Безнервное животное приоткрывает тайны происхождения нервной системы
Все животные обладают поведением: они совершают те или иные движения, воспринимают окружающий мир и подстраивают свои действия в соответствии с внешними условиями. Для этого у животных есть нервная система, состоящая из клеток с длинными отростками – нейронов. Отростки нейронов пронизывают все тело и проводят электрические импульсы, передавая сенсорную информацию от органов чувств к мозгу и команды от мозга к мышцам, железам и другим исполнительным органам. Такая информация, по крайней мере, остается у людей после школьного курса биологии. Но как возникла самая первая нервная система? Произошло это один раз или больше? Какие у нее были предшественники? Эти вопросы и школьная биология и программа обучения студентов-биологов оставляет без внимания.
В нейробиологии с XIX века и по сей день господствует рефлекторная, или электрическая, парадигма нервной системы. Ее основы были заложены работами Луиджи Гальвани и Германа Гельмгольца по «животному электричеству», а окончательно ее сформулировали И. М. Сеченов, И. П. Павлов и Чарлз Шеррингтон. В ней принято, что информация в нервной системе передается в виде электрических сигналов вдоль отростков нейронов и в виде химических веществ (нейротрансмиттеров) в синапсах – специальных соединениях между нервными клетками. Синапсы могут появляться, изменяться и исчезать, и эта синаптическая пластичность – базовый механизм памяти. Любое поведение, врожденное или выученное, физически записано в совокупности синапсов нервной системы, которая получила специальное название – коннектом. Предполагается, что если мы полностью знаем весь коннектом животного, мы можем моделировать и предсказывать его поведение, и такие попытки уже делаются, например, для Caenorhabditis elegans – миллиметрового червячка, имеющего ровно 302 нейрона, каждый из которых ученые могут отличить от остальных.
Как и любая парадигма в науке, рефлекторная парадигма в нейробиологии одновременно предлагает одни новые направления исследования и ограничивает другие. Например, она ничего не говорит о происхождении нервной системы. Или, что важнее, она не может ответить на вопрос, почему существует так много разных нейротрансмиттеров. Как заметил в 2000 году нобелевский лауреат Эрик Кандел, для работы нервной системы хватило бы и одного нейротрансмиттера. Тем не менее существуют десятки нейротрансмиттеров: ацетилхолин, норадреналин, серотонин, глутамат, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), АТФ, оксид азота – лишь немногие самые распространенные. Если роль нейротрансмиттеров сводится к тому, чтобы передавать сигнал от одного нейрона к другому, то зачем их столько?
Мы не первые, кто задает этот вопрос. Им задавался, например, физиолог Хачатур Седракович Коштоянц еще в 1950-е годы. По его гипотезе нейротрансмиттеры и, шире, работающие в нервной системе механизмы химической регуляции унаследованы от более древних, донервных регуляторных систем. Конкретнее, он предполагал, что до появления нейронов поведение животных управлялось системой из железистых клеток, выделявших разные сигнальные молекулы, которые распространялись по телу животного простой диффузией. Эти молекулы впоследствии стали нейротрансмиттерами и гормонами. В такой системе каждая клетка может получать сигналы от любой другой клетки, поэтому для адресной доставки сигналов нужно разнообразие сигнальных молекул и рецепторов к ним. Каждая клетка будет получать только те сигналы, к которым у нее есть рецепторы. И в такой системе естественно ожидать, что на каждую поведенческую реакцию будет свое сигнальное вещество, которое будет действовать на те типы клеток, которые участвуют в этой реакции.
К сожалению, Коштоянц скончался в 1961 году, практически не успев проверить свою гипотезу экспериментально. Проверкой ее занялись его ученики Д. А. Сахаров и Г. А. Бузников и созданная ими научная школа. Вот некоторые из предположений Коштоянца, которые подтвердились:
- Наличие веществ-нейротрансмиттеров у безнервных организмов и участие их в регуляции поведения.
- Участие нейротрансмиттеров в регуляции развития зародышей животных на ранних стадиях, до появления первых нейронов.
- Независимое происхождение разных нейронов.
- Консервативность специфических функций нейротрансмиттеров.
- Биохимическая память отдельной клетки – теперь хорошо известно, что эта память есть, в первую очередь в виде устойчивых изменений активности определенных генов.
- Объемная передача – передача сигналов между клетками путем выделения нейротрансмиттеров диффузно, не в синаптическую щель, а просто в межклеточное пространство.
Геннадий Андреевич Бузников еще при жизни Коштоянца показал роль серотонина в регуляции дробления зародышей моллюсков. Далее он показал, что зародыши морских ежей чувствительны к серотонину, дофамину, ацетилхолину и лекарствам, влияющим на эти нейротрансмиттерные системы у человека. Эта роль нейротрансмиттеров в зародышевом развитии является, среди прочего, причиной, по которой большинство психофармакологических средств нельзя использовать на ранних сроках беременности.
Объемная передача была открыта в экспериментах на моллюсках и пиявках. Например, обыкновенная медицинская пиявка имеет две формы защитной реакции. Если ее потрогать пинцетом, она может уплыть, змеевидно изгибаясь, а может уйти, шагая на передней и задней присосках, подобно гусенице-пяденице. Обе эти реакции различимы и на изолированном препарате нервного ганглия пиявки. Дмитрий Антонович Сахаров показал, что добавление серотонина к жидкости, омывающей препарат ганглия, сдвигает «предпочтения» этой модели в сторону плавания, а дофамина – в сторону шагания. У улитки-прудовика глоточный ганглий в норме отдает команды ротовым мышцам через нервные волокна, но в эксперименте его достаточно положить рядом с этими мышцами, в общей жидкости, чтобы начались жевательные движения. Тщательные электронно-микроскопические исследования нейронов червей и моллюсков показали, что они содержат пузырьки с нейротрансмиттерами и систему их быстрого выделения не только в синапсах, но и во многих других местах по ходу отростков, где они выделяются просто в межклеточную среду.
Независимое происхождение нейронов впервые было показано учеником Сахарова, профессором университета Флориды Леонидом Морозом. В 2014 году его группа опубликовала большое исследование генома и нейрофизиологии гребневика