Я мыслю, следовательно, существую — но почему я мыслю? Краткая история долгой эволюции нейронов

Это заняло — пустяк — четыре миллиарда лет. Столько времени потребовалось для развития думающего и чувствующего человеческого мозга. А все потому, что даже простейшим одноклеточным организмам, жившим невообразимо давно, приходилось решать те же проблемы, с которыми приходится сталкиваться и нам сегодня. Возможно, в это трудно поверить, но наша нервная система создана благодаря... губкам. Как проходил этот процесс?

Как и большинство эволюционных событий, появление нейронов не произошло внезапно. Они развивались постепенно, посредством небольших изменений, произошедших при переходе от губок к жалящим птицам.

В начале была… губка

Взрослые губки… являются малоподвижными существами, которые обычно остаются прикрепленными к твёрдому субстрату. Однако в юности они умели свободно плавать и много двигались. Внешняя поверхность тела личинок губок покрыта выступами, называемыми ресничками, которые молодое тело использует для передвижения. К клеткам прикрепляются реснички (по одной на так называемую ресничную клетку). Они напоминают клетки жгутиковых.

У молодой губки в разных местах имеются два типа мерцательных клеток. Короткие реснички находятся в плавательных клетках, покрывающих большую часть поверхности тела личинки. Постоянное биение этих ресничек вызывает случайные, несфокусированные движения, которые заставляют личинку передвигаться . С другой стороны, длинные реснички расположены в контрольных клетках, сконцентрированных на одном конце тела. Они чувствительны к свету (…). Реснички исчезают, когда губка достигает зрелого возраста.

Приведенный выше текст представляет собой отрывок из последней книги Жозефа Леду «История нашего сознания», которая только что была опубликована издательством Центра Коперника.

Гаспар Жекели предложил интересную гипотезу о том, как плавание личинок губок с помощью ресничек проложило путь к появлению нейронов у жалящих жуков. По мнению Джекели, «сильные» нейроны сначала эволюционировали для улучшения сенсомоторной интеграции.

Напомним, что динофлагелляты, которые тесно связаны с протистическими предками губок, должны обнаруживать свет, плавать и контролировать движение (а также питаться и размножаться) с помощью всего лишь одной клетки. Преимущество личинок губок состоит в том, что у них много клеток, и их гены могут распределять задачи между отдельными клетками.

Отделив обнаружение света от общего управления движением, личинки губок отделили сенсорные функции от функций плавания. Однако возникла проблема. Сенсорные клетки не могут быстро воздействовать на плавающие клетки, поскольку они расположены в других частях тела, а химическая связь для этого слишком медленная. Решение заключалось в том, что клетки с короткими ресничками поддерживали личинку в постоянном хаотическом движении, а сенсорные клетки с длинными ресничками, помимо восприятия стимулов, брали на себя еще и ответственность за рулевое управление, что является менее сложной задачей, чем плавание.

Нейрон строился не за один день

Однако это оказалось неэффективным по сравнению с тем, что в конечном итоге сделали возможным нейроны. Так как же развивались нейроны и синапсы?

Согласно гипотезе Джекели, трансформация происходила в несколько этапов:первым гипотетическим изменением было скопление сенсорных и моторных клеток близко друг к другу а не в разных частях тела (как в светочувствительных/управляющих клетках и плавательных клетках). Химические вещества, выделяемые сенсорными клетками, могли диффундировать в тела соседних двигательных клеток и координировать их деятельность, что действовало на коротких расстояниях.

Затем в теле сенсорной клетки появился придаток, благодаря которому выделяемые ею химические вещества могли влиять на моторные клетки, расположенные дальше. Это помогло в некоторой степени преодолеть пространственные ограничения химической диффузии между клетками, но с удлинением шипа возникло еще одно ограничение — коммуникация по-прежнему основывалась на медленной химической диффузии в придатках сенсорной клетки.

Решение заключалось в том, чтобы использовать быструю электрическую связь внутри придатков, которые стали аксонами, а затем медленную химическую связь, чтобы преодолеть короткий разрыв между сенсорными и моторными клетками. В результате расстояние между сенсорными и двигательными клетками стало менее важным, и клетки одной части нервной системы могли взаимодействовать с клетками других частей тела независимо от их расстояния.

Действие:мутация

Обычно мы думаем об эволюции с точки зрения того, как она влияет на тела взрослых. Поэтому нам трудно представить, как из губок развились гидра и дискусы. Этот процесс станет более понятным, когда мы поймем, что и губки, и скаты проходят стадию реснитчатой ​​личинки, а затем развиваются в полип-кувшин. Иными словами, генетическая модификация способа развития губки могла в результате естественного отбора привести к развитию личинки, созревшей в форме полипа, что, в свою очередь, стало отправной точкой эволюции жалокрылых.

Ранние стадии жизни, как правило, лучше отражают взаимоотношения вида с его эволюционными предками, чем форма тела взрослой особи. Это связано с тем, что естественный отбор меняет способ, которым гены создают организмы в ходе индивидуального развития. Когда мутации развития благоприятны, они становятся более распространенными в популяции, и когда данный признак приобретается достаточно большим количеством особей, Bauplan оно меняется настолько, что возникает новый вид или даже тип. Тесная связь раннего развития с эволюцией представляет интерес для эволюционной биологии развития, так называемого эво-дево .

Естественный отбор меняет способ, которым гены создают организмы в ходе индивидуального развития.

В истории того, как губки подарили нам нервную систему, есть еще одна важная нить. . Что ж, хотя у самих губок нет нейронов, у них есть то, что Сет Грант называет основными протосинаптическими элементами. Точнее, у них есть гены, которые у более поздних животных отвечают за пресинаптический участок (например, гены, кодирующие белки, составляющие структуры, хранящие нейротрансмиттеры в упаковках перед их высвобождением в синаптическую щель) и за постсинаптический участок ( например, гены, кодирующие рецепторы, связывающие высвобождаемые нейротрансмиттеры), а также гены, кодирующие молекулы адгезии, используемые для стабилизации образующихся синаптических соединений.

Почему губки не смогли развить синапсы, несмотря на наличие этих ключевых ингредиентов? Похоже, им не хватает молекулярных сигналов, которые скоординированно запускают экспрессию генов на ранних стадиях развития, в результате чего может возникнуть нервная система.

В отсутствие такой генетически закодированной программы развития, управляющей сочетанием пресинаптических и постсинаптических элементов, было невозможно точно контролировать поведение в ответ на сенсорную информацию. Простого соединения и склеивания соседних клеток недостаточно для создания мозга животного. Развитие синапсов, специализирующихся на передаче зрительных, тактильных или вкусовых сигналов или способных направлять движения определенных частей тела или всего тела к определенному стимулу или от него, требует точной архитектуры связей между клетками.

Игра на нервах

Особенно интересно то, что некоторые из этих основных протосинаптических элементов также обнаружены у фланцевых жгутиконосцев. Ни у этих простейших, ни у губок не было свободного времени, которое можно было бы использовать для формирования нейронов и синапсов, но они служили другим целям. Когда пришло время создавать синапсы между нейронами для решения проблемы связи между разными частями тела, для этого были использованы существующие элементы . И как только эти элементы были использованы жуками для синаптической передачи, они сохранили эту роль у всех последующих животных.

Нервная система жалящих жуков рудиментарна и в основном состоит из простой нервной сети — диффузного скопления нейронов, разбросанных по наружному слою кожообразной ткани. (Интересная деталь:взаимоотношения между кожей и нейронами, при которых и нейроны, и клетки кожи развиваются из слоя эктодермы развивающегося эмбриона, сохранились и у таких позвоночных, как мы.)

Как и все последующие нервные системы, нейронные сети жал по сути представляют собой системы сенсомоторной интеграции, выполняющие три основные задачи. Во-первых, они получают сообщения от сенсорных рецепторов, чувствительных к свету, прикосновению, силе гравитации или химическим веществам. Во-вторых, они отбирают и обрабатывают сенсорные сообщения. В-третьих, они вырабатывают двигательные команды, которые контролируют мышечную активность.

В это трудно поверить, но наша нервная система создана благодаря… губкам.

Это позволяет различным частям тела реагировать как единое целое. Однако нейронная сеть не позволяет точно локализовать двигательную реакцию. Гидра реагирует одинаково независимо от того, какая часть тела находится в контакте с раздражителем.

Полипообразное тушеное мясо, такое как гидра, обычно имеет только диффузную сеть нервов, тогда как в дисках, имеющих форму медузы, нейроны также объединяются в кластеры. Например, некоторые нейроны образуют нервное кольцо вокруг зонтика медузы, контролирующее ее движения во время быстрого плавания; другие сосредоточены в усиках и контролируют свободное плавание, захват добычи и передачу спермы при половом размножении. Таким образом, эти различные локальные наборы нейронов обеспечивают более точный ответ на стимуляцию, чем сама нейронная сеть.

Наука не ушла в лес

По словам Детлева Арендта и его коллег, генетические открытия указывают на то, что скопления нейронов в зонтиках и ртах дискусов являются предшественниками более сложных структур тела и мозга, характерных для двусторонних симметричных животных, которые произошли от жалящих жуков. Зонтичный кластер, по-видимому, является предшественником специализированного набора нейронов, появившихся в области головы большинства многоклеточных животных (другими словами, предшественник того, что мы знаем как мозг). Другой кластер, расположенный вокруг рта и усиков, возможно, перерос в более поздний нервный ствол, соединяющий головной мозг с остальным телом (у позвоночных это спинной мозг).

Описанный здесь процесс показывает, что нейроны возникли из-за необходимости связи между сенсорными и моторными клетками . Ранее мы определяли нервную систему как устройство, сочетающее сенсорные и двигательные аспекты, но теперь мы можем расширить это определение, сказав, что это совокупность клеток, которые лежат между сенсорными и двигательными клетками тела и координируют движения мышц тела. в ответ на сенсорные стимулы. У некоторых организмов нейрональная медиация относительно проста (например, в нервных сетях ската), а у других она чрезвычайно сложна (например, в мозге позвоночных). Великий пионер нейробиологии сэр Чарльз Скотт Шеррингтон выразил это так:«Мозг кажется стволом нервной деятельности на пути к движущемуся животному».

Но если бы нервные системы существовали только для передачи информации из точки А в точку Б, поведение ограничивалось бы простыми врожденными реакциями. Одним из величайших преимуществ нервной системы является то, что нейроны легко модифицировать при взаимодействии организма с окружающей средой. Эта способность, называемая синаптической пластичностью, является основой обучения.

Было высказано предположение, что ключевым фактором кембрийского взрыва тел животных было появление обучения, основанного на нервной системе. В то время как организмы без нервной системы могут учиться (вспомним способность к обучению одноклеточных микробов), именно благодаря нервной системе обучение стало гораздо более сложным и гибким .

Приведенный выше текст представляет собой отрывок из последней книги Жозефа Леду «История нашего сознания», которая только что была опубликована издательством Центра Коперника.

Источник:

Приведенный выше текст представляет собой отрывок из последней книги Жозефа Леду «История нашего сознания», которая только что была опубликована издательством Центра Коперника.