריקנית, מעורר עניין מיוחד מכיוון שהוא מכיל גנים מסוג קולטני ריח מסוג II הנמצאים ביונקים ובדו-חיים אך לא בדגיםFreitag, J., Ludwig, G., Andreini, I., Rössler, P., & Breer, H. (1998). "Olfactory receptors in aquatic and terrestrial vertebrates". Journal of Comparative Physiology A, 183 (5), 635-650.. מחקרים עדכניים בנושא אוסף קולטני הריח של הצלקנתאים, מין הקרוב ביותר לבעלי ארבע רגליים, קובעים שלאב הקדמון המשותף של יונקים ודגים היו גנים קולטני ריח מסוג I ו-II

 מבנה 
בעלי ארבע רגליים מציגים מערכת ריח עיקרית ומערכת עזר. חוש הריח העיקרי נגזר מהמערכת העצבית העתיקה יותר, הקיימת באופן נרחב על פני חרקים ויונקיםSmith, T. D., Rossie, J. B., & Bhatnagar, K. P. (2007). "Evolution of the nose and nasal skeleton in primates". Evolutionary Anthropology, 16 (4), 132-146.. מערכת זו מתמחה באיתור מולקולות נדיפות באוויר. מערכת הריח העזר היא המבנה שהתפתח בשלב מאוחר יותר, המופיע לראשונה באב הקדמון המשותף של בעלי שפיר עוברי ודו-חיים מודרניים. נראה כי זיהוי מולקולות לא נדיפות וכימורספציה הוא התפקיד העיקרי של מערכת זו, שכן האיבר העזר (איבר ג'ייקובסון) מכיל קולטנים האחראים על דגימה סביבתיתRouquier, S., & Giorgi, D. (2007). "Olfactory receptor gene repertoires in mammals". Mutation Research, 616 (1), 95-102.. מחקר כמותי הצביע על כך שהגודל היחסי של פקעת הריח הראשית נמצא במתאם גבוה להתאמה אקולוגית, בעוד שגודלו היחסי של פקעת ריח העזר קשור לגורמים חברתיים-מינייםBarton, R. A., Purvis, A., & Harvey, P. H. (1995). "Evolutionary radiation of visual and olfactory brain systems in primates, bats and insectivores". Philosophical Transactions of the Royal Society B, 348(1326), 381-392..

אובדן אבולוציוני של מערכת העזר נצפה במספר שושלות של בעלי ארבע רגליים ומשוער שהסיבה היא חפיפה בתפקוד עם מערכת הריח הראשיתSmith, T. D., & Bhatnagar, K. P. (2004). "Microsmatic primates: reconsidering how and when size matters". The Anatomical Record Part B: The New Anatomist, 279 (1), 24-31.. הפחתת גנים קולטנים באיבר יעקובסון מיוחסת לעיתים קרובות למעבר של בעלי ארבע רגליים ממים ליבשהShi, P., & Zhang, J. (2007). "Comparative genomic analysis identifies an evolutionary shift of vomeronasal receptor gene repertoires in the vertebrate transition from water to land". Genome Research, 17 (2), 166-174.. עם זאת, למעט ענף ההארכיזאור מערכת העזר קיימת לפחות באופן פרימיטיבי בכל הקבוצות הגבוהות של בעלי ארבע רגליים.

הגולגולת של ההדרוקודיום, מין נכחד הנחשבים זוחל ממנו התפתחו היונקים הראשונים, חשפה מידע משמעותי אודות שינויי חוש הריח אצל הזוחלים. בהשוואה לצאצאיהם, סריקות CT של גולגולות אלו גילו כי פקעת הריח גדלה לאורך פרקי זמן ארוכים והגיעה לבסוף לחוש הריח של היונקים, מה שמרמז על מעבר גנים קולטני ריח מזוחלים ליונקיםRowe, T. B., Macrini, T. E., & Luo, Z. X. (2011). "Fossil evidence on origin of the mammalian brain". Science, 332 (6032), 955-957..

 יונקים 
 גנטיקה 
גנטיקה של חוש הריח של יונקים שונה מהחולייתנים מבחינת גודל משפחת הגנים לקולטני הריח. משפחת גנים זו מהווה 1% מכל הגנום הפעיל ומייצגת את משפחת הגנים הגדולה ביותר בכל המיניםBuck, L. B. (2000). "The molecular architecture of odor and pheromone sensing in mammals". Cell, 100 (6), 611-618.. לכן, יונקים עשויים להוות עדות להתפצלות אבולוציונית שנייה שהתרחשה. לגנים אלו של יונקים יש נטייה להתקבץ על קצוות כרומוזומליים או טלומרים. מיקומם מחדש יהיה מהיר יותר באזורים אלה וזו עדות להתרחבות מהירה של גנים קולטני ריח.

מחקר השתמש בשיטות חדשניות המבוססות על פילוגניה כדי לסווג יותר מ-10,000 גנים של קולטני ריח מ-13 יונקי שליה שונים. הנסיינים הפרידו אותם לקבוצות גנים אורתולוגיות. נמצא שלשושלות של גנים קולטני ריח, שחוו שכפול רב יותר של גנים, הייתה סלקציה מטהרת חלשה יותר בעוד שגנים קולטני ריח סוג II התפתחו באופן דינמי בהשוואה ל-סוג 1Niimura, Y., Matsui, A., & Touhara, K. (2014). "Extreme expansion of the olfactory receptor gene repertoire in African elephants and evolutionary dynamics of orthologous gene groups in 13 placental mammals". Genome Research, 24 (9), 1485-1496..

 מבנה 
יונקים (בניגוד להולכי ארבע אחרים) משתמשים באף כדי לחוש ריחות נדיפים. הופעתן של טורבינות ותעלות האף, הדומות לעצמות ספוגיות בצורת גלילה במעבר האף, הוא אחד המאפיינים המובהקים של האבולוציה שלהן. מבנים אלו מזווגים משני צידי מחיצת האף בקו האמצע, ומקשרים את פתח האף החיצוני ואת פתח האף הפנימי יחדיו. עדויות ראשונות להופעתם מוצגות במאובנים של תראפסידה, שהתפתחו ליונקים. היונקים השלמים הראשונים פיתחו רקמת אף נוספת כדי לשאת יותר נוירונים המעבירים מידע ריח למוחMiyamichi, K., Amat, F., Moussavi, F., Wang, C., Wickersham, I., Wall, N. R., ... & Luo, L. (2011). "Cortical representations of olfactory input by trans-synaptic tracing". Nature, 472 (7342), 191-196.. מבין בעלי שפיר עוברי, היונקים היו הראשונים שפיתחו מערכת מורכבת של טורבינות אף, אשר מגדילות את שטח הפנים של אפיתל הריח. המורכבות של טורבינות משתנה מאוד בין מיני יונקים, אך יש מתאם בין קבוצות פילוגנטיות ולא בסוג הסביבהNegus, V. 1958. Comparative Anatomy and Physiology of the Nose and Paranasal Sinuses. F. and S. Livingstone, Edinburgh.Moore, W. J. 1981. The Mammalian Skull. Cambridge University Press, Cambridge.

 נוכחות של טורבינות 
הגולגולת של ברזילתריום מספקת מידע שימושי בקשר להופעתו של האף ביונקים. הברזיליתריום לא היה יונק אלא הולך ארבע רגליים בעל סינפסידה, אב קדום קרוב לצורות היונקים הראשונות. בקדם-יונק זה בן 227 מיליון שנה ניתן לזהות את הופעתן של טורבינותRuf, I., Maier, W., Rodrigues, P. G., & Schultz, C. L. (2014). "Nasal Anatomy of the Non‐mammaliaform Cynodont Brasilitherium riograndensis (Eucynodontia, Therapsida) Reveals New Insight into Mammalian Evolution". The Anatomical Record, 297 (11), 2018-2030..

קונכית האף, או טורבינות, מורכבת מעצמות קטנות ורקמות רכות המספקות מבנה לאף ומסייעות בתפיסת הריח. עבודה פליאונטולוגית על קדם-יונק אחרים זיהתה אזורים מוגבהים המקושרים בין סדקי המסלול, מעל הלוח המקסילרי. המחקר עדיין לא סיפק מתאם בין רכסים אלה לבין העדויות של טורבינות, כנראה בגלל שרקמתם הסחוסית קשה לשימור. היעדר גולגולות שלמות ביונקים מוקדמים אלה מהווה גם מכשול ללימוד. הגולגולת של הברזילודון הכילה חיך משני המפריד בין האף לפה, ובכך שיפרה את עמידות השלד ושימור מבנה הטורבינות. חוקרים זיהו רסיסים קטנים של עצם בתוך חלל האף של הגולגולת, שהניחו שהם חלק מהטורבינות. המסקנה שהוסקה היא שמבנים אלו שנמצאו בברזילודון מילאו את אותם תפקידים ביונקים מודרניים; באופן ספציפי, הרקמה העליונה הקדמית חיממה את חומרי הריח הנכנסים והחלק האחורי היה אחראי לאיסוף הריח. החלק האחרון המורכב של מבנה האף מצביע על כך שלהברזילודון היה חוש ריח מפותח. אותם מחקרים מצאו גם שקע על פני הלוח המשני, מה שמרמז על נוכחות האיבר של ג'ייקובסון. תצפיות אלו מצביעות על כך שלמין זה היו תכונות המקשרות בין אבותיו בעלי ארבע רגליים ליונקים מאוחרים יותר. לאף הברזילאתריום היו מאפייני מעבר ייחודיים שעוזרים להבהיר את הופעת אפים בולטים של יונקים.

 פרימטים 
 גנטיקה 
מאפיין אחד של פרימטים הוא הדגש המופחת של חוש הריח. חוש הריח נתפס לעיתים קרובות כחוש מיוחד בעל חשיבות הפוחתת עם הופעתו של תפקוד עצבי גבוה יותר ובשל כך הוא הצטמצם במהלך האבולוציה של הפרימטים. חלק מהחוקרים מתייחסים לאובדן חשיבות של חוש הריח להופעת הראייה המורכבת. מינים רבים של פרימטים מעבירים חלק גדול של פסאודוגנים קולטני הריח, כאשר הרמות הגבוהות ביותר מוצגות בבני אדם, שימפנזים וגורילות. בני אדם מכילים רק כ-400 גנים פונקציונליים, בניגוד ל-600 פסאודוגנים קולטני הריח המצויים בגנום. פער זה מוסבר על ידי התפתחות הראייה החדה קופים צרי-אף (קופים וקופי העולם הישן) לפני 40 מיליון שנה, כלומר בתקופה שבה כדור הארץ נעשה קר יותר. הראייה הטריכרומטית התפתחה כדי לשפר את התפיסה למרחקים ארוכים ולחפש פירות בשלים, תוך צמצום היתרון הסלקטיבי של החזקת רפרטואר גנים גדול של קולטני ריח.

לעומת זאת, קופי היללות של העולם החדש (שאגן) פיתחו באופן עצמאי ראייה טריכרומטית שגרתית, אך עדיין מבצעים תקשורת פרומונים ויכולות חוש הריח שלהם לא פחתה. הדבר מוסבר בכך שלמרות שהראייה המשופרת החלישה את רגישות חוש הריח, זה לא הפך מיותר והוא הועיל בבית גידול בג'ונגלGilad, Y., Wiebe, V., Przeworski, M., Lancet, D., & Pääbo, S. (2004). "Loss of olfactory receptor genes coincides with the acquisition of full trichromatic vision in primates". PLoS Biology, 2 (1), e5..

 בחירה 
אצל פרימטים, חוש הריח חשוב בעיקר לאיתות חברתי ואסטרטגיות תזונתיות. עדויות רבות מצביעות על כך שהתנהגויות חברתיות הקשורות בריח, כמו ריחרוח וסימון ריח, מהוות חלק מהתקשורתיות בין מיני פרימטים. לדוגמה, סימון ריח עם הפרשות בלוטית הוא אמצעי איתות נפוץ אצל בעלי אף לח. בין קופי צרי-האף, כל סוגים הומינואידים מכילים בלוטות ריח עוריות מיוחדות (כלומר בלוטות אפוקריניות בבית השחי) כדי לזהות רמזים ארומטייםDixon, A. F. (1998). "Sexual selection and evolution of seminal vesicles in primates". Folia Primatologica, 69 :300–306.. מחקרים גם מצאו קשרים בין תפקוד חוש הריח והעדפת בני הזוג במגוון רחב של פרימטים, כולל בני אדם.

 פיצוי של חוש הריח 
במהלך המאה העשרים פותחו תיאוריות רבות הודות למקורן של התאמות חושיים של פרימטים. לצד ההתקדמות אבולוציונית הבאה לידי ביטוי ביכולת ההתאמה של מבנים חזותיים ומישוש, חלה הפחתה ביכולות חוש הריח. תיאוריה זו פותחה עוד על ידי לה גרוס קלארק, בטענה שהחלשת חוש הריח קשורה לצורך המופחת בחוש זה בסביבתם של עציםClark, W. L. G. (1935). "Man's Place Among the Primates". Man, 1-6.. תיאוריה זו אותגרה מאוחר יותר בקיומם של יונקים החיים בסביבה זו ולא מציגים הסתגלות דומה לזו של פרימטים (באופן ספציפי, תחושת ריח מופחתת), אך עדיין התאימו עצמם לסביבהCartmill, M. A. T. T. (1974). "Pads and claws in arboreal locomotion". Primate Locomotion, 45-83.. יתר על כן, ישנם פרימטים בעלי אף לח שהם בעלי ההתנהגות החברתית של סימון ריח גם בבתי גידול של עצים וגם על אדמהLewis, R. J. (2006). "Scent marking in sifaka: no one function explains it all". American Journal of Primatology, 68 (6), 622-636.. לפרימטים של העולם החדש החיים בסביבת עצים (קופים רחבי-אף) יש בלוטות ריח עור ואותן תכונות סימון ריח כמו של בעלי אף לח. מחקרים סיפקו הסבר מבני להפחתת תחושת הריח בפרימטים, וטענו ניוון של אזור האף נובע מצפיפות של חלל האף בשילוב עם אורביטים מתכנסים.

 מבנה 
מלבד מבנה אף חיצוני, חלק מהפרימטים מכילים איבר יעקובסון כדי לזהות חומרי ריח בעלי משקל מולקולרי גבוה יותר. ניתוח גנומי טען כי קולטני איבר יעקובסון נפגעו לפני כ-23 מיליון שנים באבולוציה של הפרימטים, לפני הופעת הפרידה של קופים הומנואידים מהעולם הישן. יתרה מזאת, הרבה ראיות מתארות שכל מערכת חוש ריח העזר הפכה ללא פונקציונלית בתקשורת פרומונאלית לפני שההתבדלות הזו התרחשהCave, A. J. E. (1973). "The primate nasal fossa". Biological Journal of the Linnean Society , London 5: 377–387.Laska M, Rivas Bautista RM, Hernandez Salazar LT. (2006). "Olfactory sensitivity for aliphatic alcohols and aldehydes in spider monkeys (Ateles geoffroyi)". American Journal of Physical Anthropology. 129: 112–120.. נכון לעכשיו, לא נמצאו מבנים של איבר יעקובסון בקופי העולם הישן, אם כי הוכח שאיבר יעקובסון שרידי אכן מתפתח לכאורה אך מתנוון לפני הלידה. לעומת זאת, לעוברים אנושיים יש איבר יעקובסון שנשמר, אם כי באופן שרידי לכל אורך החיים.

הפרימטים מחולקים פילוגנטית לבעלי אף לח וובעלי אף יבש. הראשונים נחשבים לבעלי תכונות והסתגלות פרימיטיביות יותר בגלל שימור חוש הריח המוגבר שלהם. אצל פרימטים האפלוריים, אובדן רינריום רטוב ומספר מופחת של טורבינות נמצאות בקורלציה עם הפחתת חוש הריח. בהתאם לכך, בני אדם מסווגים כשייכים לענף בעלי אף יבשWilliams, B. A., Kay, R. F., & Kirk, E. C. (2010). "New perspectives on anthropoid origins". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107 (11), 4797-4804..

 בני אדם 
 גנטיקה 
בבני אדם זוהו מעל 900 גנים ופסאודוגניםGlusman, G., Yanai, I., Rubin, I., & Lancet, D. (2001). "The complete human olfactory subgenome". Genome Research, 11 (5), 685-702.. קרוב ל-63% מהם השתנו על ידי תהליך אקראי של היווצרות פסאודוגן. אלה מהווים 17 משפחות גנים, מתוכן רק 4 מכילות יותר מ-100 גנים. ישנם משפחות של גנים מסוג I, דמויי דגים, המהווים 10% מהגנים האנושיים, כולם נמצאים על אשכול אחד בכרומוזום 11. קולטני ריח נמצאים בכל הכרומוזומים האנושיים למעט 20 וכרומוזום המין הזכרי 'Y'. כ-80% מכל קולטני הריח נמצאים באשכולות המכילים בין 6–138 גנים.

מחקר השוואתי של ניתוח אשכולות התחקה אחר המסלול האבולוציוני שהוביל להתפשטות וגיוון קולטני הריח. המחקר סיכם את היסטוריית ההתרחבות הבאה 1) צביר קולטני סוג II על כרומוזום 11 נוצר באמצעות שכפול מקומי 2) שכפול חד-שלבי מהאשכול על כרומוזום 11 לכרומוזום 1 3) שכפול מרובה של כרומוזום 1 לכרומוזומים אחרים.

 מבנה 
בבני אדם תצורת האף קשורה בעיקר לגובה גשר האף ולרוחב של חלל האף הפנימי. הופעתו של מבנה כזה נובעת בעיקר מצרכים נשימתיים באקלים משתנה; למשל, חלל אף גדול אצל ניאנדרטלים מותאם לסביבה הקרה ולחות הנמוכה באותה תקופהNapier, J. R., & Napier, P. H. (1967). A Handbook of Living Primates.. בפרימטים מתקדמים יותר, הקטנת החוטם מתאימה לירידה בחשיבות חוש הריח. בשל כך, האף האנושי מציג פחות עצבים בקרום הרירי של חוש הריח, ירידה באורך החוטם והפחתה במורכבות של קונכית האף.

 בחירה 
תפקיד חוש הריח נתפס כמשני לחשיבותם של חושי השמיעה, המישוש והראייה. בני אדם אינם מסתמכים על תחושת ריח להישרדות באותה מידה כמו מינים אחרים. במקום זאת, לריח תפקיד משמשעותי יותר בתפיסת אסתטית של מזון ואיסוף מידע על הסביבה.בכל זאת, בני אדם מתקשרים גם באמצעות חומרי ריח ופרומונים, ומפעילים ריחות גם במודע (ריחות מלאכותיים) ובתת מודע .

 וריאציה בין-אישית 
לבני אדם שונות בין-אישית גבוהה בפסאודוגנים ובגנים של קולטני הריח. המחקר מיחס שונות זו להפרדה גאוגרפית ותרבותית. בחירות תרבותיות יכולות לשמר גנים של קולטני ריח למרות שזה נגרם ככל הנראה על ידי השפעות צוואר בקבוק ובידוד גאוגרפיAlonso, S., López, S., Izagirre, N., & de la Rúa, C. (2008). "Overdominance in the human genome and olfactory receptor activity". Molecular Biology and Evolution, 25 (5), 997-1001..

ישנה סברה לסלקציה חיובית חלשה הפועלת על מגוון הנוקלאוטידים האנושי בשל דו״ח שצפה מקטעים גנומיים בצביר של 450 ק״ב של גנים קולטני ריח שנמצאו בכרומוזום 1. נצפה יחס נמוך יותר בין מגוון נוקלאוטידים לסטייה בגנים שלמים בהשוואה לאינטרונים ופסאודוגנים. בנוסף נצפתה הפחתה קטנה אך משמעותית בשונות בצביר הגנים של קולטני ריח בהשוואה לאזורים גנומיים אחרים.

ב-SNPs של אוכלוסיות בני אדם השונות מבחינה גאוגרפית ותרבותית ניתן לזהות הבדלים בכרומוזום ה-17ֿ, באזורי קידוד של צבירי גנים של 400 ק״ב. הבדלים אלה צפויים לעזור במחקרי גנוטיפ-פנוטיפ עתידיים. כך למשל ניתן להעריך את השפעת הסחף הגנטי על אוכלוסיות אלו ומציאת שימושיות בגנים של קולטנים.

3 מיליון SNPs במסד הנתונים HapMap של ארבע אוכלוסיות נותחו, ונמצא שהטרוזיגוטים נפוצים מאוד. בשל הכמות הכפולה של אתרי קישור של חומרי הריח, יש תיאוריה שאלו נבחרים עבורם. זו יכולה להיות תגובה אבולוציונית לאובדן קולטן ריח בבני אדם.

 רפרטואר או רפרטואר של עכברים ואדם 
השוואות בין גנים של אדם ועכבר תועדו בניתוח גנומי ופילוגנטי. זיהוי הקשר ההומולוגי בין הגנים של מינים אלה מספק נתוני מפתח מרכזיים ממחקרי עכברים להבנת חוש הריח האנושי. כ-63% מאוסף קולטני הריח האנושי הפך לפסאודוגנים, בעוד שאצל עכברים ישנם רק 20% מפסאודוגניזציה. בנוסף, לגנים קולטני הריח האנושיים חסרים תבניות שנשתמרו מאוד בגנום קולטני הריח של עכברים. זה שמצביע על כך שלא כל הגנים קולטני הריח האנושיים מקודדים לחלבוני קולטני ריח פונקציונליים. הבדלים אלו מוסברים על ידי הסתמכות מופחתת של ריח בבני אדם בהשוואה למכרסמיםStoddart, D. M. (Ed.). (1980). Olfaction in Mammals. Academic Press.. עדיין לא ברור אם אוסף קולטני הריח הנרחב של עכברים מאפשר להם לזהות מגוון גדול יותר של חומרי ריח מאשר בני אדם. כאשר מנתחים רצפי קולטני ריח אנושיים מבחינה פילוגנטית, גנים אנושיים שלמים נמצאים ברוב תת-משפחות קולטני הריח. בהנחה שתת-משפחות של קולטני ריח שונות נקשרות סוגי ריח שונים, סביר להניח שבני אדם מסוגלים לזהות מגוון רחב של ריחות בדומה לעכברים.

 אובדן יכולת הריח 
בדומה לבני אדם, גם אצל הלווייתנים והדולפינים היה אובדן בלתי תלוי של גנים קולטני ריח פונקציונליים. שובם של המינים האלה לסביבה מימית, הובילה לאובדן יכולת קליטת ריחות יבשתיים. חושי הריח נוטה להיות משמעותי יותר עבור מינים יבשתיים בהשוואה למינים ימיים מכיוון שלבעלי חיים יבשתיים חשוב יותר לזהות חומרים נדיפים הנישאים באוויר מאשר ריחות מסיסים במים. תמיכה בתיאוריה זו מודגמת באמצעות המעבר בין דגים לבעלי ארבע רגליים. מהרגע שבעלי חיים אלו החלו לאכלס גומחות יבשתיות ניתן להבחין בהתרחבות אדירה של מערכת הריח שלהם.

מרגע שהלווייתנאים התפתחו מאבותיהם הקדמונים הארציים, ההפחתחות של מנגנון הריח שלהם הייתה בעיקר ספציפית לענף. נראה כי לווייתני שיניים איבדו לחלוטין את חוש הריח שלהם, בעוד שלווייתני מזיפות הראו פגיעה חלקית המתבטאת בכ-58% פסאודוגנים קולטני ריח בצביר שלהם. חלק לווייתני מזיפות בוגרים בעלי 77% פסאודוגנים או נטולי מבני ריח לחלוטין. התרחשות זו מקבילה לזו של חחפרפרת הכיס הדרומית העיוורת, שבה מוטציה של החלבון הבין-פוטו-רצפטור התחברה לניוון אנטומי של העינייםKishida, T., Thewissen, J. G. M., Hayakawa, T., Imai, H., & Agata, K. (2015). "Aquatic adaptation and the evolution of smell and taste in whales". Zoological Letters, 1 (1), 9..

שני חולייתנים ימיים אחרים, אריה הים שטלר וצב הים, מציגים מספר נמוך למדי של פסאודוגנים ביחס ללווייתנאים. שימור הגנים של קולטני הריח שלהם נמצא בקורלציה עם הסתגלותם החלקית לבית גידול מימי, מכיוון שמינים אלה עדיין מבצעים פונקציות רבות ביבשה (למשל הזדווגות, התחממות). הלווייתנאים אינם תלויים בסביבות יבשתיות, ולכן איבדו חלק גדול מרפרטואר קולטני הריח שלהם. יש להניח שאיכון הד התפתח כדי לפצות על ההפסד הזה.

 השלכות פסיכופיזיות 
מחקרים קודמים ביררו את האופי הפסיכופיזי וההתנהגותי של הסתגלות חוש הריח. ההסתגלות מאפשרת למערכת הריח להגיב להופעת ריחות חדשים או שינוי בהם, אך היא גם שומרת על שיווי משקל עם ריכוזי חומרי הריח בסביבה. בדומה לחושים אחרים, חשיפה ממושכת לחומר ריח מובילה לעיתים קרובות לירידה ספציפית לגירוי ברגישות לריח המסוים הזה; עם זאת, היעדר חשיפה תחזיר את רגישות לריח הזהDalton, P. (2000). "Psychophysical and behavioral characteristics of olfactory adaptation". Chemical Senses, 25 (4), 487-492.. ניתוח פסיכופיזי הוכיח הן עלייה בספי הריח והן החלשות התגונה לגירוי מעל סף הריח, כשחלק מהשפעת ההסתגלות של חוש הריח. בנוסף, עדויות מצביעות על כך שמהלך הזמן של הסתגלות והתאוששות תלוי במשך הזמן ובריכוז הריח.
באופן כללי מקובל כי הסתגלות חוש הריח כוללת רכיבים של ברמת הקולטן ואחריו (אזורים היקפי ומרכזי, בהתאמה). מודל שתמך בתפקיד המרכזי בסתגלות הוצע לראשונה בשנת 1990. מודל זה סיפק נתונים ניסויים תומכים.
תמיכה בהשתתפות של המערכות המרכזית וההיקפית עולה מניסויים המראים שגירוי בנחיר בודד גורם להסתגלות גם דרך הנחיר השני. עם זאת, מידת ההסתגלות עמוקה יותר בנחיר המקורי ונראה שההתאוששות בו איטית יותר. תמיכה פסיכופיזית לתיאוריה זו נובעת ממחקרים שדיווחו על ירידה קטנה יחסית בתגובה היקפית לאחר גירוי חוזר על עצמו למרות הפחתות משמעותיות בעוצמה.

בניגוד לראייה ולשמיעה, תגובה כימית של חוש הריח אינו מסתיים לאחר הסרת הגירוי. אף על פי שמידה מסוימת של הסתגלות לריח עשויה להיות מיוחסת למאפייני תגובת של הקולטנים, השפעה נוספת עשויה להיות העיכוב בסיום האות בתוך סביבת הקולטנים. בהתאם לכך, מידת ההסתגלות עשויה להסתמך על הבדלים בפינוי חומרי הריח בין המינים, אשר קשור תכונות של רירית האף, זרימת דם תת-רירית ופליטת הנשיפה.

הערות שוליים

קטגוריה:אבולוציה
קטגוריה:ריח
קטגוריה:אבולוציה מולקולרית
קטגוריה:הורמונים