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

Кеннет Катания (2020)

Многие животные обладают экстраординарными способностями: например, у крота-звездоноса на морде есть сверхчувствительные отростки, которые помогают мгновенно находить добычу, а электрический угорь парализует жертву ударом тока. Биолог Кеннет Катания рассказывает о некоторых из самых удивительных созданиях природы. Он проливает свет на загадочное и жутковатое поведение щупальценосных змей, крошечных землероек, изумрудных ос и других животных и показывает, как изучение самых странных существ дает понимание эволюции и как научные открытия могут сопровождаться приключениями и весельем. Катания объясняет, для чего звездоносу нужны столь странные отростки на морде и что это говорит нам о работе мозга в целом. Он показывает, как щупальценосная змея прибегает к коварству, заставляя рыбу заплывать прямо ей в пасть, как электрический угорь использует электричество для «дистанционного управления» другими животными и как изумрудные осы зомбируют тараканов. Он ракрывает тайну «заклинания червей» (традиционного способа выманить дождевых червей из почвы), объединив усилия с профессиональными заклинателями. Катания говорит о важности непредвзятого подхода к научным исследованиям, отдает должное вкладу ученых-любителей и объясняет, что невероятными скрытыми способностями на самом деле обладает большинство животных. Эта книга — захватывающее погружение в грандиозные замыслы природы.

2

Пастер был прав

Помимо фотографии меня в наручниках и наспех нацарапанной записки с просьбой о залоге Гленн нашел в конверте еще один конверт, поменьше. Там содержалась вся правда: просто мой университетский приятель (назову его Том) стал полицейским в штате Мэриленд, и мы всегда с ним видимся, когда я приезжаю. Я верил в чувство юмора своего научного руководителя, а его напутствия были готовым сценарием для розыгрыша. Так что мы с Томом устроили в отделении полиции креативную фотосессию, главным участником которой стал драгоценный флакон Гленна. Я отправил письмо и поехал дальше, к Кармайну.

Я не особенно волновался по поводу предстоящей охоты на звездоноса; за время работы в зоопарке это стало привычным делом. Я звонил Кармайну, и он всегда предлагал мне остановиться у него (уезжая, я прибирался и заполнял холодильник его любимым пивом). Нередко я брал с собой моего старшего брата, Билла, и Кармайн сам к нам заезжал: мы ловили рыбу, играли в покер и ели оленину. В общем, ночевки в фургоне и чипсы на ужин тут и рядом не стояли.

Но в этот раз у меня было совсем мало времени, и я поехал туда один. Я не подумал ни о времени года, ни о погоде, что оказалось большой ошибкой. Уровень воды изменился, а земля была усыпана листьями, закрывавшими привычные следы кротовьих тоннелей. Хуже того: из-за изменения уровня воды тоннели тоже сместились, и я был совершенно растерян. Время поджимало, так что я в панике позвонил брату. Он все бросил, примчался из Мэриленда ко мне на помощь и в итоге сотворил маленькое чудо. Он осмотрелся, отошел метров на сто вдоль другого берега ручья и сказал: «Попробуем здесь». И все сразу получилось.

Вскоре я вновь был в Сан-Диего, за пультом сканирующего электронного микроскопа Cambridge Stereoscan. Наконец-то я увижу загадочную звезду крупным планом! Несмотря на колоссальную разницу в масштабах, загрузка нового образца в этот прибор во многом напоминает отправку космического зонда на далекую планету: ты не можешь сам прогуляться по ее ландшафту, а вместо этого управляешь движущимся электронным пучком с помощью двух ручек, наблюдая за происходящим через мерцающий монитор. Реальность редко оправдывает ожидания: обычно вместо марсиан глазу предстает раскинувшаяся до самого горизонта серая равнина. Но не в этот раз. Я разогрел нить, сфокусировал луч — и замер.

Звезда состоит из 22 отростков, и я увидел, что все они покрыты маленькими «куполами», расположенными по образцу пчелиных сотов. Диаметр каждого из них составлял около 50 микрометров (примерно как толщина человеческого волоса). Геометрический рельеф звезды походил на странную версию фасеточного глаза насекомого. Я знал, что купола — это органы Эймера, поскольку они были кратко описаны в исследовании 1960-х годов. Когда я увеличил изображение и стал перемещать электронный пучок вдоль поверхности звезды, стало ясно, что органы Эймера не просто расположены на звезде — сама звезда буквально состоит из органов Эймера! Но только ли из них? Может быть, там есть и другие сенсорные структуры, подобные электрорецепторам у акул и амфибий? Или, возможно, какие-нибудь химические детекторы? В моих руках был прибор, покрутив одну из ручек которого можно получить вместо десятикратного стотысячекратное увеличение, так что мне удалось внимательно изучить всю поверхность звезды. Затем я рассмотрел еще одну звезду в разрезе — с помощью обычного светового микроскопа и специальных красителей для изучения нервных волокон. Я также исследовал органы Эймера через просвечивающий электронный микроскоп. В общем, в ход пошли все доступные инструменты.

И не напрасно. Прежде всего, я получил ответы на множество давних вопросов. Нет, звезда не нужна для обоняния: ни одного обонятельного рецептора. У крота, как и у человека, такие рецепторы расположены глубоко в полости носа, а не на его кончике. И нет, звезда — это не дополнительная лапа. Здесь нет мышц, а значит, этими отростками звездонос не может ничего двигать или подбирать. На снимке поверхности звезды, сделанном при помощи сканирующего микроскопа, нет ни электрорецепторов, ни вкусовых луковиц, ни каких-либо известных химических рецепторов. Только органы Эймера. Стало быть, чтобы определить функцию звезды, нужно разобраться с функцией органов Эймера.

2.1. Слева: на снимке, полученном с помощью сканирующего электронного микроскопа, видно, что поверхность средней части отростка звезды целиком состоит из органов Эймера. Справа: строение органа Эймера у звездоноса

Итак, что это такое и для чего они нужны? Если рассмотреть поверхность отдельно взятого куполообразного органа Эймера, в центре мы увидим круглый диск — верхушку столбика из клеток кожи (их взаимное расположение напоминает горку блинчиков на тарелке). Внутри столбика находится главный компонент любого органа чувств — нервные волокна. От пяти до десяти отдельных волокон проходят параллельно друг другу по краям столбика, а одно — через его центр. Наверху всей этой структуры, сразу под наружным слоем кожи, нервные волокна образуют холмики, идеально расположенные для распознавания легчайшего прикосновения к коже. Кроме того, в основании столбика имеется механорецептор — клетка Меркеля, улавливающая давление (у человека таких рецепторов очень много на кончиках пальцев). Прямо под клеткой Меркеля — еще один механорецептор, тельце Пачини, реагирующее главным образом на вибрации. Раскрою карты: впоследствии мы подтвердили все эти данные (и не только их), зафиксировав и проанализировав активность нервных волокон^1–2. Наш главный подозреваемый — осязание — оказался виновен, как сказали бы в суде, «вне всяких разумных сомнений». Органы Эймера не способны обнаруживать электрические поля, но представляют собой образцовые механорецепторы.

Вам может показаться, что я спустил звезду с небес на землю. Если так, то сейчас подниму ее обратно. Исследование показало, что на звезде более 250 тысяч органов Эймера, и все они сосредоточены на площади менее одного квадратного сантиметра! Выходит, мы имеем дело с биологическим аналогом камеры сверхвысокого разрешения со множеством пикселей, только в случае со звездой эти «пиксели» осязательные. Еще больше впечатляет количество нервных волокон, по которым сигналы передаются от звезды в головной мозг крота.

Путь одного такого волокна от верхушки органа Эймера на кончике отростка до головного мозга напоминает путь ручейка, который впадает в ручей пошире, после чего тот впадает в реку, несущую свои воды в море. В основании органа Эймера нервное волокно объединяется с пятью или шестью другими. К этому небольшому нервному пучку присоединяются десятки, а затем и сотни волокон от соседних органов Эймера. Ближе к основанию отростка нерв состоит уже из тысяч волокон. В основании половины звезды — одиннадцать крупных нервных пучков, по одному на каждый отросток. По мере приближения к мозгу эти пучки сливаются в еще более крупные, и в итоге информацию от каждой половины звезды несут по 56 тысяч нервных волокон. В сумме получается 112 тысяч волокон³.

Само по себе это число мало о чем говорит. Но вы только подумайте: человеческая рука считается вершиной эволюции во многом благодаря тонкому осязанию, позволяющему нам изготавливать инструменты, метать орудия, кидать бейсбольный мяч и печатать текст про нос крота. Однако кисть нашей руки содержит около 17 тысяч нервных волокон, а у кротовьей звезды их в шесть раз больше, и все они занимают участок площадью с кончик человеческого пальца. Я начал догадываться, что звездонос, вероятно, обладает самой чувствительной системой осязания на планете и воспринимает объекты окружающей среды невероятно детально.

Первый шанс

Итак, идея использовать современные методы микроскопии для прояснения картины себя оправдала: наконец-то у меня появилось множество достоверных данных о звезде, не говоря уже об эффектных снимках. Теперь предстояло тщательно описать результат: подсчитать органы Эймера, измерить их, оценить плотность их распределения на каждом из отростков и составить схему этого распределения. Эта методичная работа может показаться скучной и малозначимой. Но на самом деле это одна из важнейших составляющих научного исследования: именно на этом этапе мы зачастую случайно видим что-то такое, что становится первым шагом на пути к открытию.

Для меня такой случайной находкой стал тот факт, что между всеми отростками звезды имеется полоска кожи, свободная от органов Эймера⁴, причем даже там, где отростки отходят от основания звезды вместе. Стало быть, каждый отросток представляет собой самостоятельную сенсорную единицу, своего рода вибриссу. Размышляя над этим, я вспомнил, как в Мэрилендском университете нам рассказывали о вибриссах мышей и особых «картах» в неокортексе.

Новая кора, или неокортекс, — это часть головного мозга всех млекопитающих (и только млекопитающих), которая покрывает полушария и поделена на множество зон с различными функциями. И у каждого млекопитающего соматосенсорная, то есть осязательная, зона представляет собой своеобразную карту его тела. Представьте себе крошечного человечка, вытянувшегося вдоль вашей новой коры вниз головой (его называют латинским словом «гомункулус»). В принципе, так и устроена карта, но, как правило, на каждое полушарие мозга проецируется только одна половина тела (правая половина тела — на левую половину мозга, и наоборот), поэтому вам нужно представить себе половину человека, лежащего вверх ногами. Карикатурное на вид изображение гомункулуса, вытянутого вдоль соматосенсорной коры в средней части головного мозга, есть в каждом учебнике по введению в нейробиологию. Первую карту осязания человека составил нейрохирург Уайлдер Пенфилд. Он точечно стимулировал неокортекс пациентов электрическим током и выяснял, какая часть тела реагирует на стимул.

2.2. Карта человеческого тела в соматосенсорной коре с представлением гомункулуса (лат. «маленький человек»). Подобные карты имеются в первичной соматосенсорной коре (S1) у всех млекопитающих

Мозг — структура, мягко говоря, сложная, и составление таких функциональных карт обычно требует скрупулезной записи нейронной активности или же применения стратегии Пенфилда. Однако в мозге мыши есть особая зона, которая стала настоящим подарком для исследователей неокортекса. Она называется баррельной корой, поскольку состоит из особых бочкообразных структур (баррелей), каждая из которых четко видна на фоне окружающей нервной ткани и состоит из множества отдельных нейронов⁵. И каждый из этих баррелей соответствует одной вибриссе на противоположной стороне морды. Проще говоря, карту вибрисс на мозговой ткани мыши можно увидеть своими глазами (если, конечно, правильно подготовить препарат). И это очень важно.

Баррельная кора мыши — хрестоматийный пример соматосенсорной зоны. Но это еще не все. Четко различимая карта вибрисс на неокортексе мышей и крыс стала так называемой модельной системой для изучения функций этой области мозга и позволила сделать множество открытий. Баррельной коре посвящено более тысячи научных публикаций, пара книг и ежегодная конференция, которая так и называется — Barrels.

2.3. Вибриссы и ткань головного мозга мыши. Каждой вибриссе соответствует овал, видимый на неокортексе мыши, а вместе эти овалы составляют точную карту мышиной морды. Эта особенность сделала мышь идеальной моделью для изучения осязания

Признаюсь, когда я только начал рассматривать звезду под микроскопом, то обладал лишь остаточными знаниями об этой особенности мышиного мозга. И все же эти знания, хоть и с натяжкой, позволили мне отнести к себе знаменитое изречение Луи Пастера: «Удача улыбается подготовленному разуму». Но у меня есть и собственный афоризм, который может вам пригодиться: «Не сдавайте свои учебники букинистам!» У меня все еще хранился учебник по нейробиологии («От нейрона к мозгу»^[6], второе английское издание, 1984⁶). Я отыскал изображение баррельной коры, и пока я в него всматривался, в моей голове забрезжил свет. Что, если на неокортексе крота можно увидеть карту звезды, подобную карте вибрисс у мыши? Вот было бы здорово! К тому же это почти наверняка привело бы к новым открытиям функций и особенностей неокортекса.

Я поделился этой мыслью с Гленном, и он одобрил продолжение исследований. Правда, для визуализации на неокортексе баррелей (или их аналогов у звездоноса) необходима специальная обработка ткани. Это на удивление редкий навык даже среди опытных нейробиологов. Чтобы правильно разрезать кору сверху донизу, для начала ее нужно ловко отделить от подлежащих структур и аккуратно расправить. Мы такими методами не владели. К счастью, Гленн знал, к кому обратиться за помощью: к Джону Каасу из Университета Вандербильта. Он написал о неокортексе столько, что хватило бы на целую книгу. Я отправил бы ему письмо по электронной почте, но такой роскоши у нас тогда не было. Так что я написал ему обычное письмо. В ответ он тоже написал обычное письмо, в котором пригласил меня в свою лабораторию.

Увидеть — значит поверить

Университет Вандербильта расположен в Нэшвилле, примерно в тридцати часах езды по трассе I-40 из Сан-Диего в сторону коттеджа Кармайна. В этот раз, рассчитывая произвести впечатление, я не стал полагаться на удачу, так что снял копии с нескольких статей Джона и начитал их на магнитофон. Получилась своеобразная аудиокнига на кассетах. В дороге я успел прослушать все новейшие неокортексные хиты и немного из классического репертуара. Может, это и был апофеоз занудства, но эффект вышел примерно как у Нео из «Матрицы» с навыками кунг-фу; правда, в моем случае загрузка заняла куда больше времени.

Выяснилось, что волноваться мне было не о чем. Как и Гленн, Джон оказался дружелюбным и отзывчивым человеком, не кичившимся своим статусом. Он видел меня впервые в жизни, однако пригласил остановиться у себя. И вот мы уже сидели у него на кухне, пили пиво, говорили о мозге, о влиянии политики на науку, а потом и о более философских вопросах. В конце концов мы добрались до темы, которой я пренебрегал все студенческие годы: университетского баскетбола.

На следующий день, уже в лаборатории, я рассказал Джону о своем исследовании, показал детальные снимки звезды и едва различимые границы между отростками. Джон сказал, что поиск интересующих меня структур на неокортексе крота — плевое дело, так что я в тот же день отправился на пенсильванские болота, и уже через две недели мы впервые увидели мозг звездоноса.

Этап окрашивания препарированного и расправленного неокортекса полон того же предвкушения, что и загрузка образца в электронный микроскоп, но результат, конечно, сильно отличается по масштабу. Хотя электронный луч и позволяет получить максимально возможное увеличение, плоский срез лучше всего рассматривать по старинке, с помощью диапроектора. Но пусть вас не обманывает простота этого прибора. Если вы все сделаете правильно, то сможете спроецировать на лист бумаги и показать всему миру ткань, которую не увидеть невооруженным глазом.

Первые срезы я просматривал на выходных. Я увидел темные полосы, расположенные в виде звезды, именно там, где мы ожидали их увидеть. Проецирование коркового узора на бумагу особенно удобно тем, что его можно обвести карандашом, что я сразу и проделал с несколькими образцами. Ну а потом я запрыгнул в машину и поехал к Джону, чтобы нахально прервать его субботний отдых. Еще не войдя в дом, я начал показывать ему рисунки. Мы стояли на крыльце и обсуждали увиденное с одинаковым воодушевлением.

Для исследователей мозга это открытие значило очень много. По словам Джона, карта звезды была особенно важна потому, что опровергала давние теории о строении мозга млекопитающих. Многие ученые полагали, что структурной единицей новой коры является колонка неокортекса и что весь неокортекс «вымощен» такими колонками, как плиткой. Баррели, различимые на карте вибрисс у мышей, полностью соответствуют этой концепции (срез колонки — это и есть баррель). Но карта звезды плохо вписывалась в эту теорию, поскольку полосы представляли собой вовсе не круглые элементы. Узор на неокортексе крота скорее подтверждал другую гипотезу, согласно которой на формирование и представление карты тела в первую очередь влияет расположение рецепторов на коже животного.

Вскоре я вновь был в дороге. Я возвращался в Сан-Диего, и у меня было тридцать часов, чтобы, глядя на убегающее за горизонт шоссе, поразмышлять о неокортексе. В начале пути по радио заиграла песня Africa группы Toto, и до сих пор, когда я слышу эту песню, в голове возникает образ звезды в неокортексе. Это была незабываемая поездка — и не только из-за моего увлечения наукой, но и по более прозаичной причине, знакомой всякому магистранту: новое открытие практически гарантировало мне успешную защиту диссертации.

При подготовке к защите я старался предугадать все возможные вопросы диссертационного совета, но оказался не готов к первому же из них. Стараниями Гленна вступление к моему докладу сопровождалось той самой фотографией меня в наручниках рядом с суровым полицейским. Не знаю, удалось ли мне убедить совет в том, что я никогда не сидел в тюрьме, но месть Гленна имела и положительный эффект: после такого начала все прочие вопросы казались совсем простыми.

2.4. Карта звезды на ткани головного мозга, спроецированная с предметного стекла на лист бумаги (слева) и увеличенная для лучшей детализации (справа внизу). На каждую сторону неокортекса проецируется половина звезды (справа сверху), то есть на каждом полушарии видно одиннадцать сегментов (справа снизу). Обратите внимание: одиннадцатый сегмент намного больше остальных

Много лет спустя круг замкнулся. Описание карт мозга в пятом издании учебника «От нейрона к мозгу» теперь сопровождается снимками не только баррельной коры мыши, но и неокортекса звездоноса. Авторы книги и не подозревают, что на открытие меня вдохновило одно из ее предыдущих изданий.

Нейрокомната смеха

Узор на неокортексе крота дал тот же эффект, что и изображения звезды, полученные с помощью электронного микроскопа. Он стал очередной хлебной крошкой на пути к следующему вопросу. И даже не просто крошкой, а целой горбушкой хлеба. Едва взглянув на карту звезды, я заметил кое-что требующее объяснения: один из сегментов занимал непропорционально большую часть карты. Несоответствие было столь явным, что поначалу мы пришли в замешательство. Мы ожидали (или по крайней мере надеялись) увидеть на неокортексе одиннадцать полос — по полосе на каждый отросток на противоположной стороне звезды. Но мы увидели десять примерно одинаковых полос и одну гигантскую — причем на месте самого маленького, одиннадцатого отростка. Что бы это могло значить? Чтобы ответить на этот вопрос, мы зарегистрировали электрическую активность мозга звездоноса, и огромная полоса действительно оказалась проекцией одиннадцатого отростка. То, что мы наблюдали, называется кортикальным увеличением.

Кортикальное увеличение — это, можно сказать, то, как мозг «видит» тело, а видит он его совсем не так, как мы. Это больше похоже на отражение в кривом зеркале, которое значительно искажает пропорции. У человека огромную часть соматосенсорной карты занимают кисти рук, потому что на их коже очень много сенсорных нейронов. А вот на туловище, ноги и предплечья, гораздо менее важные для осязания (никто не может читать шрифт Брайля, например, локтем), приходится куда меньше места. Как вы могли догадаться, в результате регистрации электрической активности мозга звездоноса мы получили «кротункулуса» с гигантской звездой и огромными передними конечностями.

Описанное выше не так уж и удивительно; логично, что мозг отводит больше места для более важных частей тела. Но особое выделение одного сегмента звезды оказалось новой загадкой. Одиннадцатый сегмент занимает 25 % карты, но соответствует самому маленькому из отростков, на котором сравнительно немного органов Эймера³. Почему же именно этот отросток так важен для кротовьего мозга? Чтобы получить ответ, я внимательнее присмотрелся к поведению звездоноса и добрался до самых основ.

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 бо́льшая 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.

«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).

Эти два основных механизма — отращивание нужной формы и формирование ее за счет удаления материала — кажутся в высшей степени удобными и логичными, и именно так у большинства животных развиваются конечности и отростки. Опять же, как еще? Казалось бы, все разумные варианты исчерпаны. Однако звездоносы пошли своим путем.

На раннем этапе развития у эмбриона нет никаких признаков будущей звезды, и кончик носа представляет собой просто гладкий слой эпидермиса. Затем довольно внезапно появляется «протозвезда», которая выглядит как одиннадцать валиков с каждой стороны морды. Но что это? Звезда в сложенном виде? Или звезда, спрятанная под кожей и формирующаяся внутри носа, чтобы показаться в свое время? Ни то ни другое. Это просто валики — волны на поверхности кожи формирующегося носа. По мере развития валики становятся более выраженными, но по-прежнему не являются отдельными отростками. У них нет нижней части. Они лишь намечены бороздками, как пальцы у Сфинкса. Вскоре под этими эпидермальными волнами вырастает новый слой эпидермиса, и каждый из валиков становится отдельной трубочкой, прикрепленной к носу эмбриона по всей длине. А уже после рождения звездоноса эти трубочки проступают целиком, отделяются от морды и отклоняются вперед, образуя отростки звезды, которые мы видим у взрослой особи⁹.

2.7. Развитие звезды «задом наперед». Вместо формирования отдельных отростков на носу крота образуются обращенные назад трубчатые структуры, которые затем отделяются и отклоняются вперед. Этот процесс отличается от развития аналогичных органов у других животных

Получается, что кожа кончика каждого отростка представлена тканью лицевой области, расположенной дальше от носа, чем ткань основания. То есть орган формируется «задом наперед», а такой механизм развития не наблюдается больше ни у одного представителя царства животных. Это, мягко говоря, нестандартный подход, а говоря откровенно — просто нелепо. Думаю, если на уроке лепки из пластилина кто-то решит сформировать звезду таким способом, этот кто-то как минимум закончит работу последним. Положа руку на сердце, я думаю, что такое даже в голову никому не придет. Это совершенно неразумно.

Почему же развитие происходит именно так? Судя по всему, звездонос просто обожает оказываться в центре самых любопытных научных теорий и споров. Сначала речь шла о соматосенсорных картах неокортекса, а теперь — о взаимосвязи между внутриутробным развитием и процессом эволюции. В 1977 году известный палеонтолог и популяризатор науки Стивен Джей Гулд опубликовал свою первую книгу, «Онтогенез и филогенез» (Ontogeny and Phylogeny)¹⁰. Она была посвящена именно этой взаимосвязи (и вполне могла бы называться проще — «Развитие и эволюция»). Гулд особо подчеркивал тот факт, что эволюция не может позволить себе роскошь, доступную скульпторам, архитекторам и инженерам, и создавать что-то с нуля. Напротив, эволюция — это мастер, создающий новое, переиначивая пути развития старых форм, да еще и с дополнительным условием: все новое должно работать максимально эффективно. Зачастую это приводит к удивительным решениям, и сама их странность — лучшее доказательство эволюции. Если говорить точнее, Гулд, да и не только он, отмечает, что из-за такого кустарно-экспериментаторского характера эволюции иногда в процессе эмбрионального развития организма «воспроизводятся» стадии эволюционного процесса.

Иными словами, экстравагантное развитие лучей звезды у звездоноса может быть связано с тем, что на носу его предка органы Эймера располагались в виде отдельных полос, направленных назад. И если в процессе эволюции они постепенно приподнимались и отделялись от кожи, то последовательность эволюционных этапов может отражаться в последовательности развития звезды у современного звездоноса.

Эта гипотеза эволюции звезды звучала очень здорово, но ей не хватало доказательств. Я даже не знал, существовал ли у звездоноса такой предок. Ископаемых кротовьих носов не существует, вот в чем проблема. Но надежда оставалась: в мире насчитывается более тридцати видов кротов, и если хотя бы у одного из них обнаружится «протозвезда», это будет даже лучше окаменелости. К тому времени я уже познакомился со многими исследователями кротов и знал, что на Западном побережье США обитает вид, который весьма логично называется тихоокеанским кротом (Scapanus orarius) и с которого стоило начать.

Я немного покопался в литературе, и у меня возникла идея. Оказалось, что тихоокеанский крот наносит огромный ущерб фермам в округе Тилламук штата Орегон. Так что я прилетел в Портленд, арендовал там машину, доехал до Тилламука и заселился в прибрежный отель. Оказавшись в номере, я первым делом открыл телефонную книгу и позвонил в ближайший гольф-клуб.

— Здравствуйте! Скажите, пожалуйста, страдает ли ваше заведение от кротов?

— Разумеется. — В женском голосе слышалось подозрение. — Почему вы спрашиваете?

— Я бы хотел подъехать и поймать парочку особей, если позволите.

— Нет-нет, спасибо, мы уже решаем проблему. Нам не нужны морильщики. — Она явно собиралась повесить трубку.

— Постойте, я биолог. Я не ищу работу, кроты нужны мне для исследования, я их поймаю бесплатно.

Понадобилось еще немного времени, чтобы убедить женщину, что я не мошенник. Оказалось, что кротов здесь столько, что разные компании постоянно навязывают услуги по их отлову и истреблению. Наконец она убедилась в моих честных намерениях и разрешила приехать.

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

6

Первое издание книги С. Куффлера и Дж. Николса «От нейрона к мозгу» (1975) было переведено и выпущено в СССР в 1979 году. Второе и третье издания на русский язык не переводились. Переработанное и дополненное четвертое издание вышло на английском языке в 2001 году, а на русском — в 2012 году. — Прим. пер.

7

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