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

не приходилось очень быстро. Мелкая рыба должна начать уворачиваться от хищника всего за 6–7 миллисекунд. Для сравнения: на олимпийском спринтерском забеге от выстрела до старта бегуна проходит около 175 миллисекунд. Рыба быстрее в 25 раз. И вот что здесь интересно и довольно неожиданно: когда счет идет на миллисекунды, вы не можете полагаться на зрение. Реакции от глаз вы будете ждать на 25 миллисекунд дольше, чем от органов слуха или осязания5–6. Но что решает лишняя сороковая доля секунды? Всё, если вам нужно увернуться от змеи или если вы неосмотрительно купились на фальшивого червя в пасти грифовой черепахи. Итак, что же делать рыбе?

У рыб есть необычная поговорка: верь своим ушам. Пока зрительный сигнал «вязнет» в сетчатке рыбьего или человеческого глаза, слуховые сигналы обрабатываются с минимальной задержкой; то есть слуховые рецепторы (волосковые клетки) преобразуют звук в нервное возбуждение быстрее и эффективнее. Но для рыб всё еще лучше! Вода плотнее воздуха, так что при атаке хищник не может не вызывать выраженных акустических волн, которые распространяются в воде гораздо быстрее, чем в воздухе (1500 против 340 метров в секунду). Схлопывающиеся челюсти грифовой черепахи вызывают «ударную волну», которая почти мгновенно достигает рыбы. Благодаря этому рыбе иногда удается вовремя среагировать и избежать ловушки.

Возможно, вы удивлены тем, что рыбы так хорошо слышат: у них ведь даже нет видимых ушей. На самом деле уши у рыб спрятаны в голове, но отлично функционируют, поскольку в воде звук проходит непосредственно через рыбу и его воспринимают рецепторы внутреннего уха. А ударная волна, возникающая при атаке хищника, – это самое важное (и зачастую последнее), что слышит рыба. Ударная волна механически стимулирует сенсорные клетки внутреннего уха, в результате чего нейроны возбуждаются и по сотням нервных волокон посылают сигнал тревоги в особую клетку мозга – маутнеровский нейрон, названный так в честь своего первооткрывателя. Это гигантская клетка, а как правило, чем нейрон крупнее, тем быстрее передача сигнала (об этом я подробнее расскажу в пятой главе). Как и ушей, маутнеровских нейронов у рыб два, по одному с каждой стороны7. Единственный нервный импульс от любого из этих нейронов – это сообщение первостепенной важности, реакция на которое – вопрос жизни и смерти.

Длинный «биологический провод» (аксон) маутнеровского нейрона проходит поперек хребта и далее вниз по позвоночнику на противоположную сторону тела, где возбуждение передается нервам, вызывающим мощное сокращение мышц. Это и приводит к изгибу тела в виде буквы C. Переход аксона на другую сторону тела может показаться лишним усложнением, но в этом есть смысл: стартовать рыба должна в противоположную от хищника сторону, а значит, сократиться должны мышцы на противоположной стороне.

Теперь вы понимаете, что происходит во время атаки. Звук достигает ближайшего уха, и ближайший маутнеровский нейрон возбуждается, посылая сигнал на противоположную сторону тела. Рыба изгибается и уплывает (за плавательную часть операции отвечают другие структуры).

Все вроде бы просто и ясно. Однако я не упомянул об одной сложности, которую вы, быть может, заметили. Поскольку звук проходит через все тело рыбы, его должны услышать оба уха. Звук распространяется в воде настолько быстро, что между возбуждением рецепторов с разных сторон проходит совсем мало времени. Что произойдет, если активируется второй маутнеровский нейрон? В этом случае сигнал пойдет по обоим аксонам и нейроны на стороне атаки тоже активируются, то есть мышцы туловища сократятся с обеих сторон. Рыба застынет на месте, и, в довершение всего, съедена она будет с больной спиной. Однако у этой проблемы есть решение, и оно представляет собой хороший пример того, как сеть нейронов определяет поведенческую реакцию. Эта реакция всегда зависит от двух типов сигналов: возбуждающих (активирующих нейроны) и тормозящих (не позволяющих нейронам активироваться).

3.4. Схема нейронных связей, отвечающих за реакцию бегства у рыбы. Изображены уши, пара маутнеровских нейронов и направления передачи информации. В этом примере звук, вызванный атакой хищника, поступает слева, активируя рецепторы левого уха, а затем левый маутнеровский нейрон, который передает сигнал (потенциал действия) на противоположную сторону тела, вызывая сокращение мышц и изгиб тела рыбы в сторону от угрозы. При этом тормозной нейрон посылает на другую сторону стоп-сигнал, чтобы мышцы со стороны угрозы не сокращались. Все это позволяет рыбе быстро уплыть (но не всегда)

Представьте себе двух конкурирующих за лидерство командиров: кто первым отдает приказ, тому и подчиняется войско. Это сравнение приходит на ум, поскольку каждый маутнеровский нейрон активирует еще и тормозные нейроны, которые «отменяют» команды второго маутнеровского нейрона. В результате мышцы туловища со стороны атаки «отключаются» и не могут сократиться и помешать бегству. Тормозные нейроны находятся в спинном мозге на противоположной стороне от мышц, которые они блокируют. На первый взгляд странно, но на самом деле логично: ведь сигнал они получают по пересекающему позвоночник аксону маутнеровского нейрона. Их так и называют – перекрестные тормозные нейроны, поскольку они передают сигнал обратно поперек хребта, отключая мышцы на стороне возбужденного маутнеровского нейрона.

Вот теперь вы точно понимаете, что происходит во время атаки. Хищник нападает; звук достигает ближайшего внутреннего уха и активирует соответствующий маутнеровский нейрон. Нейрон посылает сигнал на противоположную половину тела, вызывая изгиб туловища в сторону от хищника и одновременно активируя перекрестные тормозные нейроны. Эти нейроны передают сигнал обратно, блокируя сокращение мышц (расслабляя их) со стороны атаки и тем самым не допуская срыва всего мероприятия вторым маутнеровским нейроном.

Ну всё, разобрались! Хотя погодите… Вся эта система симметрична: с обеих сторон есть тормозные нейроны, активируемые маутнеровскими нейронами. Если оба маутнеровских нейрона пошлют командный сигнал на другую сторону тела, а оба набора тормозных нейронов направят сигналы обратно по телу, то мышцы рыбы с обеих сторон окажутся расслаблены. В этом случае спина у рыбы, конечно, не заболит, но и уплыть от хищника она не сможет.

Как же быть? Есть только один выход: заставить тормозные нейроны тормозить тормозные нейроны на другой стороне! Именно это, по сути, и происходит. Аксон каждого маутнеровского нейрона активирует мышцы и тормозные нейроны на противоположной стороне рыбы. Последние посылают сигнал обратно поперек хребта, чтобы затормозить не только мышцы, но и тормозные нейроны, которые иначе могли бы быть активированы другим маутнеровским нейроном. Если все это напоминает вам комедийный скетч «Кто на первой базе» Эбботта и Костелло, посмотрите на схему нейронных связей на рисунке.

Система тонко сбалансирована, и побеждает только один маутнеровский нейрон, даже если он опередил партнера на тысячную долю секунды. Таким образом, успех побега зависит не только от сокращения нужных мышц,