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

Катания Кеннет

empty-line/>

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 большая 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.

7

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

«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).