Все многообразие форм приспособительных реакций живых организмов делят на две группы. Первая группа — это врожденные инстинкты, деятельность и поведение живых существ, которое передается по наследству. Инстинкты сложились как приспособления к постоянным и периодическим явлениям окружающей среды.
Вторая группа объединяет виды поведения, которые животные обрели в индивидуальной жизни, точнее то, что каждый зверь своим умом понял и выстрадал. Данные реакции помогают организму приспособиться к неожиданным, быстро изменяющимся условиям существования.
Обе формы приспособительной деятельности включают последовательные ряды действий, направленных на достижение полезных для организмов результатов. Однако программирование таких действий внутри врожденной и приобретенной деятельности может осуществляться по-разному.
«Золотые яйца» осы и улитки аплизии
Как правило, инстинктивная деятельность строится на основе жестких программ. Изучая жизнь насекомых, выдающийся французский натуралист Ж. Фабр обратил внимание на интереснейшую форму инстинктивного поведения желтокрылой осы — сфекса.
На определенном этапе развития у этих ос под влиянием внутренних гормональных изменений и факторов внешней среды (прежде всего температуры воздуха и продолжительности дня) начинается созревание яиц. Возникает и потребность отложить их. Этот этап поведения хищной осы служит типичным примером инстинктивной деятельности.
Оса начинает с того, что в укромном месте роет норку определенной формы. Затем она улетает на охоту за дичью, которая должна послужить пропитанием для личинок, как только они вылупятся из яиц. Дичь для сфекса — это полевой сверчок. Сфекс обнаруживает сверчка и парализует его мощными ударами жала в нервные узлы. Подтащив его к норке, оса оставляет его возле входа, сама же опускается в норку проверить обстановку.
Убедившись, что в норе посторонние отсутствуют, оса затаскивает туда свою жертву и откладывает на его грудь свои яйца. Так же она может затащить в нору ещё несколько сверчков, для того, чтобы заделать ими вход. Затем она улетает, и на это место она уже не возвратится.
Если внимательно рассмотреть все этапы поведения осы, можно заметить, что все её движения развертываются по уникальной программе подчинённой единственному результату — кладке яиц. Учёный Ж.Фабр много раз отодвигал сверчка, которого оса оставляла у входа во время проверки норы. В этом случае, выбравшись из норы и заметив, что добыча слишком далеко, оса вновь хватала её, подтаскивала к входу, а затем спускалась в норку, но снова одна. Оса без устали повторяла все действия: подтаскивала сверчка, потом бросив его, проверяла норку, чтобы опять вернуться за ним.
Итак, в поведении осы каждый предыдущий итог ее деятельности, направленный на достижение какого-то этапного результата, определяет развитие последующего действия. Если оса не получает сигнал об успешном завершении предыдущего этапа, она ни за что не перейдет к следующему.
Все это говорит о том, что поведение осы строится по жесткой программе. Ее запускает внутренняя потребность, мотивация. Но осуществление программы определяется этапными и конечными результатами приспособительной деятельности животного. Что это так, показывают следующие наблюдения. После того как оса замурует вход, можно буквально на её глазах разрушить все ее старания. Судьба яиц больше не интересует осу, так как ее миссия выполнена.
Вся эта программа определяется наследственными механизмами. Ведь потомки осы никогда уже не встретятся с родителями и ничему от них не научатся. Однако эти наследственные механизмы вступают в действие только при наличии определенных факторов внешней среды. Если осы не находят их, скажем мягкую почву для норок, вся цепочка действий путается и рвется. И тогда целая популяция ос в этом злополучном месте погибает.
Похоже строятся все формы инстинктивной деятельности. Это подтвердили ученые, изучавшие на всех материках и в пучине морей и океанов манеры и повадки крылатых, четверолапых, чешуйчатых, ластоногих, землероющих и прочих наших соседей по планете.
Чем шире открывалось человеку многоцветие инстинктивного поведения животных, тем пленительнее влекла его к себе величайшая тайна живой природы. На каких внутренних свойствах организма основаны инстинкты? После открытия в 1951 —1953 гг. Дж. Д. Уотсоном, Ф. Криком и М. Уилкинсом структуры ДНК этот вопрос конкретизировался, и сейчас он звучит так: как закодировано в генах врожденное поведение и как они управляют им?
Наиболее яркий и содержательный ответ на этот вопрос дала группа американских нейробиологов под руководством Э. Кэндела. Они исследовали у морской улитки аплизии такую же форму поведения, как и у сфекса, — откладывание яиц. Кладка яиц аплизии, — рассказывают участники этих опытов — представляет собой шнур, содержащий более миллиона яиц. Как только под действием сокращающихся мускулов протока гермафродитной железы, где и происходит оплодотворение, яйца начинают выталкиваться наружу, улитка прекращает двигаться и питаться. Частота дыхания и сердцебиения у нее возрастает.
Улитка захватывает шнур яиц ртом и, двигая головой, помогает ему выйти из протока, а затем закручивает в моток. Наконец движением головы животное прикрепляет кладку к твердой основе.
Э. Кэндел и И. Купферман нашли в брюшном ганглии (т. е. скоплении нейронов) аплизии так называемые пазушные нервные клетки. Из них получили экстракт и ввели его в организм других улиток. И вот оказалось, что власть каких-то веществ из этого экстракта над поведением моллюсков была так велика, что улитки немедленно начинали откладывать яйца, даже если срок их созревания еще не подошел. Более того, и неоплодотворенные улитки, получив такой экстракт, совершали отдельные движения из ритуала откладки яиц.
Ученых заинтересовали вещества, составляющие действующее начало экстракта пазушных клеток. Ими оказались 4 пептида (т. е. короткие цепочки из аминокислот), один из которых получил название ГОЯ — гормон откладки яиц. Сразу заметим, что это открытие не было полной неожиданностью. Среди других биологически активных веществ пептиды сейчас исследуются наиболее интенсивно.
Ведь эти белки-крошки, действуя в ничтожных количествах, регулируют практически все жизненно важные процессы организма: питание, дыхание, выделение, размножение, терморегуляцию, сон и т. д. Число пептидов, выделенных из разных тканей, уже превысило 500. Многие из них синтезируются в нервной ткани и непосредственно управляют поведением.
Такова же оказалась и роль «пазушных» пептидов аплизии. Американские ученые нашли в нервной системе аплизии 7 нейронов, на которые эти пептиды оказывают наиболее сильное и избирательное действие. По мнению биологов, эти 7 клеток выполняют роль командных нейронов. Иначе говоря, они управляют остальными нервными клетками аплизии, входящими в ту функциональную систему, которая обеспечивает откладку яиц. У любой аплизии эти клетки под действием «пазушных» пептидов начинают одновременно генерировать электрические импульсы, причем звучание их электрической «речи» в этом случае совершенно иное, чем в остальных случаях, когда эти нейроны подают электрический «голос».
Кроме запуска этих командных нейронов у четверки пептидов из пазушных клеток нашлись и другие профессии, тесно сопряженные ради одной конечной цели — откладки яиц. Один пептид замедляет сердечный ритм. Другой сокращает проток гермафродитной железы, чтобы шнур вышел наружу. Третий подавляет у улитки аппетит, чтобы прожорливая мамаша не пообедала собственным потомством.
Из половой системы улитки Ф. Штрумвассер и его коллеги выделили еще 2 пептида. Их назвали пептид А и пептид Б. Они-то и заставляли пазушные клетки выделять четверку пептидов, о которых только что было рассказано. Благодаря этому открытию стали понятнее механизмы запуска функциональной системы откладки яиц.
Таким образом подтверждалось, что именно пептиды «созывают» в одно рабочее объединение нервные клетки, отбирая из множества возможных соединений нейронов те, что подвластны их действию, и включая их в функциональные системы. Вместе с нейронами пептиды объединяют в содружество также и периферические клетки. В результате скоординированной пептидом деятельности всего этого огромного клеточного ансамбля и достигается полезный результат поведения.
Казалось бы, все здесь логично и продуманно. Но на самом деле очень важный вопрос оставался неразрешенным до тех пор, пока нейробиологи не начали работать с расшифрованными генами.
По чьему «приказу» вся четверка пептидов начинала в строгой очередности выделяться пазушными клетками? Под действием пептидов А и Б? Разумеется. Но ведь эти вещества только запускали в пазушных клетках какой-то таинственный механизм. Так как же он действует?
Вопрос этот очень важен. Ведь стоило этой очередности и пропорциональности в выделении пептидов, а на ней-то и построено жесткое программирование инстинктивного поведения аплизии, хоть в чем-то нарушиться, и никаких яиц она бы не отложила. Очевидно, это случилось бы и со сфексом, где тоже угадывается «почерк» какой-то группы пептидов.
Нейробиологи сначала предположили, а потом доказали, что синтез пептидов из одной функциональной группы природа поручает одному и тому же гену или, по крайней мере, нескольким генам, но тесно взаимосвязанным общностью регуляторных механизмов.
Применив методы генной инженерии, американские исследователи выделили и полностью установили нуклеотидную последовательность для трех генов аплизии. Первый «печатал» в строго определенной последовательности четверку пептидов пазушных клеток. Два других гена синтезировали пептиды А и Б. Анализ нуклеотидной последовательности этих генов обнаружил повторяющиеся участки. Это указывает на то, что все три гена происходят от одного предшественника. В процессе эволюции он, вероятно, подвергался мутациям. Например, количество копий этого гена могло увеличиться (дуплицироваться). За счет новых мутаций, затрагивающих уже новообразованные гены, они начинали собственную эволюцию. В итоге дупликация генов через образование новых пептидных семейств приводила и к увеличению числа функций организма, например программ врожденного поведения.
Трудно переоценить значение этой работы для биологии. Удалось развить и продолжить идею о системообразующей роли пептидов. Стало ясно, как они опосредуют на разные клетки действие «генеральных сборщиков» функциональных систем-генов. Понятнее стал эволюционный путь, ведущий от генетических мутаций к умножению и усложнению программ инстинктивного поведения.
Однако как ни заманчивы были эти гипотезы, их еще требовалось подтвердить на других животных помимо аплизии. Лишь тогда можно было бы говорить о всеобщности в природе принципа контроля над целостной реакцией организма одного гена, кодирующего группу функционально связанных пептидов. И это уже удалось сделать.
Американские ученые Н. И. Тублитц и его коллеги доказали, что несколько взаимосвязанных генов кодируют группу пептидов, управляющих конечной стадией метаморфоза табачной моли — выходом насекомого из куколки. Запускает эту жесткую поведенческую программу один крупный пептид. Он синтезируется в нервной системе и начинает выделяться в кровь за два с половиной часа до вылупления моли. Выбравшись из куколки, насекомое расправляет крылья. Управляют этими процессами три других пептида. Два из них способствуют наполнению кровью грудных сосудов, откуда она затекает в кровеносные сосуды крыльев и расправляет их. Третий пептид действует на соединительную ткань крыльев. Пока они расправляются, он придает им пластичность, а затем — постоянную жесткость.
С 1980 по 1983 г. в лабораториях профессора С. Нума (Япония) и доктора П. Сибурга (США) установлена последовательность гена, печатающего белок препроопиомеланокортин. В мозге эта огромная молекула разрезается ферментами на несколько коротких цепочек — пептидов. В организме животных и человека пептиды препроопиомеланокортина образуют единую функциональную систему. С ее действием мы все знакомы. Благодаря ей наш организм отвечает на сильные и неожиданные раздражители врожденной реакцией — стрессом.
Один пептид из семейства препроопиомеланокортина увеличивает секрецию глюкокортикоидных гормонов надпочечников. Они в свою очередь повышают кровообращение в мышцах, усиливают их сократительные способности, увеличивают уровень глюкозы в крови. Другой пептид стимулирует расщепление жира. За счет глюкозы и жиров мобилизуется запасная энергия. Третии пептид усиливает секрецию инсулина и обеспечивает использование глюкозы тканями. Четвертый гасит боль. Именно поэтому даже сильные травмы во время волнения, стресса мы замечаем не сразу. Таким образом природа дает возможность живым существам в экстремальной ситуации довести до конца главное дело, а затем заняться «самолечением». Наконец, последний пептид повышает внимание и уровень бодрствования мозга, что тоже небесполезно в любой жизненной ситуации.
Итак, воистину «золотые яйца» принесли ученым сфекс и аплизия. Наблюдая в прошлом веке за поведением хищной осы, Ж. Фабр открыл главные внешние закономерности врожденного поведения. Спустя примерно столетие американские нейробиологи в общих чертах установили молекулярно-генетический механизм, благодаря которому мозг хранит и реализует программы врожденного поведения.
Однако работа в этом направлении только начинается. Ведь врожденное поведение млекопитающих, которое-то и служит конечной целью всех исследований науки о мозге, на самом деле никогда не бывает так жестко запрограммировано, как реакции сфекса, аплизии или табачной моли. Значение факторов внешней среды, которые подметил еще Ж. Фабр, наблюдая за хищной осой, в инстинктивном поведении теплокровных животных несравненно больше. А соответственно и принципы генетического контроля сложнее, пластичнее и в чем-то уже иные.
