Геном: автобиография вида в 23 главах - Мэтт Ридли

Точно так же как мы недооцениваем собственные инстинкты, мы часто недооцениваем способность животных к обучению. Например, было установлено, что умение шмелей собирать нектар с разных видов цветковых растений основывается не на инстинкте, а на обучении методом проб и ошибок. Умело обращаясь с одним видом цветов, шмели поначалу ведут себя неуклюже на цветках иного вида. Но, разобравшись в новом растении, например львином зеве, они уже профессионально работают с другими растениями, у которых цветки построены по такому же принципу. Другими словами, шмель может не только учиться, но и обладает еще задатками абстрактного мышления.

Другой хорошо известный опыт по обучению животных был проведен на организмах с простым строением — морских червях. Более примитивных созданий трудно себе представить: тельце с веером жабр, заключенное на всю жизнь в домик-трубку. Нервная система представлена группой ганглиев. Вся жизнь посвящена питанию и размножению при отсутствии каких-либо поводов для неврозов. Такие черви не могут мигрировать, общаться друг с другом, летать или размышлять. Они просто существуют. Можно сказать, в что отличие от кукушки или шмеля у них вообще нет поведения. Зачем таким существам инстинкты, не говоря уже об обучении? И все же они обучаемы.

Если направить на червя струю воды, он прячет свои жабры в трубку. Но если струю воды направлять с некоей периодичностью, то черви начинают прятать свои жабры не так интенсивно. Даже до них доходит, что регулярно повторяемые действия не несут в себе опасности. Они «привыкают» к этому воздействию, а привычка — это вид обучения. Если несколько раз перед тем как направить струю воды на червей, воздействовать на резервуар с водой зарядом тока, черви начнут прятать жабры гораздо интенсивнее. Этот феномен называется сенсибилизацией. Можно выработать классический условный рефлекс, как в знаменитом опыте с собакой Павлова. Например, можно обучить червей прятать жабры в ответ на легкое прикосновение к поверхности воды, если пару раз сопроводить это действие разрядом тока. Теперь они станут реагировать на легкое прикосновение к поверхности воды, но будут равнодушны к обливанию струей воды. Таким образом, уже у морских червей заложены те же задатки к обучению, которые были описаны у собаки и у человека: привыкание, сенсибилизация и ассоциация, но при этом у них еще не появился мозг. Все рефлексы и их изменения в ходе обучения контролируются брюшным ганглием — маленьким скоплением нервных клеток.

У Эрика Канделя (Eric Kandel), исследователя, проводившего данный эксперимент, помимо удовольствия попугать червей, были и другие мотивы. Он хотел установить базовые механизмы обучаемости. Что представляет собой обучение? Какие изменения происходят в нервных клетках, когда мозг (или брюшной ганглий) усваивает новую привычку или меняет поведенческую реакцию? Центральная нервная система представляет собой сеть из множества нервных клеток, вдоль которых бегут нервные импульсы, передаваемые от клетки к клетке через синапсы. Достигнув синапса, электрический сигнал преобразуется в химический, чтобы в следующей клетке вновь превратиться в электрический сигнал. Так электричка бежит по железной дороге до паромной переправы. Затем вагоны перевозятся теплоходом на другой берег водоема, где движение вновь продолжается по железной дороге. Кандель понял, что секрет лежит в синапсах, объединяющих нейроны. Обучение каким-то образом связано с изменением физиолого-биохимических свойств синапсов. Когда морской червь привыкает к струям воды, происходит ослабление связи в синапсе, объединяющем сенсорный нейрон с тем нейроном, по которому поступает команда мышцам спрятать жабры в трубке. Напротив, сенсибилизация усиливает пропускную способность синапса. Постепенно Кандель с коллегами вычислили молекулу, которая следит за усилением или ослаблением пропускной способности синапса. Этой молекулой оказался циклический АМФ (циклический аденозин-монофосфат).

Канделем был обнаружен и описан каскад биохимических реакций, запускаемых циклическим АМФ. Пропустим для простоты сложные химические названия соединений, обозначим их просто A, B, C и т. д.

A превращается в B,

которое активизирует C,

открывающее канал D,

благодаря чему в клетку поступает больше E,

которое продлевает процесс высвобождения F,

которое является нейромедиатором, передающим сигнал через синапс от одного нейрона к другому.

Сообщу немножко подробностей относительно этой схемы. Вещество C присоединяется к белку CREB и активизирует его, изменив пространственную конфигурацию. Животные с поврежденным белком CREB могут усваивать новую информацию, но запоминают ее не дольше чем на несколько часов. Работа белка CREB направлена на включение ряда дополнительных генов, с помощью которых на длительное время изменяется форма и функциональность синапса. Один из генов, запускаемых белком CREB, называется CRE. Этот ген ответственен за синтез циклического АМФ. Еще несколько деталей, и я вас окончательно запутаю. Но чуточку внимания и терпения. Обещаю, что скоро ситуация прояснится[162].

Сейчас я познакомлю вас с «тупицей». Я не хочу никого обидеть, просто так (dunce) называется мутант мушки, неспособный запомнить запах, после которого следует разряд тока. Мутант обнаружили в 1970-х годах, и он был первым в серии мутантов с проблемами обучения, полученных в опытах на мушках дрозофилах с помощью облучения. Мутанты отбирались по неспособности запоминать простые последовательности событий в эксперименте. Дефектные мушки отбирались для скрещивания, в результате чего вскоре появилось много разных линий мутантных дрозофил: cabbage (капуста), amnesiac (амнезивный), rutabaga (брюква), radish (редиска) и turnip (репа). (В генетике дрозофилы в отличие от генетики человека нет жестких требований к именованию генов, поэтому ученые придумывают что хотят.) На сегодняшний день известно 17 мутаций у мушки дрозофилы, ведущих к проблемам с памятью. Воодушевленный работами Канделя, Тим Тулли (Tim Tully) из известной лаборатории Колд-Спринг-Харбор (Cold Spring Harbor Laboratory) поставил перед собой задачу разобраться в проблемах у этих мушек, делающих их слишком забывчивыми. К радости Тулли и Канделя, все обнаруженные мутации были в генах, белки которых либо участвуют в синтезе циклического АМФ, либо являются рецепторами данного медиатора[163].

Тулли прекрасно понимал, что если с помощью направленного мутагенеза ему удастся получить мутант, имеющий проблемы с обучением, то это даст ему в руки инструмент для управления обучаемостью. Повредив ген белка CREB, ученый получил мутантный вариант мух, способных к обучению, но быстро забывающих урок. Определив ключевой элемент обучаемости, Тулли вскоре получил другую мутацию, которая делала мух настолько способными, что они ухватывали суть после одного упражнения, тогда как для обычных мух урок приходилось проводить десятки раз, пока они не начинали распознавать запах, после которого следует разряд тока. Тулли говорил, что у этих мушек фотографическая память, но это свойство не делало их счастливыми. Уж очень они были зависимы от условностей, как мнительный человек, которому несколько раз попались статьи об авариях на велосипедах в солнечную погоду, в результате чего он отказался от поездок на велосипеде в светлое время суток. Мышление требует взвешенной работы двух процессов: запоминания и забывания. Со мной часто случается, что я точно помню, что уже читал этот текст или слушал передачу, но совершенно не помню, о чем пойдет речь дальше. Память как будто растворяется в прошлом: еще видны контуры, но уже не различимы детали. Неспособность забывать, это такая же болезнь памяти, как и неспособность обучаться[164].

Тулли верил, что в основе всех процессов памяти лежит белок CREB, который выполняет своеобразную роль повелителя целого сонма послушных генов. Стало ясно, что ключ к памяти лежит в генетике. Нам только показалось, что мы вышли из-под тирании генов, получив способность учиться, вместо того чтобы слепо следовать врожденным инстинктам, как тут же оказалось, что в основе обучения опять таки лежат гены, благодаря которым обучение стало возможным.

Вряд ли вас удивит тот факт, что белок CREB не является специфичным для червей и мух. Почти такой же ген есть у мышей, и уже получены мутантные мыши с дефектным геном CREB. Как и предполагалось, они оказались неспособными к запоминанию простейших вещей, например, где находится платформа для выхода из водного бассейна, — один из классических тестов проверки обучаемости у мышей. Они также не могли запомнить, какая еда безопасна, а какая содержит токсин. Любую мышь можно временно сделать забывчивой, если впрыснуть ей в мозг антисмысловую последовательность ДНК, временно блокирующую ген CREB. Сверхпамять и плохая забываемость соответствуют состоянию гиперактивации гена CREB[165].