Поведением организма не обязательно управляет нервная система. Можно быть одноклеточным и ловко уворачиваться от препятствий и опасностей. Можно быть растением и, подобно животным, использовать электрические сигналы и гормоны. Даже у вирусов, хоть это и неклеточные формы жизни, есть своего рода память.
Живым организмам нужно быстро улавливать сигналы окружающей среды и правильно их интерпретировать. Слышно рычание? Возможно, хищник — надо бежать! Вкусно пахнет? Стоит посмотреть поближе — вдруг это съедобно. В животном организме контролем сигналов занимаются нервная и эндокринная системы. Но бактерии, грибы, вирусы, растения, одноклеточные этих систем не имеют — и при этом прекрасно реагируют на изменение обстановки, а многие даже обладают своего рода памятью и способны к обучению. Как им это удаётся?
ЭМБРИОНЫ И РЕГЕНЕРАЦИЯ
Любой организм, который появился в результате полового размножения, когда-то был одноклеточным. В тот момент у него, конечно, не было ни нервной, ни эндокринной системы. Тем не менее клетки эмбриона постоянно должны «знать», как им делиться и расти дальше, чтобы образовать ткани и органы.
В этом ему помогают морфогены — вещества, выделяемые самими клетками зародыша. Одни морфогены подавляют действие других, что похоже на возбуждение и торможение в нервной системе.
Кроме того, клетки эмбриона обмениваются сигналами через клеточные контакты, выделяют «обычные» нейро-медиаторы вроде серотонина и меняют заряд на своих и чужих мембранах. Всё это, напомним, ещё до развития у зародыша нервной системы и даже нервной ткани!
Эксперименты показывают, что «неправильное» воздействие серотонина на клетки зародыша может нарушить обычный ход его развития. Например, на месте кишечника появляются глаза или возникают опухоли.
Рога оленей заново отрастают каждый год. Новым клеткам рогов тоже нужно каким-то образом «знать», как располагались их предшественницы, и расти в том же направлении. Иногда они ошибаются, и получаются рога необычных форм и размеров.
Как «общаются» клетки зародыша?
В мембранах клеток есть группы белков (коннексонов), которые образуют каналы, способные открываться и закрываться. Когда клеточные мембраны лежат близко друг к другу, их коннексоны могут совместиться. Так клетки обмениваются различными молекулами.
В эмбрионах прудовика на ранних стадиях развития нет нервных клеток. Однако прудовик управляет «характером» своих потомков с помощью серотонина, выделяемого особыми клетками в матке. Весной его много, и молодь, которая появляется в это время года, более подвижна. Осенью — наоборот. Это нужно, чтобы прудовики расселились наиболее эффективно и смогли пережить неблагоприятные условия.
ОДНОКЛЕТОЧНЫЕ И ОТДЕЛЬНЫЕ КЛЕТКИ
Инфузорию-туфельку, малярийного плазмодия, эвглену зелёную и амёбу протея помнят все. Это классические примеры одноклеточных, их часто рассматривают вместе в курсе зоологии, хотя друг другу они приходятся лишь очень дальними родственниками — да и животным тоже. Этим организмам присущи таксисы — это способность совершать всем телом направленные движения, например, к еде или от раздражителя. У эвглены есть светочувствительный глазок, чтобы понимать, где она может фотосинтезировать; и у всех них есть химическое чувство — способность ощущать концентрацию молекул и реагировать на это.
Но, пожалуй, в контексте поведения гораздо интереснее редкие гости школьных учебников — дрожжи. Обычно под этим словом имеют в виду представителей вида Saccharomyces cerevisiae. Чаще всего они размножаются бесполым способом – почкованием, но способны также обмениваться генетическим материалом с другими клетками. Чтобы найти полового партнёра, дрожжевая клетка подаёт особые химические сигналы — в случае успешного поиска они же приостанавливают череду её почкований. Но если партнёр так и не обнаруживается в течение какого-то времени, дрожжи выставляют защиту против сигнальных веществ, благодаря чему могут продолжать почкование даже в присутствии «стоп-сигнала».
Возможно, что «память» дрожжам о том, что полового размножения не было (то есть обмен генетическим материалом не произошёл), обеспечивают комплексы из нескольких крупных молекул. Их исследователи назвали «мнемоны» — от древнегреческого «память».
Как амёба ощущает мир?
Для восприятия воздействий окружающей среды у простейших есть специальные органеллы или комплексы молекул, а также особые рецепторы на поверхности клетки. Они передают сигнал в цитоплазму, где начинается перестройка клеточного скелета, и форма клетки меняется — появляются и исчезают ложноножки. На фото: амёба выпускает ложноножки после стимуляции иглой. Источник: журнал Cell.
Зачем дрожжам феромоны?
Когда дрожжевая клетка чувствует химический сигнал (феромон) от другой готовой к половому размножению клетки, она вырабатывает белок Whi3 (красные кружки). Он подавляет активность белка Cln3 (зелёные звёздочки), который способствует почкованию. Но действие феромонов не длится вечно, и если в течение определённого времени полового размножения не произойдёт, Whi3 инактивируется (коричневые кружки) и тем самым «разрешит» Cln3 действовать, а клетке — почковаться. Источник: журнал Cell.
Отдельные клетки животных тоже демонстрируют способности к запоминанию. Клетки иммунной системы, Т-лимфоциты могут годами хранить информацию о том, как реагировать на тот или иной чужеродный агент, а культуры клеток млекопитающих развивают зависимость от наркотиков: когда такие вещества перестают добавлять в питательную среду, клетки замедляют рост.
СЛИЗЕВИКИ
Можно приходиться животным лишь очень далёким родственником и тем не менее уметь чувствовать и обучаться. Слизевиков считают грибоподобными организмами, и их классификация сложна и неоднозначна. В любом случае, эти существа почти всегда чередуют в жизненном цикле стадию многоядерного или многоклеточного плазмодия и амёбоидных клеток.
Пока клетки слизевика слиты в единый организм, они способны расти по пути к пище (овсянке), огибая препятствия (соль), сравнивать ценность пищи с затратами на её добычу, проходить через лабиринты и выбирать самый быстрый путь от одной точки до другой. Кроме того, они могут привыкнуть к неприятному стимулу, если будут знать, что за ним скрывается вознаграждение. И даже если плазмодий разделить на две части, его клетки не потеряют эти способности и будут действовать одинаково, применяя одну и ту же логику. Что это, если не память?
Клетки или ядра в составе плазмодия меняют форму слаженно за счёт периодических движений цитоплазмы, а ещё, скорее всего, благодаря структурам клеточного скелета. Также они обмениваются электрическими сигналами. Но нейронов или подобных им структур у слизевиков нет.
Амёбоподобный организм Dictyostelium discoideum порой относят к слизевикам. Он передвигается с помощью ложноножек, которые попеременно возникают то в одной, то в другой части его одноклеточного тела.
Логика отращивания псевдоподий становится ясна, а появление новых ложноножек получается предсказать, если рассматривать электрический заряд на поверхности этого организма и её возбудимость. В том месте, где вырастает очередная ложноножка, возбудимость мембраны временно увеличивается, а на соседних участках — снижается. Это блокирует формирование псевдоподий там, где они недавно образовывались, и по сути своей похоже на возбуждение и торможение в нейронах.
Как слизевики терпят соль ради овсянки
Слизевики (жёлтые круги внизу) могут поесть овсянки (белые круги вверху), если преодолеют неприятную преграду — солевые мостики (прямоугольники по центру). Чтобы делать это периодически, нужно хотя бы несколько раз преодолеть скопление соли и получить за это вознаграждение (еду). Такая форма обучения называется привыканием. Один слизевик (в центре), видимо, уже привык «терпеть».
Источник: CNRS.
ВИРУСЫ, ПРОКАРИОТЫ И ОТДЕЛЬНЫЕ МОЛЕКУЛЫ
Ядро — важный элемент клетки. Здесь хранится ДНК — вещество, которое определяет, каким будет организм. Однако ДНК может храниться и вне ядра — в митохондриях, пластидах, в плазмидах и нуклеоиде, если мы говорим о прокариотах. Она даже не обязана быть в клетке: содержат же вирусы нуклеиновые кислоты, не имея клеточного строения. Так что у всех организмов независимо от сложности их строения присутствуют «генетическая память», восприятие окружающей среды, некоторые способности к памяти и обучение.
Ещё в 1970-х годах эксперименты на прокариотах — кишечной палочке, сальмонелле и некоторых других видах бактерий — показали, что у них тоже есть химическое чувство: они реагируют на изменение концентрации ионов снаружи от себя так же, как на изменение концентрации «интересующих» их веществ вроде сахара и соли. В зависимости от того, что происходит с анионами и катионами по разные стороны мембраны, меняются и электрические потенциалы прокариотической клетки. Иногда внешние воздействия оказываются настолько сильными, что бактерия теряет способность управлять жгутиком и, как следствие, двигаться.
Но не одним электричеством живут прокариотические клетки. Они могут принимать решения сообща — главным образом, о контроле над своей численностью, — и в зависимости от неё становятся более или менее заразными. Некоторые сигналы такого рода понятны бактериям разных видов и позволяют им «договариваться» между собой. Эта особенность «поведения» прокариот и вирусов называется чувством кворума.
Каждый организм в составе «кворума» выделяет определённое количество сигнального вещества и может оценивать его концентрацию. Когда она превысит определённый порог, бактерии прекращают размножаться до тех пор, пока концентрация данного вещества не снизится. Это уменьшает для каждой бактерии в колонии риск умереть от голода.
Коллективный ум бактерий
Хоть бактерии и не имеют нервной системы, они чувствуют потребности друг друга и коллективно защищаются от напастей. Они обмениваются плазмидами — фрагментами ДНК, которые несут гены устойчивости к антибиотикам или экстремальным условиям среды. Ещё бактерии собираются в биоплёнки — колонии клеток, покрытые общей слизистой оболочкой, которая устойчива ко многим химическим воздействиям. Из-за этой оболочки бактерии становится сложнее уничтожить.
РАСТЕНИЯ
В рамках школьной программы разумные растения встречаются разве что в сказках, но в природе у этих организмов гораздо больше «нервного», чем представляется на первый взгляд.
Растительные клетки, как и животные, имеют потенциал покоя (его обеспечивает неодинаковое количество положительно и отрицательно заряженных ионов по разные стороны клеточной оболочки) и способны генерировать потенциал действия (ПД). «Ботанический» ПД обеспечивается немного другим набором ионов, нежели чем потенциал действия в нейронах мыши или кальмара, и длится дольше, но суть у него та же. Электрические сигналы передают информацию о прикосновениях у мимозы стыдливой, помогают хищным растениям ловить насекомых и направляют рост кончика корня, уводя его от камней и ядов и приводя к воде и питательным веществам.
Чувствительность мимозы и венериной мухоловки блокируется тем же веществом, которое используют для наркоза животных, — новокаином, а горох прекращает «шевелить усиками» под действием диэтилового эфира. Кроме того, недавно стало известно, что клетки растений образуют самый распространённый нейромедиатор человеческого мозга — глутамат.
Кончики листьев венериной мухоловки (Dionaea muscipula) несут триггерные волоски. Когда что-то прикасается к ним, генерируются потенциалы действия, «приказывающие» ловчим листьям схлопнуться.
Также растения пользуются гидравлическими сигналами (следят за изменением давления воды в разных своих частях), активными формами кислорода и вторичными метаболитами. Есть у них и свои собственные гормоны. Об этом мы подробно писали в статье «Как говорят растения» (OYLA №47). Совсем недавно стало известно, что растения, по крайней мере томат и табак, способны подавать даже звуковые сигналы. Правда, для нас они вне диапазона слышимости (наверное, это и хорошо). Ультразвук растения издают периодически, и если их поранили или они пострадали от засухи, частота и длительность звуковых сигналов меняется.
Хотя многие из форм «поведения», перечисленных здесь, кажутся необычными и почти нереальными, объяснить их всё-таки можно. Все сигналы и формы обучения так или иначе сводятся к молекулам в клетках и их работе. Просто мы ещё не все такие молекулы идентифицировали.
Но зачем изучать «поведение» и «интеллект» столь непохожих на нас организмов: слизевиков, растений, бактерий? Во-первых, это интересно — понимать механизмы жизни. Во-вторых, эти исследования помогут нам гораздо более полно ответить на вопросы — что такое память? Что такое сознание? Что такое ум? И понять самих себя.
