Искусные адаптации. Крот-звездонос, электрический угорь и другие чудеса эволюции - Кеннет Катания
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
У рыб есть необычная поговорка: верь своим ушам. Пока зрительный сигнал «вязнет» в сетчатке рыбьего или человеческого глаза, слуховые сигналы обрабатываются с минимальной задержкой; то есть слуховые рецепторы (волосковые клетки) преобразуют звук в нервное возбуждение быстрее и эффективнее. Но для рыб всё еще лучше! Вода плотнее воздуха, так что при атаке хищник не может не вызывать выраженных акустических волн, которые распространяются в воде гораздо быстрее, чем в воздухе (1500 против 340 метров в секунду). Схлопывающиеся челюсти грифовой черепахи вызывают «ударную волну», которая почти мгновенно достигает рыбы. Благодаря этому рыбе иногда удается вовремя среагировать и избежать ловушки.
Возможно, вы удивлены тем, что рыбы так хорошо слышат: у них ведь даже нет видимых ушей. На самом деле уши у рыб спрятаны в голове, но отлично функционируют, поскольку в воде звук проходит непосредственно через рыбу и его воспринимают рецепторы внутреннего уха. А ударная волна, возникающая при атаке хищника, – это самое важное (и зачастую последнее), что слышит рыба. Ударная волна механически стимулирует сенсорные клетки внутреннего уха, в результате чего нейроны возбуждаются и по сотням нервных волокон посылают сигнал тревоги в особую клетку мозга – маутнеровский нейрон, названный так в честь своего первооткрывателя. Это гигантская клетка, а как правило, чем нейрон крупнее, тем быстрее передача сигнала (об этом я подробнее расскажу в пятой главе). Как и ушей, маутнеровских нейронов у рыб два, по одному с каждой стороны7. Единственный нервный импульс от любого из этих нейронов – это сообщение первостепенной важности, реакция на которое – вопрос жизни и смерти.
Длинный «биологический провод» (аксон) маутнеровского нейрона проходит поперек хребта и далее вниз по позвоночнику на противоположную сторону тела, где возбуждение передается нервам, вызывающим мощное сокращение мышц. Это и приводит к изгибу тела в виде буквы C. Переход аксона на другую сторону тела может показаться лишним усложнением, но в этом есть смысл: стартовать рыба должна в противоположную от хищника сторону, а значит, сократиться должны мышцы на противоположной стороне.
Теперь вы понимаете, что происходит во время атаки. Звук достигает ближайшего уха, и ближайший маутнеровский нейрон возбуждается, посылая сигнал на противоположную сторону тела. Рыба изгибается и уплывает (за плавательную часть операции отвечают другие структуры).
Все вроде бы просто и ясно. Однако я не упомянул об одной сложности, которую вы, быть может, заметили. Поскольку звук проходит через все тело рыбы, его должны услышать оба уха. Звук распространяется в воде настолько быстро, что между возбуждением рецепторов с разных сторон проходит совсем мало времени. Что произойдет, если активируется второй маутнеровский нейрон? В этом случае сигнал пойдет по обоим аксонам и нейроны на стороне атаки тоже активируются, то есть мышцы туловища сократятся с обеих сторон. Рыба застынет на месте, и, в довершение всего, съедена она будет с больной спиной. Однако у этой проблемы есть решение, и оно представляет собой хороший пример того, как сеть нейронов определяет поведенческую реакцию. Эта реакция всегда зависит от двух типов сигналов: возбуждающих (активирующих нейроны) и тормозящих (не позволяющих нейронам активироваться).
3.4. Схема нейронных связей, отвечающих за реакцию бегства у рыбы. Изображены уши, пара маутнеровских нейронов и направления передачи информации. В этом примере звук, вызванный атакой хищника, поступает слева, активируя рецепторы левого уха, а затем левый маутнеровский нейрон, который передает сигнал (потенциал действия) на противоположную сторону тела, вызывая сокращение мышц и изгиб тела рыбы в сторону от угрозы. При этом тормозной нейрон посылает на другую сторону стоп-сигнал, чтобы мышцы со стороны угрозы не сокращались. Все это позволяет рыбе быстро уплыть (но не всегда)
Представьте себе двух конкурирующих за лидерство командиров: кто первым отдает приказ, тому и подчиняется войско. Это сравнение приходит на ум, поскольку каждый маутнеровский нейрон активирует еще и тормозные нейроны, которые «отменяют» команды второго маутнеровского нейрона. В результате мышцы туловища со стороны атаки «отключаются» и не могут сократиться и помешать бегству. Тормозные нейроны находятся в спинном мозге на противоположной стороне от мышц, которые они блокируют. На первый взгляд странно, но на самом деле логично: ведь сигнал они получают по пересекающему позвоночник аксону маутнеровского нейрона. Их так и называют – перекрестные тормозные нейроны, поскольку они передают сигнал обратно поперек хребта, отключая мышцы на стороне возбужденного маутнеровского нейрона.
Вот теперь вы точно понимаете, что происходит во время атаки. Хищник нападает; звук достигает ближайшего внутреннего уха и активирует соответствующий маутнеровский нейрон. Нейрон посылает сигнал на противоположную половину тела, вызывая изгиб туловища в сторону от хищника и одновременно активируя перекрестные тормозные нейроны. Эти нейроны передают сигнал обратно, блокируя сокращение мышц (расслабляя их) со стороны атаки и тем самым не допуская срыва всего мероприятия вторым маутнеровским нейроном.
Ну всё, разобрались! Хотя погодите… Вся эта система симметрична: с обеих сторон есть тормозные нейроны, активируемые маутнеровскими нейронами. Если оба маутнеровских нейрона пошлют командный сигнал на другую сторону тела, а оба набора тормозных нейронов направят сигналы обратно по телу, то мышцы рыбы с обеих сторон окажутся расслаблены. В этом случае спина у рыбы, конечно, не заболит, но и уплыть от хищника она не сможет.
Как же быть? Есть только один выход: заставить тормозные нейроны тормозить тормозные нейроны на другой стороне! Именно это, по сути, и происходит. Аксон каждого маутнеровского нейрона активирует мышцы и тормозные нейроны на противоположной стороне рыбы. Последние посылают сигнал обратно поперек хребта, чтобы затормозить не только мышцы, но и тормозные нейроны, которые иначе могли бы быть активированы другим маутнеровским нейроном. Если все это напоминает вам комедийный скетч «Кто на первой базе» Эбботта и Костелло, посмотрите на схему нейронных связей на рисунке.
Система тонко сбалансирована, и побеждает только один маутнеровский нейрон, даже если он опередил партнера на тысячную долю секунды. Таким образом, успех побега зависит не только от сокращения нужных мышц,