Умный и сознающий. 4 миллиарда лет эволюции мозга - Джозеф Леду

Удивительным кажется тот факт, что некоторые из этих протосинаптических кубиков также обнаруживают у хоанофлагеллятов. У этих простейших, как и у губок, синаптические кубики не валялись без дела и не ожидали, когда уже наконец из них соберут нейроны и синапсы; они просто использовались для других целей. Когда пришла пора сформировать между нейронами синапсы, необходимые для решения проблемы коммуникации между разными частями тела, готовым кубикам нашлось целенаправленное применение. Как только стрекающие собрали кубики и построили из них синаптическую передачу, за этой структурой закрепилось определенное предназначение у всех появившихся впоследствии животных.

У стрекающих нервная система рудиментарная: она представляет собой преимущественно простую нервную сеть – диффузное скопление нейронов, распределенных по внешнему слою ткани, которая выполняет ту же функцию, что и наша кожа (рисунок 27.3); (любопытно, что у таких позвоночных, как мы, сохраняется то же отношение между кожей и нейронами; и нейроны, и клетки кожи у эмбриона развиваются из слоя эктодермы). Как и во всех возникших позже нервных системах, нервные сети стрекающих, по сути, были структурами сенсорно-двигательной интеграции, решающими три основные задачи.

Рисунок 27.3. Нервные системы стрекающих

Во-первых, они получали сигналы сенсорных рецепторов, распознававших свет, прикосновение, силу тяжести и химические вещества. Во-вторых, они отбирали и обрабатывали сенсорные сообщения. В-третьих, они вырабатывали двигательные команды, контролирующие движения мышц. Таким образом, различные части организма способны реагировать как единое целое. Конечно, примитивной нервной сети локализовать реакции непросто. Гидра всегда реагирует одинаково, независимо от того, какая часть ее тела контактирует со стимулом.

У стрекающих, имеющих форму полипа (таких, как гидра), в основном присутствует диффузная нервная сеть, но у медузы появляется своего рода сосредоточенное скопление нейронов. Так, например, некоторые нейроны формируют вокруг медузы нервное кольцо, которое контролирует движения организма, когда тот плывет быстро; другие собираются в щупальцах и используются для контроля над движениями во время медленного плавания и захвата жертвы, а также передачи спермы при половом размножении. Таким образом, эти группы локализованных в разных частях тела нейронов обеспечивают повышенную точность реакций на стимуляцию в сравнении с обычной нервной сетью.

По мнению Детлева Арендта и его коллег, изыскания в области генетики доказывают, что скопления нейронов во рту и в зонтике медуз – это предшественники более сложного строения тела и мозга, характерного для двусторонне-симметричных животных, которые призошли от стрекающих. Из скоплений в зонтике, очевидно, разовьется специализированная группа нейронов, у большинства многоклеточных расположенная в области головы (иначе говоря, эти скопления станут тем, что мы называем мозгом). Скопление нейронов вокруг рта и на щупальцах, судя по всему, вытянется и превратится в нервный столб, связывающий головной мозг со всем телом (у позвоночных это спинной мозг).

Описанный мною процесс предполагает, что основой возникновения нейронов была необходимость обмена информацией между сенсорными и двигательными клетками. Мы уже дали определение нервной системы – это преимущественно сенсорно-двигательное соединительное устройство. А теперь давайте расширим это определение, добавив, что нервная система представляет собой скопление клеток, расположенное между сенсорными и двигательными клетками тела; нервная система призвана координировать движения мышц организма в ответ на сенсорные импульсы. У некоторых организмов нервный посреднический аппарат устроен довольно просто (как нервные сети стрекающих), а у других он чрезвычайно сложен (как, например, головной мозг позвоночных). Великий пионер нейробиологии сэр Чарльз Скотт Шеррингтон сформулировал эту мысль так: «Очевидно, у подвижных животных головной мозг служит основным каналом нервно-мышечной передачи».

Но если бы у нервной системы была одна-единственная задача – передавать информацию из одной точки в другую, поведение ограничивалось бы простыми врожденными реакциями. Животные, обладающие нервной системой, были наделены специальным местом, где нейроны изменяются, когда организм взаимодействует с окружающей средой, и в этом состоит одно из их огромных преимуществ. Такая способность, называемая синаптической пластичностью, является основой обучаемости.

Существует предположение, согласно которому ключевым условием Кембрийского взрыва, изменившего тела животных, было возникновение способности к обучению, заложенной в нервной системе. Хотя не обладающие нервной системой организмы тоже способны к обучению (вспомните, как учатся одноклеточные микробы), при ее наличии обучение превращается в гораздо более сложный и гибкий процесс. Возможно, такая перестройка набора необходимых для выживания инструментов внесла свой вклад в появление тел самого разного строения. Нейронное обучение могло, например, расширить способности к изучению новых ниш, что привело к изменению строения тела и появлению необходимых для выживания черт. Кроме того, когда и хищники, и их жертвы получили способность обучаться, темпы существовавшей между ними эволюционной гонки вооружений возросли, в результате еще значительнее изменив строение их тел. Со временем по мере расширения разнообразия живых существ на Земле значимость способности к обучению с точки зрения выживания становилась все существеннее.

Часть VI

Крохи многоклеточных в океанах

Глава 28

Взгляд вперед

650 миллионов лет назад жизнь на Земле была представлена в основном обитавшими в воде организмами с примитивным (асимметричным или радиально-симметричным) строением тела, у которых нервной системы либо вообще не было (как у губок), либо она в лучшем случае была примитивной (как у стрекающих и гребневиков). Но 630 миллионов лет назад появилось тело нового строения – двусторонне-симметричное. У двусторонне-симметричных живых существ сформировалась мощная нервная система с сосредоточением нейронов в голове – мозгом, способным оценивать окружающую обстановку и формировать гораздо более сложное поведение, чем можно было наблюдать когда-либо раньше. Во время Кембрийского взрыва, в промежутке между 543 и 480 миллионами лет назад, смышленые билатерии, населявшие океаны, стремительно размножились и обрели тела самого разного строения. Примерно 400 миллионов лет назад некоторые из этих двусторонне-симметричных беспозвоночных (в частности, многоножки) населили сушу, а 350 миллионов лет назад к ним присоединились земноводные – первые позвоночные, способные дышать атмосферным кислородом. Эволюция шла своим чередом как под водой, так и над ней, в результате чего мы получили огромное разнообразие современных животных. Очевидно, в строении двусторонне-симметричных живых существ было нечто особенное, что, возникнув однажды, позволило этому строению тела стать доминантным, причем это положение сохраняется и по сей день. Вот почему материал, который предоставляют те немногие виды водных билатерий, которые с древности практически не изменились, столь ценен для понимания путешествия, проделанного клеткой от LUCA до нас с вами.

Мы уже говорили о том, что тело стрекающих имеет двусторонне-симметричное строение, а его центральная ось проходит от единственного пищеварительного отверстия (устья) до противоположного конца внутренней полости. У полипов это отверстие располагается сверху, а у медуз – снизу. В любом случае оси от передней части до задней у них нет, да и по строению они скорее представляют собой трубку (рисунок 28.1).