Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия

Другая составляющая хаоса – это молекулы в воздухе, а также в твердых телах, газах и жидкостях, с которыми мы контактируем. Эти молекулы состоят из атомов, которые самыми различными путями формируют сложные соединения и создают неимоверное количество маленьких объектов, плавающих в воздухе или в том, что мы глотаем. Некоторые из этих молекул совсем крошечные, но все они имеют отличительные формы и размеры и могут быть достоверно распознаны посредством механизма «ключ-к-замку», который реализуется белками клеточной мембраны. Части этих белков работают как замки, расположенные с внешней стороны клетки. Когда появляется небольшая молекула, которая подходит к замку как ключ, она образует комплекс с белками клеточной мембраны и меняет их форму. Это инициирует ряд реакций внутри клетки, и вызванная цепная реакция меняет ее состояние. То, что происходит в клетке, называется трансдукцией или передачей сигнала, и этот процесс лежит в основе работы нервной системы и реакции одноклеточных организмов на внешние раздражители. В этих маленьких молекулах, которыми наполнена наша среда обитания, заложена суть того, как мы и другие организмы воспринимаем вкусы и запахи.

Иногда перемещение воздуха вокруг нас (или воды, если мы плаваем) вызывает шквал ощущений. Вспомните, как заметно чувствуется движение воздуха, когда вы подносите руки к сушилке в общественном туалете. И невозможно забыть (кто угодно может это подтвердить) то чувство, когда мы ударяемся головой обо что-то твердое, например о притолоку подвала. А это значит, что, когда наша кожа вступает в контакт с газообразным, жидким или твердым объектом, у нас возникает механическая реакция. Организмы должны знать, где именно они находятся в пространстве, поэтому многие формы жизни разработали способы отслеживания своего положения, и все они связаны с чувством равновесия. Хаос воздействия внешней среды, который вызывает потребность в равновесии, возникает под действием силы тяжести и из-за движения организма. К другим переменным факторам относятся температура, магнитное и электростатическое поля.

1.2 Как устроен звук?

Звук – это раздражитель, воздействующий на наши органы чувств посредством волн определенной длины, передающихся в воде, воздухе, гелиевой и других средах, и воспринимаемый как вибрация. Звуковые волны имеют тенденцию вытеснять воздух и частицы, летающие в нем. Разные источники звука испускают волны различной длины, что обеспечивает существование в природе широкого звукового диапазона. Как и в случае со светом, в процессе эволюции живущие на планете организмы научились различать узкий спектр звуковых волн. Звуковые волны расходятся циклически, переходя от одного пика волны к другому. Чем меньше количество циклов в единицу времени, тем ниже звук, а чем больше – тем звук выше. Единица частоты звука называется герц, и она измеряет количество циклов звуковой волны в секунду. Человеческое ухо различает довольно широкий диапазон звуков – от 20 до 20 000 Гц, а другие животные, обитающие на нашей планете, способны уловить и более низкие, и более высокие звуки.

Специализированные клетки организма обнаруживают сенсорную информацию в окружающей среде. Но как они это делают? Механизм одноклеточных организмов сильно отличается от механизма таких многоклеточных, как растения и высшие животные. У высших животных мозг обрабатывает информацию, полученную от органов чувств.

Даже одноклеточные, которых мы называем бактериями и археями, чувствуют мир вокруг них. Это происходит потому, что среда постоянно контактирует со всем тем, что окружает эти крошечные организмы. Чтобы убедиться в наличии чувств у бактерий, можно посмотреть видео, как бактерия-хищник поедает свою жертву. Когда хищник начинает уничтожать добычу, поразительно, как быстро и избирательно он это делает. Это наглядная иллюстрация принципа: «Ты – мой вид, я тебя не трону… а ты – нет, тебя можно съесть». Еще больше удивляют видеоролики, где одноклеточные эукариоты преследуют и поедают другие одноклеточные организмы. Но самым сильным впечатлением для меня стало видео о том, как бактерии «чувствуют» внешний мир, показывающее «линейные танцы» микробов, реагирующих на магнитное поле. Позвольте мне объяснить, как и почему они это делают.

Некоторые бактерии умеют считать, и эта способность требует, чтобы считающая клетка чувствовала свое окружение. Чувство кворума – одно из самых примитивных способов, позволяющих клеткам чувствовать и общаться друг с другом. Все живое на Земле использует молекулы для общения. И механизм восприятия кворума, и чувства так называемых более сложных организмов основаны на межмолекулярных взаимодействиях. У одноклеточных организмов есть молекулярная система индикации света, и некоторые микробы (как и более сложные животные) чувствуют магнитные поля. Магнитотактические бактерии ориентируются по магнитному полю Земли, потому что их клеточные мембраны содержат мелкие частицы сульфида железа, или магнетита (магнитосомы), заключенные в мембраноподобную органеллу, и выстраиваются в линию в этой оболочке. Но для линейного танца этим крошечным частицам недостаточно лишь встать в строй. Выровненные магнитосомы внутри бактерий располагаются параллельно, придавая бактериям характеристики магнитного диполя и превращая их в крошечные магниты с магнитными полюсами. Многие виды бактерий являются магнитотактическими. Этот феномен, по-видимому, возник только единожды в эволюционной истории микробов, поскольку большинство магнитотактических бактерий относится к типу протеобактерий и к двум другим близкородственным типам. Кроме того, гены, которые модулируют строительство этой органеллы, сгруппированы в геномах магнитотактических бактерий, что приводит к двум интересным аспектам эволюции этого явления.

1.3 Бактериальное чувство кворума

Микробам часто необходимо чувствовать плотность популяции, чтобы реагировать на изменения окружающей среды. Классический пример этой способности – чувство кворума, присущее биолюминесцентным бактериям Aliivibrio fischeri, населяющим световой орган гавайского короткохвостого кальмара (Euprymna scolopes). Между кальмаром и бактериями установились мутуалистические (взаимовыгодные) отношения: кальмар взращивает в себе A. fischeri, а бактерии, в свою очередь, освещают фотогенный орган кальмара, используемый им для маскировки от хищников. Однако бактериям важно понимать, когда именно надо «зажечь свет»: «светить всегда, светить везде» – ужасное расточительство энергии. Поэтому в световом органе кальмара развился механизм регуляции экспрессии белков, продуцирующих биолюминесценцию, который использует хитрую способность бактерий ощущать размер своей популяции. Бактерии производят белок, называемый индуктором, который они идентифицируют благодаря наличию у них другого белка – рецептора. Когда рецептор и индуктор связываются друг с другом при помощи механизма «замок – ключ», происходит биолюминесцентная реакция, поскольку в бактериальном геноме постепенно «включается» цепочка генов. Когда в световом органе находится недостаточное количество A. fischeri, концентрация индуктора настолько низка, что тот не может эффективно связаться с рецептором и свет не генерируется. Такой вид восприятия происходит полностью на молекулярном уровне.

Во-первых, плотная кластеризация генов, участвующих в формировании магнитосом и содержащих их органелл, указывает на единый механизм этого феномена (по крайней мере у типов, где обнаружены магнитотактические бактерии). Во-вторых, эти гены расположены на так называемом колонизационном участке ДНК, который может передвигаться по горизонтали к другим видам. Этот горизонтальный перенос способен осуществить и ускорить эволюцию магнитотактического признака у других бактерий.

Если никакое другое магнитное поле не мешает, бактерии выравниваются по магнитному полю Земли. Почему микробы делают это? Для выживания им необходимы питательные вещества, а зная направление магнитного поля, легче отыскать подходящую питательную среду. Например, микробы, относящиеся к типам магнитотактических бактерий, жаждут оказаться в тепленьком местечке – в благотворной для них среде: бескислородной зоне или зоне с низким содержанием кислорода. Они эволюционировали в подобной среде и теперь при помощи сильных флагелл (жгутиков) перемещаются в ее поисках. Оказывается, из-за искривления Земли ее магнитное поле направлено не только с севера на юг, но и под углом к ее поверхности. И знание этого угла позволяет бактериям ориентироваться над и под землей. Способность чувствовать магнитное поле помогает магнитотактическим бактериям добраться к бескислородным зонам, находящимся глубоко в недрах, наиболее эффективным путем.

Что же происходит, когда микробы ошибочно реагируют не на магнитное поле Земли, а на какое-то другое? Исследователи Корейского института науки и техники создали крошечный аппарат в виде чашки Петри на платформе, под которой образуется магнитное поле. Магнитное устройство контролируемо вращается таким образом, что преодолевает магнитное поле Земли и управляет поведением бактерий. Магнитотактические бактерии помещаются в чашку Петри, джойстик заводит магнитное поле – и под ритм «Хлопкоглазого Джо»[3] бактерии пускаются в пляс: в лаборатории начинается линейный танец[4]. Смотреть, как танцуют одноклеточные организмы – а они довольно неплохо это делают и демонстрируют достойную версию движений танца в линию, вращаясь в унисон слева направо и двигаясь вперед-назад, – весьма унизительно для такого плохого танцора, как я. Танец – это только метафора, конечно, и очень важно понять, что же именно стоит за ней.

Отдельные клетки должны знать, где они находятся в пространстве, с чем они вступают в контакт и когда именно. Поскольку миллиарды лет назад солнечный свет был преобладающим фактором воздействия на живые организмы, некоторым бактериям необходимо было знать, где тот находится, чтобы использовать его как средство выживания. Поэтому отдельные клетки научились обнаруживать внешние факторы, такие как гравитация, свет и содержащиеся в окружающей среде химические вещества, довольно сложными и эффективными способами. Андрий Анишкин и его коллеги предположили, что тактильное восприятие в оригинальном смысле (как они его называют) служит хорошим аргументом в пользу того, что это первое и, возможно, самое важное чувство, которым наделена клетка. Но все, что касается порядка, в котором клетки и организмы развивали другие чувства, может быть только предположением. Хотя мы и можем придумать довольно логичные объяснения, почему и как клетки формировали тот или иной способ восприятия.

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 клетки многократно поглощали другие клетки, и даже многократно поглощенные клетки поглощались снова и снова.

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 бо́льшую 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 традиционных чувств у животных с нервной системой, эта гипотеза многократно подтверждается. Вероятно, надо согласиться с Майклом Полланом, ярым защитником растительной жизни на планете, который предлагает говорить не о «нейробиологии растений», а скорее о «разумном поведении растений». И в этом контексте растения развили свои способности особым путем, без какого-либо эволюционного сходства с разумным поведением животных, за исключением использования некоторых основных молекулярных инструментов эволюционного инструментария, который есть у большинства многоклеточных эукариот. Разумное поведение позволяет растению воспринимать стимулы из окружающей среды, такие как свет или концентрация химических соединений, и интерпретировать их «интеллектуальным» образом. Нейронная основа разумного поведения растений – это просто еще одно решение для межклеточной коммуникации, на которое натолкнулась жизнь на Земле и которое развивалось как ответ на потребность в сенсорной связи с внешним миром.

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.