Текст книги "Интеллектика. Как работает ваш мозг"

Автор книги: Константин Шереметьев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 38 страниц) [доступный отрывок для чтения: 14 страниц]

Катализ репликации

Следующим шагом эволюции стало образование таких полимеров, которые могут катализировать собственный процесс репликации. Катализатор – это вещество, которое ускоряет химические реакции. Следовательно, ускоряется образование именно тех полимеров, которые сами ускоряют данный процесс. В результате определенный набор полимеров становится более устойчивым и образует систему, в которой преобладает определенный вид макромолекул.

Начинается естественный отбор органических систем. Теперь при встрече двух цепочек побеждает та, которая сумела катализировать свой процесс репликации, а неудачная цепочка распадается. Хотя мы и называем этот процесс естественным отбором, мы все еще имеем дело с неживым организмом. Идет простая химическая реакция, результатом которой становится преобразование неустойчивых макромолекул в устойчивые.

В соответствии с нашей теорией, живые системы должны иметь систему отражения, а здесь пока идет прямое химическое воздействие.

Синтез белков

Нуклеотиды имеют относительно слабые возможности для построения специфических функциональных систем, но способны направлять синтез полипептидов, то есть белков. Для синтеза белков используется специальный генетический код, в котором определенные триплеты нуклеотидов кодируют определенные кислоты. Этот код одинаков у всех живых организмов. Из этого следует, что в результате естественного отбора появилась определенная органическая система, сумевшая синтезировать белки, которая вытеснила все прочие полинуклеотидные системы. Все существующие сейчас живые организмы являются потомками одной органической системы. Короче, наша нуклеотидная цепочка забила всех остальных. Ну так им и надо!

Эта органическая система и есть первобытная ДНК. Именно эта нуклеотидная цепочка сумела первой поставить себе на службу белки и добиться подавляющего преимущества перед другими полинуклеотидами.

Хотя организм человека содержит около квадриллиона клеток, каждая из них включает в себя ДНК, в которой записана полная информация о строительстве этого организма. Данная информация представляет собой руководство, описывающее те белки, которые требуется синтезировать для создания организма.

Способность направлять синтез белков позволила создавать практически любые органы и ткани, что в дальнейшем привело к чрезвычайно большому разнообразию живых систем.

Заключение в мембрану

Заключительной частью появления первых клеток было появление мембраны. Это произошло благодаря свойству определенных органических молекул, называемых фосфолипидами, образовывать в воде замкнутые двухслойные пузырьки.

Так как для синтеза белков необходима физическая близость молекул, то наиболее устойчивыми системами синтеза оказывались наборы макромолекул, попавшие внутрь фосфолипидных пузырьков, которые в итоге стали клеточными мембранами. В результате заключения их в мембрану появилась возможность гораздо более эффективного синтеза белков, так как катализаторы всегда находились в контакте с полипептидами и могли точнее направлять их синтез. После этого появилась возможность построения всех остальных подсистем клетки.

Первая живая система

Таким образом, появление первых клеточных систем на Земле основано на следующих основных свойствах органических молекул:

• автосборка;

• матричное копирование;

• репликация систем;

• синтез белка;

• образование мембраны.

В результате эволюции органических молекул появились замкнутые органические образования, которые в дальнейшем эволюционировали в живые системы. Для появления живой системы должна была возникнуть система реагирования, которая заставила бы клетку отвечать не на само воздействие, а на информацию о нем.

Первой живой системой была клетка, которая изменила свое поведение в ответ на информацию о воздействии.

Появление такой клетки стало возможным путем создания специальных видов белков, которые стали не просто материалом для строительства клетки, а полноценными устройствами для восприятия и обработки информации.

Первые клетки были крайне примитивны. Все органические образования, включая ДНК, были перемешаны и разбросаны по всей клетке. Органические соединения они вырабатывали, питаясь неорганическими соединениями, метаном и двуокисью углерода.

Подобные бактерии встречаются и в наше время, но они могут существовать только в экзотических местах: в горячих минеральных источниках и вблизи действующих вулканов.

Системы отражения первых клеток представляют собой молекулы белка, которые реагируют на концентрацию химических веществ. Двигательным аппаратом являются так называемые жгутики, которые позволяют клетке перемещаться относительно градиента химических веществ.

Таким образом, система отражения этих клеток может реагировать только на непосредственное окружение клетки.

Строматолиты

А как же выглядели самые первые живые организмы? Для того чтобы узнать это, нужно перенестись на другой конец земного шара – в Австралию. В залив Шарк. Особенность этого залива в том, что вода в нем настолько соленая, что в ней не могут жить хищники.

И здесь спокойно существуют самые древние живые организмы – строматолиты (рис. 2). Остатки строматолитов находят по всему земному шару в горных породах, возраст которых достигает трех миллиардов лет.

Рис. 2. Строматолиты

Строматолиты научились синтезировать питательные вещества при помощи энергии солнечного света, то есть освоили фотосинтез. Поэтому можно считать строматолиты предками первых растений.

Появление многоклеточных

Важнейшим шагом эволюции стало появление многоклеточных. При переходе к многоклеточному организму появляется возможность выделения системы отражения в отдельную подсистему, что позволяет сделать ее гораздо более эффективной.

Организованные формы совместного реагирования встречаются даже у одноклеточных организмов. Например, многие цианобактерии не расходятся после деления, образуя нитевидные цепочки до метра длиной. Через регулярные интервалы в такой цепочке встречаются изменившиеся клетки, способные включать атмосферный азот в органические молекулы. Эти специализированные клетки (которых немного) осуществляют фиксацию азота не только для себя, но и для соседних клеток, с которыми они обмениваются продуктами метаболизма.

Последовательность развития многоклеточных легко проследить на примере зеленых водорослей, которые существуют как в виде одноклеточных, так и в виде многоклеточных организмов.

• Род Chlamydomonus – жгутиковые простейшие, живущие отдельно.

• Род Gonium – простейшие, имеющие форму вогнутого диска, биения их жгутиков ориентированы в одном направлении, поэтому они способны приводить колонию в движение. Каждая клетка такой колонии может дать начало новой колонии.

• Род Volvox – колония клеток, которая может включать до 50 тысяч клеток, образующих полый шарик. Индивидуальные клетки соединены цитоплазматическими мостиками, и биения жгутиков скоординированы. Имеется специализация. За воспроизводство отвечает небольшое количество клеток. Остальные клетки неспособны к самостоятельному существованию.

Особенно интересно поведение таких созданий, как клеточные слизевики – миксомицеты (рис. 3). Основную часть жизни эти клетки живут автономно, питаясь бактериями. Но если запас пищи иссякает, то каждая клетка выделяет особое вещество, которое служит сигналом объединения. Миллионы клеток соединяются вместе и образуют слизистую массу, которая перемещается как единое целое. Этот слизевик реагирует на свет и химические вещества уже как целостный организм. А в конечном итоге слизевик принимает вид плодоносящего тела.

Рис. 3. Миксомицеты

Очевидно, что появление специализированных клеток сделало многоклеточные структуры более устойчивыми, чем одноклеточные. Появилась возможность выделения системы отражения в отдельную структуру, которая способна неограниченно развиваться.

Глава 3. Эволюция нервных систем

Немногие из наших предков были совершенными леди или джентльменами; в большинстве своем они не были даже млекопитающими.

Роберт Уилсон

Эволюция постепенно отбирала для дальнейшего использования элементы отражающих систем, пока не построила из них самую совершенную систему отражения, которую торжественно вручила человеку.

Эволюция живых организмов

Общая схема эволюции живых организмов представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Эволюция живых организмов

Эта схема отражает наиболее крупные этапы эволюции, которые прошли живые организмы. Левый ряд схемы показывает ту ветвь, по которой быстрее всего развивалась нервная система.

Правые ветви на рисунке отражают альтернативные варианты эволюции, уровень систем отражения которых хотя и примитивен, но полностью соответствует их образу жизни. Растения не имеют нервной системы, но те немногие способы реагирования, которыми они обладают – открытие и закрытие цветов, сбрасывание листьев, – вполне достаточны для получения многочисленного потомства. И хотя какая-нибудь травка в таких условиях легко уязвима из-за слабой системы отражения, в целом вид является очень устойчивым.

Особенно продвинулись в этом направлении членистоногие. Общественная жизнь муравьев или пчел настолько сложна, что ученые прошлых столетий считали семьи этих насекомых настоящими государствами.

Другой особенностью таблицы является то, что левый ряд схемы все больше и больше заботится о потомстве. Это означает, что врожденных реакций становится все меньше, а приобретенных – все больше. Успешность выживания начинает определяться не наследственностью, а обучением.

Теперь рассмотрим основные этапы эволюции систем отражения до появления головного мозга.

Системы отражения простейших

Самые простые живые организмы, дожившие до нашего времени, – это простейшие. Самые крупные простейшие не превышают миллиметра. Но, несмотря на свои размеры, они имеют весьма сложную систему отражения. У них в зачатке есть практически все отделы нервной системы, которые есть и у человека, – зрение, слух, вкус. Это говорит о том, что наличие системы отражения дает живому организму такое преимущество, которое позволяет существовать миллиарды лет без каких-либо существенных изменений.

Системы отражения простейших построены по принципу непосредственной реакции избегания вредных стимулов и приближения к полезным. Если аквариум с эвгленами поставить в тень и осветить небольшой участок, то все эвглены соберутся в этом участке. Парамеция-туфелька загоняет в глотку все, что плавает рядом, но бактерии она переваривает в создаваемых для этого желудочках, а несъедобные частицы выплевывает.

Некоторые бактерии могут не только убегать, но и защищаться. Инфузория имеет специальные стрекательные палочки и на раздражение отвечает залпом этих палочек из множества отверстий. Некоторые бактерии в ответ на содержание в среде ядовитого для них пенициллина начинают выделять особый фермент, который разрушает это вещество. После разрушения всего пенициллина синтез фермента прекращается.

Самое удивительное, что у простейших есть даже способности к обучению. Инфузория спиростомум на сотрясение воды реагирует сжиманием в комочек. Если сосуд со спиростомумами регулярно подвергать сотрясению, то инфузории начинают сжиматься все меньше и меньше. Этот вид обучения называется привыканием.

В копилку эволюции

На примере простейших природа выделила те стимулы, которые действительно важны для выживания: зрительные, слуховые, вкусовые. На все эти стимулы нужно как-то реагировать. Впрочем, если стимул повторяется, то можно особо не стараться, ничего важного в нем нет.

Системы отражения кишечнополостных

Кишечнополостные состоят из трубки, образованной двумя слоями клеток, между которыми расположен слой студенистого вещества, называемого мезоглеей. С нижнего конца трубка закрыта, а с верхнего – открыта. В открытом конце трубки находится ротовое отверстие.

К кишечнополостным относятся полипы, актинии, кораллы. Наиболее известным представителем кишечнополостных является пресноводная гидра (рис. 5).

Рис. 5. Гидра

Гидры прикрепляются к камням или водным растениям на дне пруда или ручья. В случае раздражения сжимаются в комочек. Гидры питаются мельчайшими организмами, выбрасывая ядовитые нити и затягивая добычу в рот.

Гидра разрешает обращаться с собой довольно фамильярно. Например, гидру можно разрезать на части. Из каждой части вырастет новая гидра. Если одну гидру «привить» на другую, то произойдет реорганизация двух гидр в одну.

Нервная система гидры – это диффузная сеть нейронов, находящаяся непосредственно под поверхностным слоем клеток. Нейрон – это специальная клетка, которая может передавать электрические импульсы. Однако между нейронами связь происходит химическим путем через синапсы. Нейроны посылают сигналы мышечным клеткам. Передача сигналов возможна от любой точки к любой другой. Сильное раздражение приводит к реакции всего животного.

Область отражения – небольшое поле около самого животного. Интересен сам принцип отражения. На любой стимул реагирует вся нервная система целиком. Выделения объектов нет. Каждый раздражитель воспринимается или как еда, или как враг. Еда переваривается. От врага гидра прячется, сжимаясь в комок.

Есть суммационный рефлекс, при котором разные стимулы повышают общую реакцию, и привыкание, при котором часто повторяемый сигнал снижает общую реакцию.

Интересным подходом к организации нервной системы отличаются мшанки Cristatella. Это похожие на гидр мелкие водные животные, которые живут колониями. Каждая особь имеет один ганглий[1]1
  Ганглий – скопление нервных клеток. Обычно ганглий имеет также оболочку из соединительной ткани. Имеются у многих беспозвоночных и всех позвоночных животных. – Здесь и далее примеч. ред.


[Закрыть] и отходящие от него нейроны. При этом они производят общий мышечный слой и соединяют свои нервные системы в одну. Колония мшанок начинает реагировать как единый организм. При раздражении в одной точке вся колония начинает двигаться.

Противоположное поведение демонстрируют морские звезды, относящиеся к типу иглокожих. Нижнюю поверхность звезды устилает множество щупалец. Они ощупывают дно и перемещаются к пище. Если только один конец морской звезды обнаружил пищу, то вся звезда перемещается в этом направлении. Но возможен вариант, что пища одновременно обнаружена разными концами звезды. Тогда звезда начинает стремиться в разные стороны, и ее разрывает пополам. Впрочем, для морской звезды это не страшно, из этих половинок образуется две новых звезды.

В копилку эволюции

Кишечнополостные изобрели нейрон – универсальную клетку для реагирования. Изобретение оказалось на редкость удачным. Нейрон с некоторыми видоизменениями позже взяли на вооружение все последующие виды организмов, включая человека.

Нейрон удобен тем, что позволяет запросто строить нервные сети любой сложности, а на их основе легко отражать все более сложные элементы окружающей среды.

Системы отражения червей

Вдоль всего тела дождевого червя тянутся две параллельные цепочки нервных ганглиев. Две пары самых первых – наиболее крупные. Их активность влияет на активность остальной нервной системы. Благодаря светочувствительным клеткам кожи черви реагируют на свет.

Дождевые черви уже имеют сложные врожденные схемы поведения – инстинкты. Они роют норки и затаскивают в них кусочки растений. В светлое время суток черви проводят время в норке. В сумерки черви цепляются задним концом тела за край норки, а передним концом обследуют поверхность вокруг норы и затаскивают туда листья и мелкие камушки. Листьями дождевой червь питается, а камушки использует для укрепления норки.

Если червь покинет норку, то найти ее не сможет и будет рыть новую. Образовывать условные рефлексы дождевые черви не могут.

У планарий (плоских червей) также есть набор ганглиев, но светочувствительные клетки сосредоточены только в глазных ямках, расположенных в головном отделе. Планарии живут в воде, избегают света и предпочитают двигаться против течения.

Планарии используют экзотические методы защиты. Планария терриколя в случае опасности сама себя разрывает на куски. Через несколько часов каждый из 10–20 кусков регенерирует в целого червя.

Если планария будет долго голодать, то она начинает пожирать себя. Сначала половые органы, потом мускулы. Но ганглии она есть не будет.

При попытке выработать у планарий условный рефлекс на световой стимул и электрический удар выяснилось, что у них просто усиливается чувствительность к любому стимулу – поэтому можно считать, что черви не способны к обучению.

Нервная система червей не требует целостности организма и также может разделяться на части. Черви палоло живут на морском дне у побережий Фиджи и Самоа. Для метания икры червь посылает на поверхность только заднюю часть своего тела. Эта часть тела отращивает глаза и ножки, всплывает на поверхность, лопается и разбрасывает икру.

Изучение червей показывает, что они имеют набор одинаковых групп нейронов, которые соединяются врожденными связями. Например, нематода Caenorhabditis elegans имеет всегда 302 нейрона. Нематоды делают ставку не на нейронную сеть, а на быстрое размножение. Самки нематод откладывают до четверти миллиона яиц в сутки. В теплой и сырой почве количество нематод может достигать до 2 миллионов на кубический дециметр. Этот червь интересен еще тем, что для него была детально определена структура ДНК, и выяснилось, что большинство генов человека уже содержится в геноме этого червя.

В целом, система отражения червей – это заданная программа поведения на определенные стимулы. И хотя поведение червей достаточно гибко, приспособиться к новым условиям и чему-либо научиться они не могут.

Впрочем, для их образа жизни это не очень важно. Гигантский трубчатый червь устроился лучше всех. Он достигает размера около 3 метров и селится около горячих источников. Можно сказать, живет на курорте. У него нет даже рта и пищеварительной системы. Он питается отходами бактерий, которые живут у него внутри. Зачем этому червю чему-либо учиться?

В копилку эволюции

Черви «догадались», что нейронная сеть нуждается в координации. Для координации они завели нервные ганглии. Именно в ганглиях происходит отбор валентной информации, и они же решают, какова должна быть реакция организма на стимулы.

С этого момента природа решила, что идет в правильном направлении, поэтому дальше она сосредоточилась на работе с ганглиями.

Системы отражения хордовых

Первые хордовые появились на Земле еще в кембрийском периоде, около 570 миллионов лет назад. В этот момент истории Земли появились многоклеточные, и природа принялась массово экспериментировать с различными формами жизни. На протяжении кембрийского периода уровень моря неоднократно повышался и понижался. При этом происходила резкая смена условий жизни, и целые виды целиком вымирали. Необходимо было выработать принципиально новые системы отражения, которые позволили бы организмам выживать в столь быстро меняющихся условиях.

В первую очередь, необходимо было выделить нервную систему в специальный защищенный орган. Так появилась жесткая хрящевая струна – хорда, которая предохраняла нервную трубку, от которой отходят многочисленные нервы. Хорда и по сей день появляется у зародышей всех позвоночных, включая человека.

У хордовых нервная система получает полное управление организмом, а сама нервная система обладает выраженной иерархией. Следующим шагом станет появление головного мозга (у первых хордовых мозга еще не было).

В настоящее время существует единственный представитель хордовых, который еще не обзавелся головным мозгом – это ланцетник (рис. 6). Изучение этого животного показало, что оно уже может организовывать устойчивые условные рефлексы, которые сохраняются в течение суток. Более того, его условные рефлексы вырабатываются именно на определенные виды раздражителей и сопровождаются двигательными реакциями.

Рис. 6. Ланцетник

В копилку эволюции

Первые хордовые уже «поняли»: инстинкты – это хорошо, но учиться тоже нужно. Для этого нужно выделять те сигналы, которые сопровождают валентные стимулы, и реагировать на них.

Уровни организации нервной системы

Теперь мы можем выделить основные приобретения нервной системы до появления мозга.

Инстинкт. Живой организм появляется на свет с набором готовых схем реагирования на стимулы, который генетически заложен в строении нервной системы.

• Реагирование. Любой валентный сигнал попадает в нервную систему, и результатом его обработки является двигательная реакция.

• Привыкание. Снижение валентности повторяемых сигналов. Часто повторяемый сигнал не опасен, и реакция на него уменьшается.

• Иерархия нервных цепей. Сравнение валентностей различных каналов передачи информации. Сигнал, проходящий по более важному органу, перекрывает не очень важный сигнал.

• Цефализация. Выделение ряда головных ганглиев в качестве центральных. Это очень важно для подвижных животных, так как при перемещении нужно быстро определить, что ждет впереди, и среагировать на это.

• Условный рефлекс. Постоянное сочетание невалентного сигнала с валентным повышает валентность этого сигнала.