1. Безмозглое большинство
Как чувствуют те, у кого нет мозга

У растений нет мозга, потому что они никуда не идут.

Роберт Сильвестер, профессор образования и философ

Человеческий мозг и чувства – это результаты эксперимента, который идет на нашей планете миллиарды лет. Чтобы выяснить, какие события имеют значение в этом эксперименте, и понять наши уникальные способности воспринимать окружающий мир, необходим эволюционный подход. И он требует, чтобы мы сосредоточились на нескольких важных результатах эволюции: биоразнообразии и исключениях. За 3,5 миллиарда лет эволюции на Земле возникло удивительное многообразие организмов, без которого мы не смогли бы исследовать многие нюансы наших собственных сенсорных способностей. Например, наша способность слышать звуки в определенном диапазоне всесторонне описана, но мы бы не знали, что наш слуховой диапазон биологически ограничен, если бы не изучили эхолокацию летучих мышей. Таким образом, исследование биоразнообразия позволяет нам шире взглянуть на собственные биологические характеристики, связанные с восприятием. Исключения же привлекают наше внимание к мельчайшим подробностям того, как обычно все работает в природе, а также позволяют нам задаться вопросом: почему они возникают? Примеры исключительного восприятия нам предоставляют и сама природа, и наблюдения за сенсорными пределами человека. Многие исключения – это результат эволюции какого-то вида. Некоторые из сенсорных исключений помогают понять, как работает конкретное чувство и как могла развиться сенсорная реакция.

Одним из примеров полезности сенсорных исключений является распределение обонятельных генов у животных. Число функциональных обонятельных генов, обнаруженных у позвоночных на сегодняшний день, варьируется: у североамериканского красноносого анолиса, небольшой ящерки, их менее двадцати, а у слона – более двух тысяч. Для сравнения: у человека примерно четыреста подобных генов. Если мы сопоставим число генов с тем, как чувствуют запах разные животные, мы можем многое узнать о нашем обонянии. Разнообразие организмов на нашей планете демонстрирует удивительные природные эксперименты и открывает колоссальные возможности в плане понимания чувств.

Все виды связаны между собой через общих предков, и это позволяет нам взглянуть на этапы эволюции наших уникальных сенсорных способностей. Древо жизни – прекрасный способ продемонстрировать как важность биоразнообразия, так и полезность общего происхождения. По этой причине на протяжении всей книги я буду использовать древо жизни как организующий принцип для наших органов чувств и мозга.

Человеческий мозг – это сложная структура, где обрабатываются чувства и происходит восприятие. В процессе эволюции мозг высших животных развивался, чтобы накапливать информацию из внешнего мира, обрабатывать данные и обеспечивать выживание. Большинство видов из почти двух миллионов, известных науке на сегодняшний день, имеют мозг (ученые проводят различие между числом неизученных и изученных существующих видов, потому что рассматривают вид, который не был определен и описан, как нечто бессмысленное в упорядоченном мире). Все это может привести к мысли, что мы живем в очень «мозговитом» мире, настроенном на знакомые нам чувства. Однако у подавляющего большинства обитателей этой планеты мозга нет, и его отсутствие также весьма оправданно в вопросе выживания. Организмы без мозга все же могут довольно хорошо чувствовать и интерпретировать среду, в которой они живут. И выходит, что эти безмозглые организмы и есть то самое позабытое большинство, населяющее Землю.

Большая часть организмов – это неизвестные науке одноклеточные. Недавние исследования человеческого микробиома показали, что в среднем более десяти тысяч видов бактерий живет внутри и снаружи нашего тела, и многие из них безымянны и не включены в таксономическую систему. И это только тело человека! Если проанализировать океан или почву, легко убедиться: количество видов бактерий там зашкаливает. В 1980-х годах известный энтомолог Терри Эрвин предположил ошеломляющую возможность: на Земле может проживать в десять, а то и в сто раз больше видов организмов, чем известные на тот момент 1,5 миллиона. Вспоследствии ученые начали открывать все новые и новые виды бактерий. В 2009 году микробиолог Роб Данн предположил, что существует по крайней мере сто миллионов видов микробов (журналисты назвали эту теорию «провокацией Данна»), а следовательно, на Земле проживает минимум двести миллионов видов организмов. Большая часть этих видов – микроорганизмы, а значит, мозг у них отсутствует. Вдобавок к этому стоит принять во внимание, что 99,9 % всех организмов, когда-либо живших на планете, вымерло. Если учесть, что бактерии и одноклеточные организмы существовали еще за 2 миллиона лет до появления животных и растений, то примерное количество одноклеточных воистину поражает. Имеющие мозг организмы всегда были в крайнем меньшинстве, поэтому Земля – довольно «безмозглая» планета.

Так откуда же вся эта суета вокруг мозга? Для восприятия мозг не нужен. Галилео Галилей однажды написал: «Прежде чем зародилась жизнь, особенно высшие ее формы, все было невидимым и безмолвным, хотя солнце светило и рушились горы». Высказывание Галилея в ретроспективе означает, что до появления механизма восприятия света у бактерий такое понятие, как свет, отсутствовало в принципе, а следовательно, не было и самого света. Первые организмы, развившие в себе подобные клеточные механизмы, метафорически прокричали: «Да будет свет!» Вероятнее всего, те первые чувствительные организмы сфокусировались на каком-то одном внешнем природном раздражителе: на свете, на особом виде молекулы, плавающей вокруг, на гравитации или магнетизме.

Андрий Анишкин и его коллеги предполагают, что первобытное чувство возникло как возможный ответ липидной мембраны, окружающей клетку, на механическое воздействие. Другими словами, любая физическая сила, сместившая первичную мембрану, стала первым внешним раздражителем, который клетки научились чувствовать. Эксперименты показывают, что сила, воздействующая на внешнюю липидную мембрану клетки, может привести к конформационным изменениям молекул^[2], встроенных в мембрану. Подобные изменения в конформации молекул действуют как переключатели встроенных клеток. Если молекулы сжаты или деформированы, они изменяют форму, что может включить или отключить другие реакции внутри клетки. Одной из наиболее распространенных сил внешней среды, воздействующих на клетку, выступает осмотическое давление, вызванное различными концентрациями соли внутри и снаружи клетки. Анишкин и его коллеги предполагают, что такая сила, как осмотическое давление, могла быть первым чувственным переживанием, с которым столкнулась замкнутая клеточная форма жизни. Это явление фактически все еще существует в современных клетках, что указывает на умеренный темп эволюции за 3,5 миллиарда лет с момента зарождения жизни на Земле. Когда структура или процесс в ходе эволюции оказываются адаптивными, они сохраняются у потомков в результате естественного отбора. Но другая интересная возможность заключается в том, что неродственные организмы опять и опять заново открывают аналогичные процессы или структуры в эволюционной истории. Такой вид эволюции называется аналогией или конвергенцией, и примеров ему предостаточно. Скажем, крылья, независимо возникшие у птиц, млекопитающих, насекомых и птерозавров, отлично иллюстрируют конвергенцию.

Так почему же именно мозг? Первичные одноклеточные организмы обладали чрезвычайно ограниченными способностями чувствовать, они сводились к восприятию единичных воздействий окружающей среды. Мозг развивался, чтобы обеспечить более точную интеграцию чувственных сигналов и тонкое восприятие информации из внешнего мира. Мозг делает наше окружение более понятным, обнаруживая и обрабатывая широкий спектр стимулов, постоянно бомбардирующих нас извне.

Мозг должен обработать мощный хаотичный информационный поток, накатывающий из окружающей среды, дротиками пронзающий организм и сталкивающийся с его органами чувств. Одну из форм этого хаоса легче всего представить в виде набегающих волн. Для лучшего понимания того, как наша нервная система воспринимает свет, можно сказать, что электромагнитное излучение (им по сути является свет) одновременно ведет себя и как волна, и как частица. Это значит, что свет обладает и теми и другими качествами. Одна из характеристик волны – ее длина. В следующий раз, когда будете на пляже, посмотрите, как на берег набегают волны. Длина волны – это расстояние от гребня одной волны до гребня следующей. Электромагнитное излучение с различными длинами волн (рис. 1.1) имеет разные характеристики и может варьироваться от 0,000000000001 метра (гамма-лучи) до более чем 10 000 метров (радиоволны). Люди различают свет только в очень узком диапазоне этого спектра – от 400 до 700 нанометров, или от 0,0000004 до 0,0000007 метра. Невидимый (для человеческого глаза) диапазон света за пределами конца спектра с короткими волнами (400 нм) называется ультрафиолетом, или ультрафиолетовым светом. Сразу за концом спектра с длинными волнами (700 нм) находится инфракрасное (тепловое) излучение, или инфракрасный свет. Между ними находятся цвета, которые можно различить глазом: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный – в этом списке они расположены от меньшей длины волны к большей. Как и почему наше восприятие цвета застряло в этом узком диапазоне – это история об эволюции и адаптации. Чтобы понять это, нам нужно понять физику света и длины волны.

1.1 Как и почему мы различаем цвета?

Когда свет падает на объект, он обрушивается на огромное количество молекул, из которых состоит этот объект. Поскольку свет и электромагнитное излучение также считаются частицами, ученые дали имя фундаментальной частице электромагнитного излучения – фотон. Когда фотон взаимодействует с чем-то, для него есть два варианта: он может быть поглощен или отражен. Поэтому, когда свет, состоящий из фотонов с разной длиной волн, сталкивается с объектом, происходит взаимодействие, которое можно разложить на миллионы и миллионы всякого рода аспектов. Некоторые молекулы будут отражать фотоны, другие – поглощать их. Отраженные фотоны попадают нам в глаза, и мы видим цвет предмета. Например, ткани растений содержат молекулы хлорофилла. Благодаря своей форме (напоминающей верхнюю часть молота Тора) и своему размеру они поглощают свет с длиной волн 430 и 662 нанометра. Эти две волны дают синий и красный цвет соответственно. Хлорофилл не поглощает свет с длиной волн в диапазоне от 430 до 662 нанометра, где находится зеленый цвет и видимая для нас часть цветового спектра. Если на объект, способный поглотить волны разной длины, направить широкий спектр света, то он поглотит их все. То есть не будет фотонов видимого спектра, которые отразятся от объекта, и он останется бесцветным. Цвета, которые мы можем различить, – это лишь результат отражения частиц света с разной длиной волн от предметов в направлении наших глаз.

Рис. 1.1. Электромагнитный спектр (диапазон длин волн фотонов, воздействующих на нас в природе). Диапазон световых волн – более восемнадцати порядков. Видимая часть спектра представлена всего лишь небольшой полоской между 400 и 700 нанометрами

Мы не видим весь спектр света – скажем, в ультрафиолетовом и инфракрасном излучении, – потому что наши глаза в результате эволюции стали различать только узкий диапазон волн. Хотя для большинства организмов основной источник электромагнитного излучения – это Солнце, многие другие источники генерируют фотоны, которые и составляют световые волны. Рентгеновские лучи – пример света, созданного эмиссией (испусканием) электронов из атомов. Наши глаза не видят рентгеновские лучи, однако мы придумали отличный способ использовать фотографирование для их выявления.

Люди постоянно пытаются найти способ выйти за пределы своих естественных границ и расширить диапазон не только зрения, но и других чувств. Это важный и непрерывный процесс. Другие источники длины волны включают биолюминесценцию – форму света, которая в видимом спектре излучается живыми организмами, производящими, а не отражающими свет.

Другая составляющая хаоса – это молекулы в воздухе, а также в твердых телах, газах и жидкостях, с которыми мы контактируем. Эти молекулы состоят из атомов, которые самыми различными путями формируют сложные соединения и создают неимоверное количество маленьких объектов, плавающих в воздухе или в том, что мы глотаем. Некоторые из этих молекул совсем крошечные, но все они имеют отличительные формы и размеры и могут быть достоверно распознаны посредством механизма «ключ-к-замку», который реализуется белками клеточной мембраны. Части этих белков работают как замки, расположенные с внешней стороны клетки. Когда появляется небольшая молекула, которая подходит к замку как ключ, она образует комплекс с белками клеточной мембраны и меняет их форму. Это инициирует ряд реакций внутри клетки, и вызванная цепная реакция меняет ее состояние. То, что происходит в клетке, называется трансдукцией или передачей сигнала, и этот процесс лежит в основе работы нервной системы и реакции одноклеточных организмов на внешние раздражители. В этих маленьких молекулах, которыми наполнена наша среда обитания, заложена суть того, как мы и другие организмы воспринимаем вкусы и запахи.

Иногда перемещение воздуха вокруг нас (или воды, если мы плаваем) вызывает шквал ощущений. Вспомните, как заметно чувствуется движение воздуха, когда вы подносите руки к сушилке в общественном туалете. И невозможно забыть (кто угодно может это подтвердить) то чувство, когда мы ударяемся головой обо что-то твердое, например о притолоку подвала. А это значит, что, когда наша кожа вступает в контакт с газообразным, жидким или твердым объектом, у нас возникает механическая реакция. Организмы должны знать, где именно они находятся в пространстве, поэтому многие формы жизни разработали способы отслеживания своего положения, и все они связаны с чувством равновесия. Хаос воздействия внешней среды, который вызывает потребность в равновесии, возникает под действием силы тяжести и из-за движения организма. К другим переменным факторам относятся температура, магнитное и электростатическое поля.

1.2 Как устроен звук?

Звук – это раздражитель, воздействующий на наши органы чувств посредством волн определенной длины, передающихся в воде, воздухе, гелиевой и других средах, и воспринимаемый как вибрация. Звуковые волны имеют тенденцию вытеснять воздух и частицы, летающие в нем. Разные источники звука испускают волны различной длины, что обеспечивает существование в природе широкого звукового диапазона. Как и в случае со светом, в процессе эволюции живущие на планете организмы научились различать узкий спектр звуковых волн. Звуковые волны расходятся циклически, переходя от одного пика волны к другому. Чем меньше количество циклов в единицу времени, тем ниже звук, а чем больше – тем звук выше. Единица частоты звука называется герц, и она измеряет количество циклов звуковой волны в секунду. Человеческое ухо различает довольно широкий диапазон звуков – от 20 до 20 000 Гц, а другие животные, обитающие на нашей планете, способны уловить и более низкие, и более высокие звуки.

Специализированные клетки организма обнаруживают сенсорную информацию в окружающей среде. Но как они это делают? Механизм одноклеточных организмов сильно отличается от механизма таких многоклеточных, как растения и высшие животные. У высших животных мозг обрабатывает информацию, полученную от органов чувств.

Даже одноклеточные, которых мы называем бактериями и археями, чувствуют мир вокруг них. Это происходит потому, что среда постоянно контактирует со всем тем, что окружает эти крошечные организмы. Чтобы убедиться в наличии чувств у бактерий, можно посмотреть видео, как бактерия-хищник поедает свою жертву. Когда хищник начинает уничтожать добычу, поразительно, как быстро и избирательно он это делает. Это наглядная иллюстрация принципа: «Ты – мой вид, я тебя не трону… а ты – нет, тебя можно съесть». Еще больше удивляют видеоролики, где одноклеточные эукариоты преследуют и поедают другие одноклеточные организмы. Но самым сильным впечатлением для меня стало видео о том, как бактерии «чувствуют» внешний мир, показывающее «линейные танцы» микробов, реагирующих на магнитное поле. Позвольте мне объяснить, как и почему они это делают.

Некоторые бактерии умеют считать, и эта способность требует, чтобы считающая клетка чувствовала свое окружение. Чувство кворума – одно из самых примитивных способов, позволяющих клеткам чувствовать и общаться друг с другом. Все живое на Земле использует молекулы для общения. И механизм восприятия кворума, и чувства так называемых более сложных организмов основаны на межмолекулярных взаимодействиях. У одноклеточных организмов есть молекулярная система индикации света, и некоторые микробы (как и более сложные животные) чувствуют магнитные поля. Магнитотактические бактерии ориентируются по магнитному полю Земли, потому что их клеточные мембраны содержат мелкие частицы сульфида железа, или магнетита (магнитосомы), заключенные в мембраноподобную органеллу, и выстраиваются в линию в этой оболочке. Но для линейного танца этим крошечным частицам недостаточно лишь встать в строй. Выровненные магнитосомы внутри бактерий располагаются параллельно, придавая бактериям характеристики магнитного диполя и превращая их в крошечные магниты с магнитными полюсами. Многие виды бактерий являются магнитотактическими. Этот феномен, по-видимому, возник только единожды в эволюционной истории микробов, поскольку большинство магнитотактических бактерий относится к типу протеобактерий и к двум другим близкородственным типам. Кроме того, гены, которые модулируют строительство этой органеллы, сгруппированы в геномах магнитотактических бактерий, что приводит к двум интересным аспектам эволюции этого явления.

1.3 Бактериальное чувство кворума

Микробам часто необходимо чувствовать плотность популяции, чтобы реагировать на изменения окружающей среды. Классический пример этой способности – чувство кворума, присущее биолюминесцентным бактериям Aliivibrio fischeri, населяющим световой орган гавайского короткохвостого кальмара (Euprymna scolopes). Между кальмаром и бактериями установились мутуалистические (взаимовыгодные) отношения: кальмар взращивает в себе A. fischeri, а бактерии, в свою очередь, освещают фотогенный орган кальмара, используемый им для маскировки от хищников. Однако бактериям важно понимать, когда именно надо «зажечь свет»: «светить всегда, светить везде» – ужасное расточительство энергии. Поэтому в световом органе кальмара развился механизм регуляции экспрессии белков, продуцирующих биолюминесценцию, который использует хитрую способность бактерий ощущать размер своей популяции. Бактерии производят белок, называемый индуктором, который они идентифицируют благодаря наличию у них другого белка – рецептора. Когда рецептор и индуктор связываются друг с другом при помощи механизма «замок – ключ», происходит биолюминесцентная реакция, поскольку в бактериальном геноме постепенно «включается» цепочка генов. Когда в световом органе находится недостаточное количество A. fischeri, концентрация индуктора настолько низка, что тот не может эффективно связаться с рецептором и свет не генерируется. Такой вид восприятия происходит полностью на молекулярном уровне.

Во-первых, плотная кластеризация генов, участвующих в формировании магнитосом и содержащих их органелл, указывает на единый механизм этого феномена (по крайней мере у типов, где обнаружены магнитотактические бактерии). Во-вторых, эти гены расположены на так называемом колонизационном участке ДНК, который может передвигаться по горизонтали к другим видам. Этот горизонтальный перенос способен осуществить и ускорить эволюцию магнитотактического признака у других бактерий.

Если никакое другое магнитное поле не мешает, бактерии выравниваются по магнитному полю Земли. Почему микробы делают это? Для выживания им необходимы питательные вещества, а зная направление магнитного поля, легче отыскать подходящую питательную