Интеллектика. Как работает ваш мозг

В свою очередь, получившийся полинуклеотид может служить матрицей для получения аденина. В результате одна молекулярная цепочка может породить другую, и это приведет к тому, что несвязанные молекулы скоро займут свое место в одной из цепочек.

Таким образом, матричное копирование, или репликация, является чрезвычайно мощным механизмом копирования органических структур. Фактически матричное копирование – это самый примитивный способ влияния на окружающую среду. Забравшись в раствор органических молекул, макромолекула начинает выстраивать свое собственное зеркальное отражение.

Полинуклеотиды любят закручиваться в спирали. Поэтому в процессе репликации рядом с исходной спиралью выстраивается зеркальная спираль, и макромолекулы «сплетаются в объятиях».

С момента появления в первичном бульоне первых нуклеотидных цепочек хаотическое движение нуклеотидов прекращается, и все холостые нуклеотиды начинают выстраиваться в строго упорядоченные парные спирали – предшественники великой спирали ДНК.

Сама ДНК также состоит всего из четырех видов нуклеотидов. Эти четыре нуклеотида составляют алфавит жизни. Строение всех живых организмов, в том числе и нас, записано буквами этого алфавита.

Катализ репликации

Следующим шагом эволюции стало образование таких полимеров, которые могут катализировать собственный процесс репликации. Катализатор – это вещество, которое ускоряет химические реакции. Следовательно, ускоряется образование именно тех полимеров, которые сами ускоряют данный процесс. В результате определенный набор полимеров становится более устойчивым и образует систему, в которой преобладает определенный вид макромолекул.

Начинается естественный отбор органических систем. Теперь при встрече двух цепочек побеждает та, которая сумела катализировать свой процесс репликации, а неудачная цепочка распадается. Хотя мы и называем этот процесс естественным отбором, мы все еще имеем дело с неживым организмом. Идет простая химическая реакция, результатом которой становится преобразование неустойчивых макромолекул в устойчивые.

В соответствии с нашей теорией, живые системы должны иметь систему отражения, а здесь пока идет прямое химическое воздействие.

Синтез белков

Нуклеотиды имеют относительно слабые возможности для построения специфических функциональных систем, но способны направлять синтез полипептидов, то есть белков. Для синтеза белков используется специальный генетический код, в котором определенные триплеты нуклеотидов кодируют определенные кислоты. Этот код одинаков у всех живых организмов. Из этого следует, что в результате естественного отбора появилась определенная органическая система, сумевшая синтезировать белки, которая вытеснила все прочие полинуклеотидные системы. Все существующие сейчас живые организмы являются потомками одной органической системы. Короче, наша нуклеотидная цепочка забила всех остальных. Ну так им и надо!

Эта органическая система и есть первобытная ДНК. Именно эта нуклеотидная цепочка сумела первой поставить себе на службу белки и добиться подавляющего преимущества перед другими полинуклеотидами.

Хотя организм человека содержит около квадриллиона клеток, каждая из них включает в себя ДНК, в которой записана полная информация о строительстве этого организма. Данная информация представляет собой руководство, описывающее те белки, которые требуется синтезировать для создания организма.

Способность направлять синтез белков позволила создавать практически любые органы и ткани, что в дальнейшем привело к чрезвычайно большому разнообразию живых систем.

Заключение в мембрану

Заключительной частью появления первых клеток было появление мембраны. Это произошло благодаря свойству определенных органических молекул, называемых фосфолипидами, образовывать в воде замкнутые двухслойные пузырьки.

Так как для синтеза белков необходима физическая близость молекул, то наиболее устойчивыми системами синтеза оказывались наборы макромолекул, попавшие внутрь фосфолипидных пузырьков, которые в итоге стали клеточными мембранами. В результате заключения их в мембрану появилась возможность гораздо более эффективного синтеза белков, так как катализаторы всегда находились в контакте с полипептидами и могли точнее направлять их синтез. После этого появилась возможность построения всех остальных подсистем клетки.

Первая живая система

Таким образом, появление первых клеточных систем на Земле основано на следующих основных свойствах органических молекул:

• автосборка;

• матричное копирование;

• репликация систем;

• синтез белка;

• образование мембраны.

В результате эволюции органических молекул появились замкнутые органические образования, которые в дальнейшем эволюционировали в живые системы. Для появления живой системы должна была возникнуть система реагирования, которая заставила бы клетку отвечать не на само воздействие, а на информацию о нем.

Первой живой системой была клетка, которая изменила свое поведение в ответ на информацию о воздействии.

Появление такой клетки стало возможным путем создания специальных видов белков, которые стали не просто материалом для строительства клетки, а полноценными устройствами для восприятия и обработки информации.

Первые клетки были крайне примитивны. Все органические образования, включая ДНК, были перемешаны и разбросаны по всей клетке. Органические соединения они вырабатывали, питаясь неорганическими соединениями, метаном и двуокисью углерода.

Подобные бактерии встречаются и в наше время, но они могут существовать только в экзотических местах: в горячих минеральных источниках и вблизи действующих вулканов.

Системы отражения первых клеток представляют собой молекулы белка, которые реагируют на концентрацию химических веществ. Двигательным аппаратом являются так называемые жгутики, которые позволяют клетке перемещаться относительно градиента химических веществ.

Таким образом, система отражения этих клеток может реагировать только на непосредственное окружение клетки.

Строматолиты

А как же выглядели самые первые живые организмы? Для того чтобы узнать это, нужно перенестись на другой конец земного шара – в Австралию. В залив Шарк. Особенность этого залива в том, что вода в нем настолько соленая, что в ней не могут жить хищники.

И здесь спокойно существуют самые древние живые организмы – строматолиты (рис. 2). Остатки строматолитов находят по всему земному шару в горных породах, возраст которых достигает трех миллиардов лет.

Рис. 2. Строматолиты

Строматолиты научились синтезировать питательные вещества при помощи энергии солнечного света, то есть освоили фотосинтез. Поэтому можно считать строматолиты предками первых растений.

Появление многоклеточных

Важнейшим шагом эволюции стало появление многоклеточных. При переходе к многоклеточному организму появляется возможность выделения системы отражения в отдельную подсистему, что позволяет сделать ее гораздо более эффективной.

Организованные формы совместного реагирования встречаются даже у одноклеточных организмов. Например, многие цианобактерии не расходятся после деления, образуя нитевидные цепочки до метра длиной. Через регулярные интервалы в такой цепочке встречаются изменившиеся клетки, способные включать атмосферный азот в органические молекулы. Эти специализированные клетки (которых немного) осуществляют фиксацию азота не только для себя, но и для соседних клеток, с которыми они обмениваются продуктами метаболизма.

Последовательность развития многоклеточных легко проследить на примере зеленых водорослей, которые существуют как в виде одноклеточных, так и в виде многоклеточных организмов.

• Род Chlamydomonus – жгутиковые простейшие, живущие отдельно.

• Род Gonium – простейшие, имеющие форму вогнутого диска, биения их жгутиков ориентированы в одном направлении, поэтому они способны приводить колонию в движение. Каждая клетка такой колонии может дать начало новой колонии.

• Род Volvox – колония клеток, которая может включать до 50 тысяч клеток, образующих полый шарик. Индивидуальные клетки соединены цитоплазматическими мостиками, и биения жгутиков скоординированы. Имеется специализация. За воспроизводство отвечает небольшое количество клеток. Остальные клетки неспособны к самостоятельному существованию.

Особенно интересно поведение таких созданий, как клеточные слизевики – миксомицеты (рис. 3). Основную часть жизни эти клетки живут автономно, питаясь бактериями. Но если запас пищи иссякает, то каждая клетка выделяет особое вещество, которое служит сигналом объединения. Миллионы клеток соединяются вместе и образуют слизистую массу, которая перемещается как единое целое. Этот слизевик реагирует на свет и химические вещества уже как целостный организм. А в конечном итоге слизевик принимает вид плодоносящего тела.

Рис. 3. Миксомицеты

Очевидно, что появление специализированных клеток сделало многоклеточные структуры более устойчивыми, чем одноклеточные. Появилась возможность выделения системы отражения в отдельную структуру, которая способна неограниченно развиваться.

Глава 3. Эволюция нервных систем

Немногие из наших предков были совершенными леди или джентльменами; в большинстве своем они не были даже млекопитающими.

Роберт Уилсон

Эволюция постепенно отбирала для дальнейшего использования элементы отражающих систем, пока не построила из них самую совершенную систему отражения, которую торжественно вручила человеку.

Эволюция живых организмов

Общая схема эволюции живых организмов представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Эволюция живых организмов

Эта схема отражает наиболее крупные этапы эволюции, которые прошли живые организмы. Левый ряд схемы показывает ту ветвь, по которой быстрее всего развивалась нервная система.

Правые ветви на рисунке отражают альтернативные варианты эволюции, уровень систем отражения которых хотя и примитивен, но полностью соответствует их образу жизни. Растения не имеют нервной системы, но те немногие способы реагирования, которыми они обладают – открытие и закрытие цветов, сбрасывание листьев, – вполне достаточны для получения многочисленного потомства. И хотя какая-нибудь травка в таких условиях легко уязвима из-за слабой системы отражения, в целом вид является очень устойчивым.

Особенно продвинулись в этом направлении членистоногие. Общественная жизнь муравьев или пчел настолько сложна, что ученые прошлых столетий считали семьи этих насекомых настоящими государствами.

Другой особенностью таблицы является то, что левый ряд схемы все больше и больше заботится о потомстве. Это означает, что врожденных реакций становится все меньше, а приобретенных – все больше. Успешность выживания начинает определяться не наследственностью, а обучением.

Теперь рассмотрим основные этапы эволюции систем отражения до появления головного мозга.

Системы отражения простейших

Самые простые живые организмы, дожившие до нашего времени, – это простейшие. Самые крупные простейшие не превышают миллиметра. Но, несмотря на свои размеры, они имеют весьма сложную систему отражения. У них в зачатке есть практически все отделы нервной системы, которые есть и у человека, – зрение, слух, вкус. Это говорит о том, что наличие системы отражения дает живому организму такое преимущество, которое позволяет существовать миллиарды лет без каких-либо существенных изменений.

Системы отражения простейших построены по принципу непосредственной реакции избегания вредных стимулов и приближения к полезным. Если аквариум с эвгленами поставить в тень и осветить небольшой участок, то все эвглены соберутся в этом участке. Парамеция-туфелька загоняет в глотку все, что плавает рядом, но бактерии она переваривает в создаваемых для этого желудочках, а несъедобные частицы выплевывает.

Некоторые бактерии могут не только убегать, но и защищаться. Инфузория имеет специальные стрекательные палочки и на раздражение отвечает залпом этих палочек из множества отверстий. Некоторые бактерии в ответ на содержание в среде ядовитого для них пенициллина начинают выделять особый фермент, который разрушает это вещество. После разрушения всего пенициллина синтез фермента прекращается.

Самое удивительное, что у простейших есть даже способности к обучению. Инфузория спиростомум на сотрясение воды реагирует сжиманием в комочек. Если сосуд со спиростомумами регулярно подвергать сотрясению, то инфузории начинают сжиматься все меньше и меньше. Этот вид обучения называется привыканием.

В копилку эволюции

На примере простейших природа выделила те стимулы, которые действительно важны для выживания: зрительные, слуховые, вкусовые. На все эти стимулы нужно как-то реагировать. Впрочем, если стимул повторяется, то можно особо не стараться, ничего важного в нем нет.

Системы отражения кишечнополостных

Кишечнополостные состоят из трубки, образованной двумя слоями клеток, между которыми расположен слой студенистого вещества, называемого мезоглеей. С нижнего конца трубка закрыта, а с верхнего – открыта. В открытом конце трубки находится ротовое отверстие.

К кишечнополостным относятся полипы, актинии, кораллы. Наиболее известным представителем кишечнополостных является пресноводная гидра (рис. 5).

Рис. 5. Гидра

Гидры прикрепляются к камням или водным растениям на дне пруда или ручья. В случае раздражения сжимаются в комочек. Гидры питаются мельчайшими организмами, выбрасывая ядовитые нити и затягивая добычу в рот.

Гидра разрешает обращаться с собой довольно фамильярно. Например, гидру можно разрезать на части. Из каждой части вырастет новая гидра. Если одну гидру «привить» на другую, то произойдет реорганизация двух гидр в одну.

Нервная система гидры – это диффузная сеть нейронов, находящаяся непосредственно под поверхностным слоем клеток. Нейрон – это специальная клетка, которая может передавать электрические импульсы. Однако между нейронами связь происходит химическим путем через синапсы. Нейроны посылают сигналы мышечным клеткам. Передача сигналов возможна от любой точки к любой другой. Сильное раздражение приводит к реакции всего животного.

Область отражения – небольшое поле около самого животного. Интересен сам принцип отражения. На любой стимул реагирует вся нервная система целиком. Выделения объектов нет. Каждый раздражитель воспринимается или как еда, или как враг. Еда переваривается. От врага гидра прячется, сжимаясь в комок.

Есть суммационный рефлекс, при котором разные стимулы повышают общую реакцию, и привыкание, при котором часто повторяемый сигнал снижает общую реакцию.

Интересным подходом к организации нервной системы отличаются мшанки Cristatella. Это похожие на гидр мелкие водные животные, которые живут колониями. Каждая особь имеет один ганглий[1] и отходящие от него нейроны. При этом они производят общий мышечный слой и соединяют свои нервные системы в одну. Колония мшанок начинает реагировать как единый организм. При раздражении в одной точке вся колония начинает двигаться.

Противоположное поведение демонстрируют морские звезды, относящиеся к типу иглокожих. Нижнюю поверхность звезды устилает множество щупалец. Они ощупывают дно и перемещаются к пище. Если только один конец морской звезды обнаружил пищу, то вся звезда перемещается в этом направлении. Но возможен вариант, что пища одновременно обнаружена разными концами звезды. Тогда звезда начинает стремиться в разные стороны, и ее разрывает пополам. Впрочем, для морской звезды это не страшно, из этих половинок образуется две новых звезды.

В копилку эволюции

Кишечнополостные изобрели нейрон – универсальную клетку для реагирования. Изобретение оказалось на редкость удачным. Нейрон с некоторыми видоизменениями позже взяли на вооружение все последующие виды организмов, включая человека.

Нейрон удобен тем, что позволяет запросто строить нервные сети любой сложности, а на их основе легко отражать все более сложные элементы окружающей среды.

Системы отражения червей

Вдоль всего тела дождевого червя тянутся две параллельные цепочки нервных ганглиев. Две пары самых первых – наиболее крупные. Их активность влияет на активность остальной нервной системы. Благодаря светочувствительным клеткам кожи черви реагируют на свет.

Дождевые черви уже имеют сложные врожденные схемы поведения – инстинкты. Они роют норки и затаскивают в них кусочки растений. В светлое время суток черви проводят время в норке. В сумерки черви цепляются задним концом тела за край норки, а передним концом обследуют поверхность вокруг норы и затаскивают туда листья и мелкие камушки. Листьями дождевой червь питается, а камушки использует для укрепления норки.

Если червь покинет норку, то найти ее не сможет и будет рыть новую. Образовывать условные рефлексы дождевые черви не могут.

У планарий (плоских червей) также есть набор ганглиев, но светочувствительные клетки сосредоточены только в глазных ямках, расположенных в головном отделе. Планарии живут в воде, избегают света и предпочитают двигаться против течения.

Планарии используют экзотические методы защиты. Планария терриколя в случае опасности сама себя разрывает на куски. Через несколько часов каждый из 10–20 кусков регенерирует в целого червя.

Если планария будет долго голодать, то она начинает пожирать себя. Сначала половые органы, потом мускулы. Но ганглии она есть не будет.

При попытке выработать у планарий условный рефлекс на световой стимул и электрический удар выяснилось, что у них просто усиливается чувствительность к любому стимулу – поэтому можно считать, что черви не способны к обучению.

Нервная система червей не требует целостности организма и также может разделяться на части. Черви палоло живут на морском дне у побережий Фиджи и Самоа. Для метания икры червь посылает на поверхность только заднюю часть своего тела. Эта часть тела отращивает глаза и ножки, всплывает на поверхность, лопается и разбрасывает икру.

Изучение червей показывает, что они имеют набор одинаковых групп нейронов, которые соединяются врожденными связями. Например, нематода Caenorhabditis elegans имеет всегда 302 нейрона. Нематоды делают ставку не на нейронную сеть, а на быстрое размножение. Самки нематод откладывают до четверти миллиона яиц в сутки. В теплой и сырой почве количество нематод может достигать до 2 миллионов на кубический дециметр. Этот червь интересен еще тем, что для него была детально определена структура ДНК, и выяснилось, что большинство генов человека уже содержится в геноме этого червя.