Древо познания
Шрифт:
Однако не следует упускать из виду, что внешнее проявление этого типа движения не является ни универсальным, ни необходимым для всех форм живых существ. В частности, у растений, которые представляют собой одно из фундаментальных порождений естественной эволюции, движение как способ бытия по существу отсутствует. Предположительно это связано с тем, что растения поддерживают свое существование за счет фотосинтеза при условии постоянного локального поступления питательных веществ и воды из почвы, а также газов и света из атмосферы. Это позволяет им сохранять адаптацию, не нуждаясь в интенсивных или быстрых движениях в течение большей части своего онтогенеза.
Для наблюдателя очевидно, что движение открывает перед организмом многочисленные возможности. Многие из них реализуются вследствие естественного дрейфа организмов. Например, подвижные организмы основывают на движении не только размножение, но и питание и способы взаимодействия с окружающей средой. Именно в связи с такого
Сенсомоторная координация в одноклеточных организмах
Вернемся к амебе в тот момент, когда она собирается поглотить простейший организм. Что при этом происходит? Суть процесса сводится к следующему: присутствие простейшего создает в окружающей среде концентрацию определенных веществ. Эти вещества способны взаимодействовать с мембраной амебы, инициируя изменения в консистенции протоплазмы, что приводит к формированию ложноножки. В свою очередь ложноножка вызывает изменения в положении движущегося животного, тем самым изменяя число молекул окружающей среды, взаимодействующих с мембраной амебы. Этот цикл повторяется; таким образом, последовательность движений амебы является результатом сохранения внутренней корреляции между степенью изменения амебной мембраны и тех модификаций протоплазмы, которые мы наблюдаем в виде псевдоножек. Иначе говоря, между возмущенной или сенсорной поверхностью организма и ее участком, способным порождать движение (моторной поверхностью), устанавливается периодически возобновляемая или неизменная корреляция, которая поддерживает ряд внутренних соотношений в амебе.
Еще один пример поможет лучше понять, о чем идет речь. На рис. 40 вы видите простейшее животное, обладающее специальной структурой — жгутиком. С помощью этого жгутика простейшее может двигаться в жидкой среде. В рассматриваемом нами частном случае жгутик движется так, что тянет клетку за собой. Плавая, простейший организм время от времени наталкивается на препятствие. Что происходит в такой ситуации? Поведение одноклеточного, стремящегося изменить направление движения, весьма интересно: когда простейшее сталкивается с препятствием, его жгутик изгибается. Этот изгиб вызывает изменения в основании жгутика, погруженном вглубь клетки. В свою очередь, клетка производит изменения в цитоплазме, которые вынуждают жгутик повернуться, в результате чего следующим взмахом жгутик вынуждает клетку двигаться в другом направлении. Такой механизм позволяет простейшему животному, натолкнувшемуся на препятствие, повернуть и не врезаться в него. Как и в случае амебы, происходящее сводится к сохранению определенной внутренней корреляции между структурой, способной выдерживать некоторые возмущения (сенсорной поверхностью), и структурой, способной порождать движение (моторной поверхностью). В этом примере интересно то, что и сенсорной, и моторной поверхностью в действительности служит одна и та же поверхность, поэтому их связь осуществляется непосредственно. рис. 40. Сенсомоторная корреляция у простейших животных
Рассмотрим еще один пример такой связи между сенсорными и моторными поверхностями. Существуют одноклеточные бактерии с жгутиками, Hai юминаю-щими по внешнему виду жгутики некоторых простейших. Но, как видно из рис. 41, жгутики бактерии действуют совершенно иначе [11] . Они не «хлопают» из стороны в сторону; основание жгутиков остается неподвижным, а сами жгутики вращаются наподобие гребного винта, причем они могут вращаться как в одну, так и в другую сторону. Но если при вращении жгутиков в одну сторону координация вращений приводит к отчетливому движению бактерий, то при вращении в противоположную сторону бактерии просто толкутся на одном месте. Можно поместить бактерию под микроскоп и проследить за тем, что с ней происходит при различных контролируемых условиях. Например, если в среду, в которой находится бактерия, бросить где-нибудь в уголке крупинку сахара, то бактерия прекратит «топтание на месте», изменит направление вращения своего жгутика и направится в зону с наибольшей концентрацией сахара следуя по направлению градиента концентрации. Каким образом это происходит? Оказывается, в мембране бактерии имеются специальные молекулы, способные взаимодействовать с сахаром, поэтому, когда вблизи бактерии возникает разность концентрации, в ней происходят изменения; именно эти изменения и заставляют жгутик вращаться в другом направлении. Таким образом, в каждый момент времени между сенсорной поверхностью и моторной поверхностью клетки возникает устойчивая корреляция, которая и обусловливает четко выраженное дискри-минаторное поведение бактерии, которая неизменно устремляется в зоны более высокой концентрации некоторых веществ. Это явление известно под названием «хемотаксис» Оно служит примером поведения
11
8 Berg Н. Scientific American, 233 (1975): 36
В отличие от бактерий стрелолист, о котором мы упоминали выше, и другие растения не обладают моторной поверхностью, которая наделяла бы их способностью двигаться. Правда, и среди бактерий встречаются такие, которых можно рассматривать как своего рода компромисс между способностью и неспособностью двигаться Например, когда Caulobacter оказывается в очень влажной среде, она прикрепляется к почве с помощью пьедестала, напоминающего по внешнему виду растение. Но при обезвоживании бактерия репродуцируется, и новые клетки вырастают с жгутиком, который помогает им перебраться в более влажную среду.
Рис 41 Движение с помощью жгутиков у бактерий
Сенсомоторная корреляция у многоклеточных
На приведенных выше примерах мы видели, что движение (поведение) одноклеточных организмов основано на весьма специфической корреляции между их сенсорными поверхностями и их моторными поверхностями, ответственными за движение. Нам известно также, что эта корреляция обусловлена процессами, происходящими внутри клетки, т. е. метаболическими преобразованиями, присущими клеточному единству. А что происходит в случае многоклеточных организмов?
Рассмотри эту ситуацию также на примере. На рис. 42 вы видите гидру, вроде тех, что обитают во многих стоячих водоемах. Гидры — многоклеточные
Рис. 42. Небольшое кишечнополостное: гидра
Рис. 43. Схематическое изображение разнообразных клеток в тканях гидры Нейроны выделены животные, принадлежащие к группе кишечнополостных, древней ветви животных, состоящих из двойного слоя клеток в форме вазы. Щупальца, расположенные по краю горловины вазы, позволяют гидре передвигаться в воде и хватать других животных, которых гидра затем проталкивает внутрь «вазы» и переваривает, выделяя пищеварительные жидкости. Взглянув на клеточную структуру гидры, мы увидим двойной слой клеток: один слой обращен наружу, другой — внутрь Клетки этих слоев довольно разнообразны. Среди них имеются стрекательные клетки с маленькими шипами Стоит какому-нибудь животному коснуться такой клетки, как она выстреливает своим зарядом. Другие клетки обладают вакуолями, способными выделять во внутреннюю полость гидры пищеварительные жидкости. У гидры имеются также моторные клетки, обладающие волокнами, способными сокращайся, которые располагаются на стенке гидры в продольном и поперечном направлениях (рис. 43). При сокращении таких мышечных клеток в различных комбинациях гидра совершает различные передвижения.
Ясно, что для координации действия, например мышечных клеток щупалец и секреторных клеток внутренней полости ела гидры, между теми и другими клетками должен существовать какой-то тип связи. Для этого недостаточно, чтобы клетки просто были расположены в два слоя.
Чтобы понять, каким образом осуществляется сопряжение между клетками, необходимо подробнее рассмотреть то, что находится между двумя клеточными слоями — наружным и внутренним. Там расположены клетки особого типа с длинными отростками, простирающимися в теле животного на значительное расстояние. Такие клетки характерны тем, что с помощью своих отростков они устанавливают контакт с топографически удаленными клеточными элементами многоклеточного организма Это нервные клетки или нейроны, в их простейшей и примитивнейшей форме. Гидра обладает одной из простейших нервны) систем среди всех известных. Она состоит из нейронной сети, а также рецепторов и эффекторов. В целом нервная система гидры напоминает лабиринт взаимосвязей, объединяющих все части животного посредством волокон, идущих в межклеточном пространстве. Так нервная система обеспечивает взаимодействие сенсорных и моторных элементов, разнесенных далеко друг от друга.
Таким образом, мы имеем дело с абсолютно такой же, с точностью до деталей, ситуацией, с какой нам уже приходилось встречаться при анализе поведения одноклеточных организмов сенсорная поверхность (в данном случае — сенсорные клетки), моторная поверхность (в данном случае — мышечные и секреторные клетки) и система координации между обеими поверхностями (нейронная сеть). Поведение гидры (питание, передвижение, размножение и т. д.) является следствием различных способов установления динамической связи между сенсорной и моторной поверхностями посредством нейронной сети, составляющей нервную систему.