Зачем собаке пятая нога

Чтобы скрыть позор своей жены Пасифаи, вступившей в противоестественную связь с морским быком, и скрыть от посторонних взоров родившегося в результате этой связи Минотавра – чудовищного человека с головой быка, критский царь Минос приказал искусному строителю Дедалу построить дворец. Критский дворец – Лабиринт оказался величайшим творением Дедала. Он был таким большим, имел столько залов, комнат, лестниц, переходов и закоулков, что попавший туда человек не мог найти дорогу назад.

Раз в девять лет Афины должны были отправлять на съедение Минотавру 7 юношей, не знавших брака, и 7 девушек. Когда за данью прибыли в третий раз и горожане бросили жребий, чьим детям стать жертвой, Тесей, сын афинского царя Эгея, вызвался добровольно отправиться к Миносу. На Крите он проник во дворец и убил Минотавра. Тесей оказался единственным из смертных, кому повезло выбраться живым из Лабиринта.

Бродить бы и по сей день Тесею в Лабиринте, не влюбись в него дочь Миноса Ариадна. Она-то и дала герою моток ниток. Отправляясь на поиски Минотавра, Тесей прикрепил конец нити у входа и разматывал клубок, петляя по переходам дворца. Интересно, что влюбленной царевне не самой пришла в голову эта счастливая мысль. Клубок ниток дал ей Дедал. Даже сам создатель Лабиринта не смог снабдить Тесея планом дворца. Если так сложно оказалось творение рук человеческих, то сколь сложнее должен быть мозг, над которым природа колдовала сотни миллионов лет?

Изучение наследственного аппарата клетки – одно из величайших достижений XX столетия. Биохимики не только сумели расшифровать генетический код, но даже разобрались, как считываются приказы о синтезе отдельных ферментов. Зато пока совершенно неясно, как передаются команды о том, чтобы клетки выстраивались в определенном порядке, формируя органы. Как передается инструкция о том, что голове полагается расти спереди, а хвосту сзади, что конечностей должно быть 4, а пальцев 20. Всего этого мы касаться не будем.

Попробуем разобраться только, как нервные клетки выбирают себе род занятия. Как их отростки умудряются находить именно те области мозга, куда им полагается направлять информацию, и вступают в контакт как раз с теми клетками, которым предстоит обрабатывать полученную информацию. Задача, казалось бы, невыполнимая. Каждому известно, как легко сбиться с пути даже в знакомом лесу, точно зная, куда ты шел. А нервные отростки, блуждая в хаосе нервной ткани, должны не только найти дорогу, но и определить цель своих исканий.

Все родственные животные имеют сходное строение тела, в том числе мозга. Хорошо ли они сконструированы? Вопрос трудный, но не безнадежный. Например, нужна ли собаке пятая нога и как она будет использоваться, коли пес обзаведется подобным вспомогательным средством передвижения. Сейчас на этот вопрос может быть дан ответ с достаточно высокой степенью вероятности.

В последнее десятилетие эксперименты с пятой конечностью весьма популярны. Очень трудно проследить, как в процессе развития эмбриона находят друг друга внутри мозга отростки двух определенных нейронов, нередко расположенных весьма далеко друг от друга. Как пробирается нервное волокно на периферию, разыскивая орган, который предстоит подчинить. Проще это выяснить в эксперименте, если животному хирургическим путем пересадить дополнительный орган. Так можно убить сразу двух зайцев: узнать, как организм иннервирует орган-пришелец и какую функцию тот будет выполнять на новом месте.

У рыб и амфибий хирургические реконструкции идут удивительно просто, особенно в раннем детстве. Тритону можно пересадить дополнительную, пятую конечность, второй хвост, третий глаз, еще одно сердце. У таких химер пересаженные органы продолжают функционировать и на новом месте, сначала в соответствии с химическими приказами хозяина (приносимыми кровью), когда в них проникнут нервы, будут выполняться и их команды.

Пятая конечность, если ее пересадить вблизи соответствующей лапы хозяина, движется одновременно с ней. Правда, сила и амплитуда сокращений ее мышц чуть ниже, чем остальных лап. Она запаздывает на несколько сотых долей секунды, и не все 40 мышц приживленной конечности работают достаточно энергично. Мы можем спокойно пренебречь этими мелочами. Покадренно сравнивая движение одноименных конечностей, снятых на кинопленку, не удается обнаружить никакой разницы. Восьмилапая химера тигровой саламандры, у которой была дублирована каждая из четырех конечностей, работала каждой парой как одной лапой, плавало ли животное в воде или двигалось по суше.

Не ищите в этом явлении скрытой целесообразности. Нетрудно убедиться, что ее нет, стоит лишь подшить к любой из четырех конечностей лапу, взятую с противоположной стороны тела. Впервые такую операцию сделали по ошибке, и ее результаты немало удивили экспериментаторов. Левая передняя конечность одного тритона была пересажена рядом с правой передней конечностью другого. На этом месте она выглядела достаточно нелепо. Во-первых, локтями и кистями лапы были направлены в разные стороны. Во-вторых, ладонь пересаженной лапы оказалась вывернута наружу.

У таких восьмилапых тритонов мышцы каждой пары конечностей работали синхронно, сгибая одни и те же суставы, но создаваемая ими движущая сила была направлена в противоположные стороны. Сколько урод ни барахтался, он не мог сдвинуться с мертвой точки. Если же собственные конечности удалить, парадоксальная деятельность пересаженных лап заставит саламандру пятиться назад. Вот вам и целесообразность! Значит, не в ней дело.

В лабиринте

Пятилапые химеры вызвали в научных кругах волну споров. Никто не знал, откуда брались нервы, проникавшие в дополнительную конечность. От предположения, что увеличивается число нервных клеток спинного мозга, пришлось отказаться. Тщательные подсчеты показали, что количество двигательных волокон, посылаемых спинным мозгом, всегда одинаково. И в пересаженной лапе оно было поразительно близко к нормальному. Оставалось допустить единственную возможность – ветвление нервных волокон. У мексиканской амбистомы переднюю конечность иннервирует 900 волокон. Каждое из них должно дать веточку, чтобы пересаженная лапка получила свои 900 волокон.

До какого же предела способны куститься нервные волокна? Не очень густо. Связка из четырех конечностей, пересаженных вместе, не способна полноценно функционировать. Хорошую иннервацию могут получить максимум две дополнительные конечности, приживленные рядом.

Далеко не каждое нервное волокно, а следовательно, не всякая нервная клетка, его пославшая, способны обеспечить нормальную функцию нового органа. Необходимо, чтобы он получил нервы от тех же сегментов спинного мозга, которые обычно руководят работой таких органов. У лягушки в переднюю лапку попадают нервы от третьего, четвертого и пятого сегментов спинного мозга. Если дополнительная лапка подшита так, что до нее дотянется нерв хотя бы от одного сегмента, все будет в порядке.

Большие споры вызвал вопрос о том, каким образом мозг получает возможность управлять новой конечностью. Научный мир раскололся на два непримиримых лагеря. Одна половина ученых считала, что врастающие нервные волокна каким-то образом узнают мышцы, которыми им следует управлять, и уверенно прокладывают к ним дорогу. Другая половина – что нервные волокна врастают в конечность как попало, без всякого плана распределяясь по мышцам. Дальше мнения расходились. Первые считали, что мышцы каким-то образом вразумляют пришедшие к ним волокна и пославшую их клетку, как ей необходимо поступать, чтобы организовать координированные движения. Вторые – что каждая мышца получает полную копию всех двигательных приказов мозга и сама выбирает из них те, которые непосредственно ее касаются. Наконец, третьи полагали, что, как только нервное волокно доберется до мышцы и пославшая его клетка узнает, куда попал ее отросток, она тотчас начинает подбирать информацию, нужную данной мышце.

Правы оказались первые. Речь идет о выборе, но выбор взаимный. Мышца выбирает нерв, а нерв – мышцу. Когда в лишенную нерва мышцу вшивали концы «своего» и «чужого» нервов, она из «смеси» выбирала «свой». В контрольных опытах подводился только один чужак. Он отлично врастал в мышцу. Однако, если вслед за тем прорастал «свой» нерв, «чужак» изгонялся. Нерв тоже ведет себя активно. Мышцы животных делятся на быстрые и медленные. У новорожденных все медленные. Затем те из них, к которым подошли быстрые нервы, постепенно становятся быстрыми. Если в более позднем возрасте к быстрым мышцам подшить медленные нервные волокна, они станут медленными, и наоборот.

Нервные волокна всего лишь руки, провода нервной клетки. А как она? Универсальна ли? Может ли выполнять любую функцию? Скальпель хирурга иссекает плечевые сегменты спинного мозга (управляющие передними конечностями) и на их место пересаживает другие. Если пересаженные клетки раньше не руководили конечностями, то просто не берутся за это дело и мышцы остаются бездвижными. Нейроны, ранее управлявшие задними конечностями, заставят мышцы двигаться, но квалифицированно руководить передними лапами не смогут. Нервные клетки у взрослых животных не универсальны.

Подсаживая тритонам дополнительную конечность, ученые полагали, что новые нервы будут выбирать самый легкий путь, врастать вдоль отмерших нервных стволиков, как потоки воды от пронесшегося ливня заполняют русла высохших от жары ручьев. Эксперименты показали, что готовые русла врастающим нервам не нужны. Можно создать такие условия, когда у животного от рождения одна из конечностей не будет иметь нервов, а значит, и готовых русел. Врастая в такую лапу, нерв все равно проходит своим стандартным путем. Он не ищет легкой дороги и поэтому не всегда идет вдоль сосудов, где путь относительно свободен, а часто пробирается сквозь мышцу или хрящ. Создается впечатление, что нерв умеет находить вполне определенную дорогу. В незнакомой местности он правильного пути не сыщет. Если переднюю конечность пересадить на место задней, нерв, врастая в нее, заблудится. Здесь для него все незнакомо.

Как удается нервному волокну найти дорогу? Каждый сегмент спинного мозга, посылающий к мышцам нервные волокна, содержит у шпорцевой лягушки 5–6 тысяч нервных клеток. Кроме того, за 60 дней развития успевает появиться много новых клеток, сверх первоначального количества. Однако к моменту метаморфоза их остается немногим больше тысячи, так что в каждом сегменте гибнет до 10 тысяч нервных клеток, 9 на каждый оставшийся нейрон. Зачем организму такие непроизводительные расходы? Видимо, гибнут все нервные клетки, чьи отростки не сумели найти необходимой мышцы, а новые нейроны, возникая, посылают на поиски свои отростки до тех пор, пока мышцы не окажутся полностью иннервированными.

Так же ведут себя чувствительные нервы.

У лягушки осторожно вырезали кусочек кожи с левой стороны спины, стараясь не повредить идущие к нему чувствительные нервы, и пересаживали на правую. Когда рана зарубцовывалась, прикосновение к пересаженному кусочку вызывало реакцию, будто он все еще находился на своем законном месте. Если переменить чувствительные нервы передних лапок (правый пустить в левую лапку, а левый – в правую), то на щипок лягушка станет отдергивать лапу, до которой и не дотрагивались. Правильно реагировать она никогда уже больше не сможет.

Иначе ведут себя лягушки, когда, пересаживая кусочек кожи со спины на живот, полностью перерезают чувствительные нервы. Чуть только ранка подживет, прикосновение к пересаженному участку вызывает вполне правильную реакцию. Лягушонок тянется к тому месту, до которого дотрагивается экспериментатор. Однако через пару дней, если ущипнуть центр пересаженного лоскута, лягушонок начинает путаться. С каждым днем кожная зона, дающая неправильные реакции, увеличивается, пока не захватит весь лоскут. Теперь при прикосновении к кусочку кожи, пересаженному на брюхо, лягушонок трет себе спину.

Создавалось впечатление, что вросшие в пересаженный лоскуток чувствительные нервы постепенно разобрались, что им подсунули кусочек кожи со спины, и стали посылать свою информацию в соответствующие отделы нервной системы. А так как у лягушек не полагается, чтобы кожа спины находилась на животе, центральным аппаратам было невдомек, что к получаемой информации следует относиться осторожно.

Можно предложить и другое объяснение. Сначала в пересаженный лоскут врастали кожно-брюшные нервы, которыми полагалось иннервировать данный район. Коже, взятой со спины, ничего не оставалось, как принять чужеродные нервные веточки. Позже, когда спинные кожные нервы наконец «нашли» заблудший кусок кожи (путь со спины на живот немалый), чуждые нервы были отвергнуты и постепенно отмерли. Аналогичные результаты дают опыты со зрением. Глаз жабы можно повернуть на 90 или 180 градусов, не повредив зрительного нерва. Зрение как таковое при этом не нарушится. Животное сможет видеть все так же отчетливо, как до операции, только будет путать положение замеченных предметов. Повернутый глаз, увидев слева червяка, передает информацию нервным клеткам правого зрительного поля, и червяк будет воспринят справа. Пользоваться такими глазами невозможно. Ловить насекомых лягушка не способна и обречена на голодную смерть. Она никогда не выучится правильно видеть мир.

Как ни странно, перерезка зрительного нерва не делает жабу инвалидом. Как только завершится регенерация, зрительная функция восстановится. Лягушка правильно локализует в пространстве увиденные ею предметы, различает их форму и цвет. Каким же образом происходит такое полное восстановление? Можно сделать только один вывод: все врастающие в мозг 500 тысяч волокон зрительного нерва сумели добраться до зрительного центра и разыскать в одном из девяти его слоев те клетки, с которыми они были в контакте до перерезки нерва. Иначе лягушка осталась бы слепой.

Как находят нервные волокна те клетки, с которыми должны соединиться, неизвестно. Предполагают, что между ними существует химическое родство. Волокна умеют разыскать нужную клетку, даже когда врастают в мозг в совершенно ином, необычном месте. Восстановление бывает столь полным, что после операции сохраняются все условные рефлексы.

Химическое сродство как причина связей, возникающих между нервными клетками, признается большинством ученых. Но и эта теория не объясняет результаты многих экспериментов. Почему, например, волокна зрительного нерва от правого глаза врастают в левую половину мозга, а от левого – в правую? Неужели существует химическая асимметрия правой и левой половин головного мозга? К сожалению, вопросов, как и в других областях науки, пока неизмеримо больше, чем готовых ответов.

Оружие «Золотого короля»

Кровавые подвиги Эрнандо Кортеса и Франсиско Писарро, захват и разграбление великих индейских империй не только не утолили у испанских авантюристов всех мастей и рангов жажды наживы, но лишь сильнее ее подхлестнули. Плохо зная местные языки, часто неправильно понимая и без того удивительные рассказы индейцев, конкистадоры нередко сами создавали фантастические легенды и сами в них искренне верили. Их неудержимо манили серебряные города, королевство женщин, острова вечной молодости и особенно страна «золотого человека» Эльдорадо.

К сожалению «золотая» страна не оказалась легендой. Там, где теперь расположена нынешняя Колумбия, жили удивительные племена муисков. Ее правители, прежде чем стать властелинами страны, жили безвыходно в храме, готовя себя к исполнению ответственной миссии. Только по прошествии шести лет будущий король, укрытый вместо одежд слоем золотого порошка, всходил на коронационный плот и отправлялся к центру озера Гуатавита, чтобы в его водах совершить омовение и бесценными приношениями, золотыми украшениями и изумрудами откупиться от страшного греха своих предков. После захвата страны европейцы дважды предпринимали попытки осушить священное озеро. По подсчетам Александра Гумбольдта, его пучины до сих пор хранят не менее 50 миллионов золотых украшений.

Путь к сказочному Эльдорадо был нелегок. Здесь европейцам пришлось всерьез столкнуться со страшным оружием индейцев – отравленными стрелами. Самой крохотной царапины оказывалось достаточно, чтобы убить человека или лошадь. Закутанные для защиты от стрел в ватные халаты, изнывая от жары, все время опасаясь засады, брели конкистадоры навстречу своему богатству и своей гибели.

Стрельный яд, который использовали индейцы, называется кураре. Его получали из коры, корней и молодых побегов тропических растений. Размельченные части растений вымачивали в воде. Затем настой выпаривали до образования густого сиропа. Им и смазывали наконечники стрел. Через некоторое время сироп твердел. Действие яда сказывалось быстро. Сначала наступал паралич шейной мускулатуры, потом отказывали конечности. Несколькими минутами позже очередь доходила до дыхательной мускулатуры, и… наступала смерть от удушья.

Когда кураре попал в Европу, его попробовали приспособить для медицинских целей. Иногда врачу крайне необходимо расслабить мускулатуру тела больного или прекратить судороги. Однако новое лекарство не привилось. Не удавалось подобрать безопасную и в то же время эффективную дозировку.

В те времена не было достаточно четких представлений о механизме действия кураре. Выдающийся французский физиолог К. Бернар обратил внимание на то, что у животных, убитых кураре, уже через минуту после смерти нервы перестают реагировать на химические, механические и электрические раздражения. (Обычно мышца, отсеченная вместе с двигательным нервом, длительное время способна отвечать сокращением на его раздражение.) Изучив это странное явление, Бернар установил, что кураре не нарушает способности самой мышцы сокращаться, а нерва – проводить возбуждение. Это значит, что и нерв и мышца не затронуты действием яда, нарушен только переход возбуждения с нерва на мышцы.

Эксперименты заставили задуматься над механизмом передачи возбуждения от одной клетки к другой. Наиболее вероятной казалась электрическая связь. Распространение возбуждения по нерву сопровождается возникновением электрического разряда, а электрическое раздражение способно вызвать сокращение мышцы. Теперь мы знаем, что природа использовала этот путь на ранних этапах эволюции. До сих пор у ракообразных и других примитивных животных в организме действуют достаточно совершенные электростимуляторы. Уже во времена К. Бернара подозревали, что у высших животных язык, на котором нерв «разговаривает» с мышцей, передавая ей свои приказы, «химический». Прошло почти 50 лет, прежде чем австриец О. Леви сумел окончательно подтвердить это предположение.

Сердце сокращается само по себе, без специальных команд. Леви изучал у лягушки нервы, замедляющие сердечный ритм. После долгих и кропотливых экспериментов ему удалось перехватить их депеши. Приказы передавались с помощью особого вещества – ацетилхолина. Разрушая его, другое вещество – фермент ацетилхолинэстераза – уничтожает распоряжения. Удалось найти вещество, способное расщепить и саму ацетилхолинэстеразу. Химический способ передачи возбуждения был доказан. Вскоре удалось убедиться, что химический язык универсален. На нем «беседуют» между собой нервные клетки. Вещества, с помощью, которых «пишутся» распоряжения (какое бы химическое строение они ни имели), называют медиаторами, что в переводе на русский язык означает «посредники».

Двери

Работа мозга возможна лишь при контактах между его многочисленными клетками. Средств общения нейронов немного. У них могут быть контакты между двумя аксонами, двумя дендритами и телами клеток, аксодендрические (аксон – дендрит), аксосоматические (аксон – тело клетки) и дендросоматические (дендрит – тело клетки). Всего шесть возможностей, и все шесть используются, хотя основных типов два: между аксоном одной клетки и телом или дендритами второй. На заре возникновения нервной системы преобладал первый тип. Он и сейчас преобладает у примитивных животных.

Аксодендрические контакты имеют существенные преимущества. На поверхности клетки может разместиться относительно немного нервных окончаний. Другое дело дендриты, их разветвления значительно увеличивают поверхность клетки и расширяют возможность клеточных контактов. Имея достаточно большую протяженность, они как бы сами идут навстречу аксонам, подыскивая для себя источники информации.

Может показаться удивительным, что клетки, участвуя в очень важных, чрезвычайно сложных функциях, сами располагают незначительной информацией, передавая команды, а еще чаще просто советы о том, что соседним клеткам следует возбудиться или, наоборот, прервать свою деятельность.

Трудность передачи информации в том, что каждая нервная клетка, одетая в собственную оболочку, окруженная глиальными клетками и закутанная слоями миелина, – это маленькое самостоятельное государство. Какие бы революции его ни сотрясали, какие бы катаклизмы ни происходили, сор из избы не будет вынесен, все останется внутри клетки.

Для обмена информацией необходимы специальные устройства. В конце прошлого столетия глава английских физиологов Шеррингтон назвал места тесного контакта отростков нервных клеток синапсами, что в переводе с греческого означает «смыкать». В то время Шеррингтону еще не было известно, что нервные клетки обмениваются «письменными» приказами. Тесный контакт наилучшим образом объяснял, как возбуждение переползает с одного нейрона на другой.

Теперь мы точно знаем, что настоящего контакта нет.

Между соприкасающимися волокнами всегда остается заметная щель. Синапсы – это те места, где нервные клетки имеют двери, через которые и происходит обмен информацией.

Нервные клетки эмбрионов дверей еще не имеют. Они появляются позже, когда отростки нейронов, разрастаясь внутри черепной коробки, сталкиваются друг с другом. В местах соприкосновений каждая из контактирующих клеток прорубает дверной проем. Теперь не нужно «далеко ходить», чтобы обменяться новостями. Казалось бы, обмен информацией налажен. Увы, все гораздо сложнее: соседи держат свои двери на запоре. Они боятся утечки информации и не желают попадать под чужое влияние.

Нужно честно сказать, что настоящих дверей, то есть дырок в клеточной мембране, ни у одной из нервных клеток нет: мембрана как мембрана, но в ней существуют поры, способные пропускать медиаторы. Хранятся они в крохотных, порядка 200–600 ангстрем, синаптических пузырьках, располагаясь вблизи дверей одной из двух соседних клеток.

Возбуждение любой нервной клетки, любого ее отростка обязательно сопровождается возникновением электрических потенциалов. Казалось бы, все очень просто, электричество – отличный раздражитель, и для передачи возбуждения с одной нервной клетки на другую ничего специально придумывать не нужно. Однако мозг не способен варьировать напряжение электрического тока. Нервная клетка работает по закону «все или ничего», то есть или «молчит», или дает стандартный импульс.

Там, где возбуждение обязательно должно передаваться от клетки к клетке, этот принцип можно было бы применить. В мозгу гораздо чаще ситуация такова, что нервная клетка вовсе не обязана тотчас возбуждаться, если соседка ей в дверь покричит, что возбуждена до предела. Конечно, добропорядочная нервная клетка всегда прислушается к соседям. Если слухи серьезные, соседи со всех сторон сообщают, что они находятся в состоянии возбуждения, клетка-адресат возбуждается.

Иными словами, нервная клетка возбуждается только в том случае, если адресованная ей информация получит достаточно убедительное подкрепление.

В этом и состоит работа нервных клеток: постоянно взвешивать получаемую от корреспондентов информацию и решать, достаточно ли она основательна. Вот почему нервные клетки высших животных обмениваются между собой химическими посланиями, которые легко дозировать. Когда клетка-корреспондент возбуждена, медиатор из синаптических пузырьков выделяется в синаптическую щель, пространство между двумя клетками.

Предполагается, что только благодаря свободной диффузии молекулы медиатора могут пересечь его за какие-то считанные 1–2 миллисекунды.

Мозг пользуется несколькими медиаторами. Норадреналин, допомин и сератонин вызывают возбуждение адресата. ГАМК (гаммоаминомасляная кислота) – торможение. Ацетилхолин используется и для возбуждения, и для торможения соседних нейронов. Возможно, существуют и другие. Каждый синапс для своей работы использует только один медиатор. Синапсы, где применяется ГАМК, получили название тормозных.