Искусные адаптации. Крот-звездонос, электрический угорь и другие чудеса эволюции

При подготовке к защите я старался предугадать все возможные вопросы диссертационного совета, но оказался не готов к первому же из них. Стараниями Гленна вступление к моему докладу сопровождалось той самой фотографией меня в наручниках рядом с суровым полицейским. Не знаю, удалось ли мне убедить совет в том, что я никогда не сидел в тюрьме, но месть Гленна имела и положительный эффект: после такого начала все прочие вопросы казались совсем простыми.

2.4. Карта звезды на ткани головного мозга, спроецированная с предметного стекла на лист бумаги (слева) и увеличенная для лучшей детализации (справа внизу). На каждую сторону неокортекса проецируется половина звезды (справа сверху), то есть на каждом полушарии видно одиннадцать сегментов (справа снизу). Обратите внимание: одиннадцатый сегмент намного больше остальных

Много лет спустя круг замкнулся. Описание карт мозга в пятом издании учебника «От нейрона к мозгу» теперь сопровождается снимками не только баррельной коры мыши, но и неокортекса звездоноса. Авторы книги и не подозревают, что на открытие меня вдохновило одно из ее предыдущих изданий.

Нейрокомната смеха

Узор на неокортексе крота дал тот же эффект, что и изображения звезды, полученные с помощью электронного микроскопа. Он стал очередной хлебной крошкой на пути к следующему вопросу. И даже не просто крошкой, а целой горбушкой хлеба. Едва взглянув на карту звезды, я заметил кое-что требующее объяснения: один из сегментов занимал непропорционально большую часть карты. Несоответствие было столь явным, что поначалу мы пришли в замешательство. Мы ожидали (или по крайней мере надеялись) увидеть на неокортексе одиннадцать полос – по полосе на каждый отросток на противоположной стороне звезды. Но мы увидели десять примерно одинаковых полос и одну гигантскую – причем на месте самого маленького, одиннадцатого отростка. Что бы это могло значить? Чтобы ответить на этот вопрос, мы зарегистрировали электрическую активность мозга звездоноса, и огромная полоса действительно оказалась проекцией одиннадцатого отростка. То, что мы наблюдали, называется кортикальным увеличением.

Кортикальное увеличение – это, можно сказать, то, как мозг «видит» тело, а видит он его совсем не так, как мы. Это больше похоже на отражение в кривом зеркале, которое значительно искажает пропорции. У человека огромную часть соматосенсорной карты занимают кисти рук, потому что на их коже очень много сенсорных нейронов. А вот на туловище, ноги и предплечья, гораздо менее важные для осязания (никто не может читать шрифт Брайля, например, локтем), приходится куда меньше места. Как вы могли догадаться, в результате регистрации электрической активности мозга звездоноса мы получили «кротункулуса» с гигантской звездой и огромными передними конечностями.

Описанное выше не так уж и удивительно; логично, что мозг отводит больше места для более важных частей тела. Но особое выделение одного сегмента звезды оказалось новой загадкой. Одиннадцатый сегмент занимает 25 % карты, но соответствует самому маленькому из отростков, на котором сравнительно немного органов Эймера3. Почему же именно этот отросток так важен для кротовьего мозга? Чтобы получить ответ, я внимательнее присмотрелся к поведению звездоноса и добрался до самых основ.

2.5. Пропорции частей тела животных в соматосенсорных картах неокортекса. Увеличение проекций важных для осязания частей тела называется кортикальным увеличением

Звездонос, известный, помимо прочего, своим инопланетным видом и непостижимым образом жизни, делает ровно то, что сейчас делаете вы. Читая эти строки, вы переводите глаза с одного слова на другое. Если вы задержите взгляд, скажем, на точке в конце этого предложения, вы не сможете читать дальше. Попробуйте сделать это несколько раз, и вы абсолютно четко (или абсолютно нечетко) осознаете, что в вашем глазу есть маленький центр с высоким разрешением (центральная ямка сетчатки) и гораздо бо́льшая окружающая его область с низким разрешением. Мы сканируем пространство вокруг нас в низком разрешении и переводим взгляд на то, что хотим рассмотреть повнимательнее, используя высокое разрешение.

То же самое делает звездонос – только вместо зрительной «ямки» у него тактильная. Дотронувшись до чего-то интересного, и особенно съедобного, отростками каждой половины звезды с первого по десятый, он вдруг переключается только на одиннадцатую пару3. Такие движения звезды очень похожи на движения глазных яблок. У человека на перевод взгляда уходит около одной двадцатой секунды, у звездоноса – примерно столько же.

Вы, наверное, уже догадались, что центральной ямке в нашей зрительной коре отводится гораздо больше места, чем более крупным, но менее важным периферическим областям. Это позволяет эффективнее использовать ресурсы мозга, так что неудивительно, что эволюция пришла к одинаковому решению для людей и кротов (и многих других животных). Вместо высокой разрешающей способности всего органа чувств, что потребовало бы большего объема неокортекса для обработки сигнала, детально анализируется только небольшая зона. Получается своеобразный сенсорный фонарик, ярко и четко освещающий центр и тускло обозначающий периферию.

Как обычно, новое открытие привело к новому вопросу. Как такая маленькая часть тела животного отвоевала такую большую часть соматосенсорной карты? Это вопрос к самой сути нейробиологии, поскольку, ответив на него, можно понять, как то или иное млекопитающее эволюционировало, развивая свои способности. В неокортексе животных, полагающихся на зрение, отводится много места глазам; летучие мыши специализируются на эхолокации – и в их неокортексе доминируют органы слуха; а в неокортексе звездоноса главными стали органы осязания. Но чтобы выяснить, как формируется в новой коре такое распределение, нужно изучить развитие животного на ранних стадиях. Я должен был исследовать эмбрионы звездоноса, и это вывело меня на следующий уровень неизведанного.

Жуткое звездодействие[7]

К тому времени я уже защитил диссертацию и работал научным сотрудником в лаборатории Джона Кааса в Университете Вандербильта, так что располагал всем оборудованием, необходимым для изучения неокортекса. Но для исследования эмбрионов требовался сканирующий электронный микроскоп, который находился в Калифорнийском университете. К счастью, я как раз собирался в Сан-Диего на конференцию, так что позвонил своему приятелю по магистратуре – специалисту по микроскопам Чарльзу Грэму – и спросил, смогу ли я воспользоваться прибором. Технические специалисты лабораторий – это невоспетые герои науки, пусть даже они выполняют столь важную преподавательскую миссию неофициально. Чарльз был моим вторым пилотом, пока я учился обращаться с микроскопом, и он научил меня решать любые проблемы. Но в этот раз проблема была не по технической части: дело в том, что почти все время микроскоп был занят.

«Я тебе доверяю, – сказал он мне по телефону. – Если хочешь, приходи ночью, я дам ключи». Его неоценимая помощь сэкономила мне месяцы, которые могли бы уйти на поиск другого аппарата и на обучение работе с ним.

Когда я наконец приготовил образцы и устроился перед мониторами, было далеко за полночь. В здании было темно, пусто и тихо. Я, как обычно, выключил свет, чтобы лучше видеть изображения. Расположенный рядом прибор, который покрывает препараты золотом, мерцал фиолетовым светом, а из емкости с жидким азотом, охлаждающим микроскоп, то и дело вырывались клубы холодного пара. Все это очень напоминало первые кадры научно-фантастического фильма.

Это может показаться глупым, когда вы сидите в ярко освещенном помещении, но многие взрослые люди боятся темноты (и узнают об этом только в полевых условиях). Мне пришлось преодолеть этот страх еще в зоопарке, и довольно быстро. И я никогда бы не подумал, что испытаю ужас, увидев изображение на мониторе микроскопа. Но именно это произошло, когда я нагрел нить и сфокусировал луч на первом эмбрионе звездоноса. Выше я сравнивал сканирующий микроскоп с космическим зондом. Ну что ж, теперь я встретил инопланетян.

Не хочу, чтобы вы дурно подумали о звездоносе, так что отмечу, что на стадии эмбриона мы все выглядим не лучшим образом. И все же я увидел парочку совсем уж странных вещей. Во-первых, передние лапы, которые аномально велики у взрослого звездоноса, у эмбриона тоже были огромными, как у каменного тролля. Во-вторых, ноздри в центре звезды напоминали глаза пришельца. На самом деле глаза у крота расположены ближе к задней части головы, за формирующейся звездой.

2.6. Жутковатый эмбрион звездоноса под электронным микроскопом. Формирующаяся звезда с двумя ноздрями похожа на голову инопланетянина, тогда как на самом деле голова и глаза крота расположены дальше, в глубине изображения. Обратите внимание на огромные формирующиеся передние лапы, которыми взрослые звездоносы роют тоннели

Но как бы жутко ни выглядел эмбрион, он представлял собой кладезь новых ключей к пониманию того, как одиннадцатый отросток стал главным органом осязания и оккупировал больше всего пространства в неокортексе звездоноса. Оказалось, что не все отростки «созданы равными». Одиннадцатые отростки – самые крупные на раннем этапе формирования звезды. Кроме того, кожа и органы Эймера на них созревают раньше, и то же касается нервных волокон. Как ни крути, на старте развития одиннадцатые отростки опережают все прочие, которые пытаются их догнать и в конце концов обгоняют по размеру7.

А что насчет неокортекса? Что вполне предсказуемо, первым в развивающейся новой коре появляется сегмент одиннадцатого отростка, и уже на раннем этапе он занимает большую область. Это отлично согласуется с данными других исследований, которые показывают важность ранних событий в мозге, когда закладывается основа его структуры. Конкуренция нервных окончаний за пространство, особенно в развивающемся неокортексе, – доказанный факт, и раннее развитие органа дает преимущество в этой борьбе.

Я не силен как теоретик, но не могу не высказать заманчивое предположение. Что, если один из способов, которым эволюция подправляет карты мозга, – это изменение сроков развития сенсорной единицы? Если хочешь припарковаться поудобнее, надо выехать пораньше. Кстати, при развитии органов зрения у приматов центральная ямка сетчатки тоже закладывается раньше, чем периферические области8.

Развитие, эволюция и гольф-клуб

Давайте представим, что нам нужно слепить звездоноса из пластилина. Как вылепить его звезду? Если мы работаем с одним куском пластилина, есть два варианта. Можно вытягивать отростки по отдельности из передней части морды, добирая недостающий материал у основания для достижения нужной длины. Или можно вытянуть один большой отросток в форме веера или лопатки, а затем разрезать его на несколько маленьких отростков, удалив лишний пластилин. Оба метода широко используются в лепке и оба близки к тому, как в реальности развиваются самые разные отростки в животном мире. Хороший пример – человеческая рука. В процессе ее развития природа использует обе стратегии: сначала из бугорка на поверхности тела развивается конечность, а затем из кистевой пластины на ее конце формируются пальцы (за счет постепенного отмирания клеток в пространстве между ними).

Эти два основных механизма – отращивание нужной формы и формирование ее за счет удаления материала – кажутся в высшей степени удобными и логичными, и именно так у большинства животных развиваются конечности и отростки. Опять же, как еще? Казалось бы, все разумные варианты исчерпаны. Однако звездоносы пошли своим путем.

На раннем этапе развития у эмбриона нет никаких признаков будущей звезды, и кончик носа представляет собой просто гладкий слой эпидермиса. Затем довольно внезапно появляется «протозвезда», которая выглядит как одиннадцать валиков с каждой стороны морды. Но что это? Звезда в сложенном виде? Или звезда, спрятанная под кожей и формирующаяся внутри носа, чтобы показаться в свое время? Ни то ни другое. Это просто валики – волны на поверхности кожи формирующегося носа. По мере развития валики становятся более выраженными, но по-прежнему не являются отдельными отростками. У них нет нижней части. Они лишь намечены бороздками, как пальцы у Сфинкса. Вскоре под этими эпидермальными волнами вырастает новый слой эпидермиса, и каждый из валиков становится отдельной трубочкой, прикрепленной к носу эмбриона по всей длине. А уже после рождения звездоноса эти трубочки проступают целиком, отделяются от морды и отклоняются вперед, образуя отростки звезды, которые мы видим у взрослой особи9.

2.7. Развитие звезды «задом наперед». Вместо формирования отдельных отростков на носу крота образуются обращенные назад трубчатые структуры, которые затем отделяются и отклоняются вперед. Этот процесс отличается от развития аналогичных органов у других животных

Получается, что кожа кончика каждого отростка представлена тканью лицевой области, расположенной дальше от носа, чем ткань основания. То есть орган формируется «задом наперед», а такой механизм развития не наблюдается больше ни у одного представителя царства животных. Это, мягко говоря, нестандартный подход, а говоря откровенно – просто нелепо. Думаю, если на уроке лепки из пластилина кто-то решит сформировать звезду таким способом, этот кто-то как минимум закончит работу последним. Положа руку на сердце, я думаю, что такое даже в голову никому не придет. Это совершенно неразумно.

Почему же развитие происходит именно так? Судя по всему, звездонос просто обожает оказываться в центре самых любопытных научных теорий и споров. Сначала речь шла о соматосенсорных картах неокортекса, а теперь – о взаимосвязи между внутриутробным развитием и процессом эволюции. В 1977 году известный палеонтолог и популяризатор науки Стивен Джей Гулд опубликовал свою первую книгу, «Онтогенез и филогенез» (Ontogeny and Phylogeny)10. Она была посвящена именно этой взаимосвязи (и вполне могла бы называться проще – «Развитие и эволюция»). Гулд особо подчеркивал тот факт, что эволюция не может позволить себе роскошь, доступную скульпторам, архитекторам и инженерам, и создавать что-то с нуля. Напротив, эволюция – это мастер, создающий новое, переиначивая пути развития старых форм, да еще и с дополнительным условием: все новое должно работать максимально эффективно. Зачастую это приводит к удивительным решениям, и сама их странность – лучшее доказательство эволюции. Если говорить точнее, Гулд, да и не только он, отмечает, что из-за такого кустарно-экспериментаторского характера эволюции иногда в процессе эмбрионального развития организма «воспроизводятся» стадии эволюционного процесса.

Иными словами, экстравагантное развитие лучей звезды у звездоноса может быть связано с тем, что на носу его предка органы Эймера располагались в виде отдельных полос, направленных назад. И если в процессе эволюции они постепенно приподнимались и отделялись от кожи, то последовательность эволюционных этапов может отражаться в последовательности развития звезды у современного звездоноса.

Эта гипотеза эволюции звезды звучала очень здорово, но ей не хватало доказательств. Я даже не знал, существовал ли у звездоноса такой предок. Ископаемых кротовьих носов не существует, вот в чем проблема. Но надежда оставалась: в мире насчитывается более тридцати видов кротов, и если хотя бы у одного из них обнаружится «протозвезда», это будет даже лучше окаменелости. К тому времени я уже познакомился со многими исследователями кротов и знал, что на Западном побережье США обитает вид, который весьма логично называется тихоокеанским кротом (Scapanus orarius) и с которого стоило начать.

Я немного покопался в литературе, и у меня возникла идея. Оказалось, что тихоокеанский крот наносит огромный ущерб фермам в округе Тилламук штата Орегон. Так что я прилетел в Портленд, арендовал там машину, доехал до Тилламука и заселился в прибрежный отель. Оказавшись в номере, я первым делом открыл телефонную книгу и позвонил в ближайший гольф-клуб.

– Здравствуйте! Скажите, пожалуйста, страдает ли ваше заведение от кротов?

– Разумеется. – В женском голосе слышалось подозрение. – Почему вы спрашиваете?

– Я бы хотел подъехать и поймать парочку особей, если позволите.

– Нет-нет, спасибо, мы уже решаем проблему. Нам не нужны морильщики. – Она явно собиралась повесить трубку.

– Постойте, я биолог. Я не ищу работу, кроты нужны мне для исследования, я их поймаю бесплатно.

Понадобилось еще немного времени, чтобы убедить женщину, что я не мошенник. Оказалось, что кротов здесь столько, что разные компании постоянно навязывают услуги по их отлову и истреблению. Наконец она убедилась в моих честных намерениях и разрешила приехать.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

В 1963 году Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за описание ионных механизмов возбуждения и торможения в нервных клетках. – Прим. пер.

2

Одна из них уже решена российским математиком Григорием Перельманом (он доказал гипотезу Пуанкаре), так что осталось всего шесть. – Прим. ред.

3

Ранее – расформированный отряд Insectivora; ныне кротов и землероек принято относить к отряду Eulipotyphla. – Прим. науч. ред.

4

В русской классификации она называется угревидной амфиумой. – Прим. науч. ред.

5

Букв. «покоритель ада»; по одной из версий, поселенцы описывали эту амфибию как «существо из ада, намеренное туда вернуться». – Прим. пер.

6

Первое издание книги С. Куффлера и Дж. Николса «От нейрона к мозгу» (1975) было переведено и выпущено в СССР в 1979 году. Второе и третье издания на русский язык не переводились. Переработанное и дополненное четвертое издание вышло на английском языке в 2001 году, а на русском – в 2012 году. – Прим. пер.

7

Отсылка к выражению «жуткое дальнодействие» – так Альберт Эйнштейн иронично называл принцип квантовой запутанности, который отказывался принять. – Прим. пер.