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

Книга, саламандры и семинар

В 1989 году я не мог воспользоваться интернет-поисковиком или зайти на Amazon.com, так что моя детективная работа состояла в методичном прочесывании университетской библиотеки в поисках трудов, посвященных органам чувств у животных. Там я и нашел недавно опубликованную книгу под названием «Электрорецепция» (Electroreception)⁶. Да, к моему удивлению, эта область исследований оказалась настолько широкой, что материала хватило на целую книгу, над которой работала, как говорилось в предисловии, «целая армия» специалистов по разным животным, способным воспринимать электрические поля. Каждая глава была написана ученым или группой ученых, специализирующихся на той или иной теме. Я обнаружил настоящую библию электрорецепции – и обратился в эту религию.

Глава 16 моей новой любимой книги, «Электрорецепция у амфибий», дала толчок новым экспериментам. Я узнал, что среди огромного многообразия существ, обладающих электрорецепцией, есть крупная саламандра, похожая на угря и метко названная двухпалой амфиумой^[4]. Обитает она на юго-востоке США, и не путайте ее, пожалуйста, с трехпалой амфиумой, которая водится там же и у которой тоже есть электрорецепторы. Есть и еще более странное создание – аллеганский скрытожаберник, весьма крупная плоская саламандра, живущая под камнями в ручьях и реках. Ее английское название – hellbender^[5] – претендует на победу в номинации «самое звучное название земноводного».

В книге приводилась подробная таблица, отражающая степень изученности вопроса для каждого из видов, и по ней было легко найти источники, на которые ссылались авторы. Электрорецепторы были обнаружены на коже многих саламандр, а вот как именно они работают, оставалось невыясненным – в таблице стояли вопросительные знаки. Никто не знал, как амфибии используют электрорецепторы! Это было отличное направление для будущих исследований, а значит, и для потенциальной магистерской диссертации. Более того, несколько подходящих саламандр обитали в Смитсоновском зоопарке.

После недолгих уговоров мне дали добро на побочный проект по изучению электрорецепции у амфибий в павильоне рептилий и земноводных. Я начал с аксолотля, поскольку его способность воспринимать электрические поля уже была доказана. И действительно: каждый раз, когда прибор включался, аксолотль атаковал, нападая на источник электрического поля как на добычу. Этот маленький успех придал мне воодушевления подобно живительному эликсиру.

Примерно в это же время в Мэрилендском университете состоялся семинар по эволюции мозга. Его проводил Гленн Норткатт, профессор нейробиологии из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Так у меня появился шанс встретиться с авторитетным ученым, который знает о мозге и его эволюции больше, чем кто-либо другой. Я ужасно боялся подойти к нему. Что я скажу? Я шел на встречу, чувствуя себя примерно как на той проселочной дороге в Пенсильвании, когда хотел познакомиться с незнакомцем, способным взяться за дробовик.

Волноваться оказалось не о чем. Стрельбы (то есть блиц-опроса по нейроанатомии) не случилось. Гленн дружелюбно пожал мне руку и стал расспрашивать о работе в зоопарке. Мне только того и надо было! Я достал из рюкзака книгу об электрорецепции, открыл ту самую главу 16 и выпалил: «Не могу поверить, что никто до сих пор не выяснил, как саламандры реагируют на электричество!» И я в красках описал, как аксолотль атаковал электрическое поле. Чего я не знал, так это того, что Гленн и сам изучал аксолотлей у себя в лаборатории. Его заинтересовало мое исследование, а таблицу из главы 16, как мне показалось, он знал наизусть (справедливости ради, он знал наизусть всю книгу). Он одобрил идею изучать электрорецепцию саламандр для магистерской диссертации и даже предложил мне поступать в Калифорнийский университет в Сан-Диего.

Когда профессор ушел на следующую встречу, я закрыл книгу и задумался о планах на будущее. И только тут я заметил на обложке его имя. Редактор серии! Я был в ужасе от своей оплошности. Неудивительно, что он так хорошо знал книгу, которую редактировал. Позже я немного успокоился и решил, что все сложилось неплохо: ведь знай я об этом раньше, я был бы слишком взволнован, чтобы так непринужденно обсуждать с профессором свои идеи.

И последний факт об этой книге. На ее обложке – три имени: Гленн Норткатт (редактор серии), Теодор Баллок и Вальтер Хайлигенберг (редакторы тома). Все трое впоследствии вошли в совет на защите моей магистерской. Гленн Норткатт стал моим научным руководителем. Неизвестно, как сложилась бы моя судьба, если бы кто-то не решил однажды, что книга «Электрорецепция» должна стоять на полке университетской библиотеки.

Калифорнийское звено

Доктор Гульд написал рекомендацию, и меня приняли в Калифорнийский университет на программу по нейробиологии. Это была осень 1990 года. Обычно студенты магистратуры выбирают тему на втором или третьем году обучения, но я уже знал, что моя диссертация будет посвящена электрорецепторам и нейроанатомии земноводных. Правда, не так-то просто оказалось избавиться от мыслей о звездоносе. Можно сказать, что я был привит «антигеном», вызывавшим отсроченный, но системный иммунный ответ. Время шло, а я не мог перестать думать о таинственной звезде и ее функции. Но все же мне предстояло еще кое-чему научиться.

Начало обучения в магистратуре похоже на восхождение на гору. Ты упорно поднимаешься по крутому склону, с каждым шагом заполняя пробелы в знаниях. Узнать надо столько, что думать о самом подъеме некогда, но когда через некоторое время ты останавливаешься на минутку и оглядываешься назад, то где-то вдалеке видишь крошечную парковку и не веришь, что начал настолько издалека. Мы занимались микроскопией, клеточными культурами, препарировали человеческий мозг. Были семинары, лекции, новые друзья, а для расширения горизонтов можно было даже купить компьютер.

Нам предоставляли большу́ю свободу в выборе предметов и лабораторий, что позволяло получить опыт работы с разными методами и оборудованием. Я уже поднаторел в области поведения животных, так что решил заняться чем-то диаметрально противоположным и выбрал микроскопию. В то время существовало два основных метода микроскопических исследований: световая микроскопия и электронная. Световой микроскоп – это то, что вы видите на столе в любой лаборатории, показанной в кино: прибор размером с кофеварку с двумя окулярами и подставкой для предметного стекла с образцом. Для студента-биолога умение смотреть в световой микроскоп все равно что умение водить машину: этому учатся все.

Другое дело – электронная микроскопия. Электронные микроскопы бывают двух типов: просвечивающие и сканирующие (растровые). Эти приборы обычно огромные и располагаются на консолях со множеством ручек и кнопок, а также с отдельным монитором для просмотра изображения (представьте себе уменьшенную версию обзорного экрана на звездолете «Энтерпрайз» из «Звездного пути»). Такой инструмент позволяет проникнуть в мир очень, очень (очень!) маленьких объектов. Обычный световой микроскоп дает увеличение в тысячу раз. Просвечивающий электронный микроскоп – более чем в миллион. Именно этого – абсолютной четкости – я и искал. Я записался на занятия в недавно открывшийся в Калифорнийском университете Национальный центр микроскопии и визуализационных исследований (National Center for Microscopy and Imaging Research). Под просвечивающий электронный микроскоп там было выделено отдельное большое помещение, а выглядел прибор примерно как ракета-носитель «Сатурн-5», извергающая холодный туман и все такое. Техники с удовольствием поддерживали в нас трепет перед этим грандиозным агрегатом, приглушая свет и включая музыку в стиле нью-эйдж – Вангелиса, например, или Tangerine Dream.

Был там и другой электронный микроскоп – сканирующий, мой любимый. Если световой и просвечивающий микроскопы позволяют рассматривать срезы тканей и изучать их внутреннее строение, то сканирующий микроскоп дает невероятно детальное и зачастую очень красивое изображение всей поверхности неповрежденного образца. Вы наверняка видели такие снимки – настоящие произведения искусства, где блохи и муравьи превращаются в монстров, похожих на Годзиллу. А еще этот микроскоп позволяет идентифицировать все виды рецепторов на коже – вкусовых, обонятельных… и даже электрических.

Научившись пользоваться обоими приборами, я начал работать под руководством Гленна над выявлением электрорецепторов, механорецепторов и вкусовых луковиц на коже аксолотля и других видов саламандр. Мне предстояло составить схему расположения этих рецепторов. Профессор, можно сказать, занимался высшей математикой развития и эволюции органов чувств и мозга животных – он искал ответы на важнейшие вопросы: как и когда эволюционировали разные структуры. Я же всего лишь делал первые маленькие шаги к своей диссертации, посвященной электрорецепции у амфибий.

Однако теперь мне было доступно новейшее оборудование для изучения кожи животных и нервных окончаний в ней. И я все чаще стал вспоминать о звездоносе. Есть ли на его звезде что-нибудь похожее на электрорецепторы? А может быть, там есть какая-то другая структура, которая объяснила бы функцию звезды? Очевидное решение – просто взять и проверить. Я не мог ответить на свой вопрос в Смитсоновском зоопарке, а здесь это было делом нескольких дней. Мне нужно было только связаться с Кармайном и отправиться на болота Пенсильвании.

Гленн не спешил одобрить эту авантюру, и его можно было понять. Кроты обитали в двух тысячах миль от Сан-Диего, так что затея не выглядела простой вылазкой в поле. К тому же крота нужно было усыпить мощным анестетиком – таким, который ветеринары используют для эвтаназии. Контроль над барбитуратами очень строгий, так что это было серьезной проблемой. У университетской лаборатории имелась лицензия на их использование, но если препарат найдут у меня в машине на другом конце страны, эта лицензия мне вряд ли поможет. (Я тогда носил длинные волосы и совсем не был похож на респектабельного ученого.) Я убедил Гленна, что проблем не возникнет: буду соблюдать скоростной режим и не стану нарываться на неприятности. Наконец он уступил, но несколько раз повторил очень строго: «Будь крайне осторожен с этим флаконом – если у тебя возникнут неприятности, они начнутся и у меня».

Я был крайне осторожен. Но спустя несколько недель я все-таки оказался в наручниках, а мэрилендский полицейский изучал флакон из лаборатории с самым строго контролируемым препаратом. Вскоре Гленн получил письмо, извещающее об этом событии, и запрос на внесение залога.

1.2. Мэрилендский полицейский надел на автора наручники и изучает подозрительный флакон

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.