Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия
Шрифт:
Для некоторых бактерий, как и для растений, свет – это «еда». Цианобактерии, или синезеленые водоросли, способны к фотосинтезу. Молекулы взаимодействуют со светом, поглощая фотоны, и именно за счет этого бактерии и выживают. Механизмы использования света в качестве пищи у растений и бактерий практически одинаковые. На первый взгляд это выглядит полной чушью, ведь бактерии и растения тесно не связаны, у них нет явных общих предков или потомков, что объяснило бы возможное наличие у растений характеристик, присутствующих у бактерий. Но все это лишь до тех пор, пока мы не рассмотрим происхождение хлоропласта – органеллы, превращающей свет в питательное вещество для клеток растений. По сути хлоропласт – это наследие древних цианобактерий, поглощенных клетками предшественников современных растений. Симбиоз, вызванный поглощенными цианобактериями, настолько хорошо сказался на жизни древней растительной клетки, что она застряла в эволюционном контексте и теперь представляет собой основу растительной жизни на планете. История того, как древние эукариотические клетки поглощали различные виды бактерий, сложна и иногда запутанна. Некоторые растительные
Другой способ использования света бактериями – это изменение молекулярных свойств класса молекул, называемых опсинами. Эти молекулы встроены в клеточные мембраны, где фотоны могут натолкнуться на них. Во внутренней структуре опсинов заперты еще более мелкие молекулы – хромофоры. Хромофор, цепляющийся за внутренности опсина, приводит большую молекулу, встроенную в клеточную мембрану, в специфическое неактивное состояние. Когда свет определенной длины волны попадает в клетку, он также натыкается на хромофор и вызывает его смещение, а структура самого опсина изменяется, вызывая другие реакции в клетке.
У некоторых одноклеточных бактерий в клеточную мембрану встроена молекула родопсина, которая реагирует со светом. Но в отличие от более сложных организмов родопсин у бактерий действует как насос, который доставляет высокие концентрации ионов хлора или перемещает протоны в клетку, что, в свою очередь, изменяет способ дальнейшей жизнедеятельности клетки. У одноклеточных эукариот тоже есть родопсины, которые реагируют на попадание света. Родопсин бактерий довольно сильно отличается от опсинов высших эукариотов, поэтому неизвестно, являются ли опсины позвоночных продуктом его эволюции. Дело в том, что механизмы обнаружения света опсинами и родопсинами схожи и дают представление о том, как высшие животные воспринимают свет. Еще одна особенность заключается в том, что у одноклеточных организмов эти механизмы реализуются с помощью белков без централизованной обработки информации в мозге. «Решения», которые одноклеточный организм «принимает» под воздействием окружающей среды, – быстрые, химические и внутренние по отношению к отдельной клетке. Высшие организмы и одноклеточные добывают информацию из внешнего мира очень похожими способами, но вот обрабатывают они ее по-разному.
Многоклеточная жизнь появилась почти на 1,5 миллиарда лет позже одноклеточной. Сегодня существует большое количество одноклеточных эукариот, и схема их родства ясно показывает, что уже на ранних этапах эволюции было много случаев дивергенции между ними и многоклеточными животными и растениями. Это наблюдение справедливо, потому что не все одноклеточные эукариоты – ближайшие родственники и не все многоклеточные организмы происходят от одного общего предка. Некоторые одноклеточные эукариоты, например, более тесно связаны с растениями, чем с другими одноклеточными эукариотами. Взять хотя бы водоросли и одноклеточные эукариоты – хламидомонады («хлами», как ласково называют их ученые): и те и другие гораздо теснее связаны с растениями, чем с другими одноклеточными организмами, такими как амеба.
Растения довольно хорошо понимают сигналы раздражителей из окружающего мира, но для этого они развили иные механизмы, нежели животные. Отличный пример – подсолнух: если можете, потратьте несколько часов, наблюдая, как он реагирует на солнечный свет. Самый интересный момент происходит на рассвете, когда цветок медленно поворачивается туда, где ожидается восход солнца. Подсолнух очень точно определяет время и ловко передвигает свой цветочек на нужное место. Другой пример – мимоза, растение, реагирующее на прикосновения. А любой, кто видел «Лавку ужасов», легко вспомнит венерину мухоловку, которая быстро и жадно хватает добычу, необдуманно оказавшуюся поблизости с ее ловушкой (рис. 1.2). Однако у растений нет нервных клеток и, следовательно, нет мозга или нервной системы, как у животных. (Я делаю эти категоричные заявления о растениях и нервных системах, хотя знаю, что существует журнал под названием Plant Neurobiology («Нейробиология растений») и несколько институтов занимаются изучением одноименной науки. Но нейробиология растений и нейробиология животных все же фокусируются на разных факторах.)
Рис. 1.2. Нейробиология растений или интеллектуальное поведение? Венерина мухоловка (Dionaea muscipula)
Метафора становится важной при изучении реакции организмов на окружающую среду. Организм с «метафорическим мозгом», подобный растению, не обрабатывает информацию из внешнего мира так, как это делают позвоночные, и это неудивительно. Под метафорическим мозгом я подразумеваю систему, аналогичную мозгу позвоночных, но не являющуюся нейронной. Именно эта способность реагировать на внешний мир побудила некоторых исследователей инициировать нейробиологический подход по отношению к растениям. Но очень трудно отрицать, что у растений нет мозга и нервной системы. Я предпочитаю признать, что растения довольно хорошо чувствуют внешний мир и у них есть некий способ интегрировать свое восприятие окружающей среды, но в функциональном структурном контексте у них нет мозга. С точки зрения эволюционной биологии можно сказать, что растительная версия нервной системы приближена к мозгу насекомого или позвоночного. Центральная сенсорная система растения – это метафора нервной системы беспозвоночных или позвоночных. С интеллектуальной точки зрения мне гораздо приятнее осознавать, что растения изобрели новый способ восприятия внешнего мира, не имеющий ничего общего с нервной системой. И действительно, когда мы начинаем исследовать пути, по которым развивались структуры и механизмы
Неудивительно, что организмы, не имеющие глаз, ушей, носа, кожи и рта, не могут видеть, слышать, обонять, осязать и ощущать вкус. Эти так называемые традиционные, или аристотелевские, чувства – сфера компетенции развитых животных. И потому организмы без этих функций фокусируют свои ощущения на других раздражителях окружающей среды, таких как электрические и магнитные поля и химические сигналы, которые ведут себя не так, как вкус и запах. Организмы, которые могут видеть, слышать, обонять, осязать и ощущать вкус, развили удивительный набор анатомических и физиологических особенностей, которые усиливают эти чувства. И разнообразие стимулов окружающей среды, которые жизнь подарила нам для восприятия внешнего мира, поражает воображение.
2. Мозг и первомозг
Мозг (или его отсутствие) – от губки до человека
Губка видит все? Губка ничего не видит.
Древо жизни росло и разветвлялось, а на пути развития чувств возникали определенные этапы. К самым ранним из них относится эволюция межклеточной коммуникации посредством молекулярных процессов, таких как чувство кворума. Затем пришло время наборов генов, отвечающих за выполнение специфических клеточных функций, то есть того самого молекулярного инструментария, благодаря которому информация передается через одиночные клетки. Потом эволюционировали многоклеточные организмы, клетки которых стали взаимодействовать между собой с помощью сигнальной трансдукции. После возникновения многоклеточности открылись новые возможности коммуникации клеток, и они значительно повлияли на биологию наших прямых предков-эукариот. К важным вехам эволюции также относятся потенциал действия, синапс, дифференцированные нервные клетки, нейронные сети, скопления нейронов и специализированная нервная система. И, несмотря на то что все эти этапы развития (то есть все, чего мы достигли в процессе эволюции нашей ветви) могут показаться дорогой к совершенству, это всего лишь промежуточные остановки. Другие ветви тоже развивались, но стадии эволюции нашей нервной системы не имеют к ним ни малейшего отношения.
Чарльз Дарвин уподобил отношения организмов с «великим древом жизни», чтобы наглядно показать взаимосвязь всех организмов на планете через общее происхождение и дивергенцию. Биологи взяли на вооружение концепцию «великого древа жизни» для отслеживания эволюции признаков. Наблюдая за случаями дивергенции организмов и признаков, имеющих отношение к нервной системе, мы получаем довольно точную картину, как развивался мозг в целом и наш мозг в частности.
Самые ранние ветви древа, иллюстрирующего эволюцию животных, включают губку и небольшие организмы, относящиеся к типу пластинчатых и по форме напоминающие блин. Некоторые исследователи полагают, что все губки – родственники друг другу благодаря общему предку. Другие же считают, что существовали две линии развития губок. Доподлинно известно, что губки имеют примерно восемь типов клеток и ни один из них не является нейронным, именно поэтому у них и нет мозга. У пластинчатых, в свою очередь, четыре типа клеток, среди которых нет даже одного нейронного, поэтому и у них тоже не может быть мозга. Но вот что интересно: у этих двух древних животных, находящихся у основания древа, есть большое количество генов, необходимых для создания нервных клеток, просто они их не используют. По всей видимости, они нашли другое применение генам, которые другие животные направляют на строительство нейронов. И губки, и пластинчатые чувствуют изменения окружающей среды и реагируют на них, поэтому эти организмы можно назвать чувствующими, несмотря на отсутствие мозга и нервной системы. Губки «чихают», когда ощущают контакт с какими-то частицами. Это «чихание» представляет собой очень эффектное зрелище, но весь процесс занимает около часа, поэтому наблюдать за губками лучше через замедленную съемку. Пластинчатые очень охочи до еды и весьма преуспели в ее добыче – и это при отсутствии мозга.
Гребневики, или ктенофоры, – невероятно интересные существа. Выглядят они чертовски круто, и считается, что это первая группа животных, отклонившаяся в развитии от одноклеточных предков – эукариот. У них есть несколько типов клеток, в том числе и нервные клетки, есть нервная система, но нет централизованного скопления клеток, которые формируют мозг. Если ктенофоры действительно являются первыми животными, чья эволюция устремилась по другой ветке древа жизни, то тогда вырисовывается любопытный сценарий развития событий. Первый момент: нервные системы гребневиков и других животных очень схожи (за исключением губок и пластинчатых). Второй момент: нервную систему относительно легко утратить, как это случилось в ветви, по которой развивались губчатые и пластинчатые. Этот пример показывает, как применение концепции общих предков и древа жизни позволяет нам проанализировать значимые изменения нервной системы, произошедшие при дивергенции животных.