Навіщо собаці п’ята нога
Щоб приховати ганьбу своєї дружини Пасіфаї, що вступила в протиприродний зв'язок з морським биком, і приховати від сторонніх поглядів Мінотавра, яка народилася в результаті цього зв'язку, - жахливу людину з головою бика, критський цар Мінос наказав майстерному будівельнику Дедалу побудувати палац. Критський палац - Лабіринт виявився найбільшим витвором Дедала. Він був таким великим, мав стільки залів, кімнат, сходів, переходів і закутків, що людина, яка потрапила туди, не могла знайти дорогу назад.
Раз на дев'ять років Афіни мали відправляти на поживу Мінотавру 7 юнаків, які не знали шлюбу, та 7 дівчат. Коли за даниною прибули втретє і городяни кинули жереб, чиїм дітям стати жертвою, Тесей, син афінського царя Егея, зголосився добровільно вирушити до Міноса. На Криті він проникнув у палац і вбив Мінотавра. Тесей виявився єдиним із смертних, кому пощастило вибратися живим із Лабіринту.
Бродити б і донині Тесею в Лабіринті, якби не закохалася в нього дочка Міноса Аріадна. Вона й дала герою моток ниток. Вирушаючи на пошуки Мінотавра, Тесей прикріпив кінець нитки біля входу і розмотував клубок, петляючи переходами палацу. Цікаво, що закоханій царівні не самій спала на думку ця щаслива думка. Клубок ниток дав їй Дедал. Навіть сам автор Лабіринту не зміг забезпечити Тесея планом палацу. Якщо так складно виявилося творіння рук людських, то як складнішим повинен бути мозок, над яким природа чаклувала сотні мільйонів років?
Вивчення спадкового апарату клітини - одне з найбільших досягнень XX століття. Біохіміки не тільки зуміли розшифрувати генетичний код, але й розібралися, як зчитуються накази про синтез окремих ферментів. Зате поки що зовсім неясно, як передаються команди про те, щоб клітини вишиковувалися в певному порядку,формуючи органи. Як передається інструкція про те, що голові потрібно рости спереду, а хвосту ззаду, що кінцівок має бути 4, а пальців 20. Усього цього ми торкатися не будемо.
Спробуємо розібратися лише, як нервові клітини обирають собі рід заняття. Як їхні відростки примудряються знаходити саме ті області мозку, куди їм потрібно направляти інформацію, і вступають у контакт саме з тими клітинами, які мають обробляти отриману інформацію. Завдання, здавалося б, нездійсненне. Кожному відомо, як легко збитися зі шляху навіть у знайомому лісі, точно знаючи, куди ти йшов. А нервові відростки, блукаючи в хаосі нервової тканини, мають не тільки знайти дорогу, а й визначити мету своїх пошуків.
Усі родинні тварини мають подібну будову тіла, зокрема мозку. Чи добре вони сконструйовані? Питання важке, але не безнадійне. Наприклад, чи потрібна собаці п'ята нога і як вона використовуватиметься, коли пес матиме подібний допоміжний засіб пересування. Зараз це питання може бути дана відповідь із досить високим ступенем ймовірності.
В останні десятиліття експерименти з п'ятою кінцівкою дуже популярні. Дуже важко простежити, як у процесі розвитку ембріона знаходять один одного всередині мозку відростки двох певних нейронів, нерідко розташованих далеко один від одного. Як пробирається нервове волокно на периферію, розшукуючи орган, який належить підпорядкувати. Найпростіше це з'ясувати в експерименті, якщо тварині хірургічним шляхом пересадити додатковий орган. Так можна вбити відразу двох зайців: дізнатися, як організм іннервує орган-прибулець і яку функцію той виконуватиме на новому місці.
У риб та амфібій хірургічні реконструкції йдуть напрочуд просто, особливо в ранньому дитинстві. Тритону можнапересадити додаткову п'яту кінцівку, другий хвіст, третє око, ще одне серце. У таких химер пересаджені органи продовжують функціонувати і на новому місці, спочатку відповідно до хімічних наказів господаря (приносяться кров'ю), коли в них проникнуть нерви, виконуватимуться і їхні команди.
П'ята кінцівка, якщо пересадити її поблизу відповідної лапи господаря, рухається одночасно з нею. Щоправда, сила та амплітуда скорочень її м'язів трохи нижча, ніж решти лап. Вона запізнюється на кілька сотих часток секунди, і не всі 40 м'язів приживленої кінцівки працюють досить енергійно. Ми можемо спокійно знехтувати цими дрібницями. Покадренно порівнюючи рух однойменних кінцівок, знятих на кіноплівку, не вдається виявити жодної різниці. Восьмилапа химера тигрової саламандри, у якої була дубльована кожна з чотирьох кінцівок, працювала кожною парою як однією лапою, плавала тварина у воді чи рухалася суходолом.
Не шукайте у цьому явищі прихованої доцільності. Неважко переконатися, що її немає, варто лише підшити до будь-якої з чотирьох кінцівок лапу, взяту з протилежного боку тіла. Вперше таку операцію зробили помилково, і її результати чимало здивували експериментаторів. Ліва передня кінцівка одного тритону була пересаджена поруч із правою передньою кінцівкою іншого. На цьому місці вона виглядала досить безглуздо. По-перше, ліктями та кистями лапи були спрямовані в різні боки. По-друге, долоня пересадженої лапи вивернулася назовні.
У таких восьмилапих тритонів м'язи кожної пари кінцівок працювали синхронно, згинаючи ті самі суглоби, але створювана ними рушійна сила була спрямована в протилежні сторони. Скільки виродок ні борсався, він не міг зрушити з мертвої точки. Якщо ж власнікінцівки видалити, парадоксальна діяльність пересаджених лап змусить саламандру задкувати назад. Ось вам і доцільність! Значить, не в ній справа.
У лабіринті
П'ятилапі химери викликали у наукових колах хвилю суперечок. Ніхто не знав, звідки бралися нерви, що проникали на додаткову кінцівку. Від припущення, що зростає кількість нервових клітин спинного мозку, довелося відмовитися. Ретельні підрахунки показали, що кількість рухових волокон, що посилаються спинним мозком, завжди однакова. І в пересадженій лапі воно було вражаюче близько до нормального. Залишалося допустити єдину можливість - розгалуження нервових волокон. У мексиканської амбістоми передню кінцівку іннервує 900 волокон. Кожна з них має дати гілочку, щоб пересаджена лапка отримала свої 900 волокон.
До якої межі здатні кущитися нервові волокна? Не дуже густо. Зв'язування з чотирьох кінцівок, пересаджених разом, не здатне повноцінно функціонувати. Хорошу іннервацію можуть отримати максимум дві додаткові кінцівки, що приживлені поруч.
Далеко не кожне нервове волокно, а отже, не всяка нервова клітина, що його надіслала, здатні забезпечити нормальну функцію нового органу. Необхідно, щоб він отримав нерви від тих самих сегментів спинного мозку, які зазвичай керують роботою таких органів. У жаби у передню лапку потрапляють нерви від третього, четвертого та п'ятого сегментів спинного мозку. Якщо додаткова лапка підшита так, що до неї дістанеться нерв хоча б від одного сегмента, все буде гаразд.
Великі суперечки викликало питання, яким чином мозок отримує можливість керувати новою кінцівкою. Науковий світ розколовся на два непримиренних табори. Одна половина вчених вважала, що вростають нервовіволокна якимось чином дізнаються м'язи, якими ним слід керувати, та впевнено прокладають до них дорогу. Інша половина – що нервові волокна вростають у кінцівку абияк, без жодного плану розподіляючись по м'язах. Далі думки розходилися. Перші вважали, що м'язи якимось чином навчили волокна, що прийшли до них, і клітину, що послала їх, як їй необхідно вчиняти, щоб організувати координовані рухи. Другі - що кожен м'яз отримує повну копію всіх рухових наказів мозку і сам вибирає з них ті, які безпосередньо її стосуються. Нарешті, треті вважали, що, як тільки нервове волокно добереться до м'яза і клітина, що його послала, дізнається, куди потрапив її відросток, вона відразу починає підбирати інформацію, потрібну даному м'язу.
Мають рацію перші. Йдеться про вибір, але вибір взаємний. М'яз вибирає нерв, а нерв – м'яз. Коли в позбавлений нерва м'яз вшивали кінці "свого" і "чужого" нервів, вона з "суміші" вибирала "свій". У контрольних дослідах підводився лише один чужинець. Він чудово вростав у м'яз. Однак, якщо потім проростав «свій» нерв, «чужинець» виганявся. Нерв теж поводиться активно. М'язи тварин діляться на швидкі та повільні. У новонароджених усі повільні. Потім ті, до яких підійшли швидкі нерви, поступово стають швидкими. Якщо в пізнішому віці до швидких м'язів підшити повільні нервові волокна, вони стануть повільними і навпаки.
Нервові волокна лише руки, проводи нервової клітини. Як вона? Чи універсальна? Чи може виконувати будь-яку функцію? Скальпель хірурга висікає плечові сегменти спинного мозку (керуючі передніми кінцівками) і їхнє місце пересаджує інші. Якщо пересаджені клітини раніше не керували кінцівками, то просто не беруться за цю справу та м'язи залишаютьсянерухомими. Нейрони, які раніше керували задніми кінцівками, змусять м'язи рухатися, але кваліфіковано керувати передніми лапами не зможуть. Нервові клітини у дорослих тварин не є універсальними.
Підсаджуючи тритонам додаткову кінцівку, вчені вважали, що нові нерви будуть вибирати найлегший шлях, вростати вздовж відмерлих нервових стволиків, як потоки води від зливи, що пронеслася, заповнюють русла висохлих від спеки струмків. Експерименти показали, що готові русла нервам, що вростають, не потрібні. Можна створити такі умови, коли у тварини від народження одна з кінцівок не матиме нервів, а отже, і готових русел. Вростаючи в таку лапу нерв все одно проходить своїм стандартним шляхом. Він не шукає легкої дороги і тому не завжди йде вздовж судин, де дорога відносно вільна, а часто пробирається крізь м'яз або хрящ. Складається враження, що нерв вміє знаходити цілком певну дорогу. У незнайомій місцевості він правильного шляху не знайде. Якщо передню кінцівку пересадити на задню місце, нерв, вростаючи в неї, заблукає. Тут йому все незнайомо.
Як вдається нервовому волокну знайти дорогу? Кожен сегмент спинного мозку, що посилає до м'язів нервові волокна, містить у шпорцевій жаби 5-6 тисяч нервових клітин. Крім того, за 60 днів розвитку встигає з'явитися багато нових клітин, понад початкову кількість. Однак до моменту метаморфозу їх залишається трохи більше тисячі, так що в кожному сегменті гине до 10 тисяч нервових клітин, 9 на кожен нейрон, що залишився. Навіщо організму такі непродуктивні витрати? Мабуть, гинуть усі нервові клітини, чиї відростки не зуміли знайти необхідного м'яза, а нові нейрони, виникаючи, посилають на пошуки свої відростки доти, доки м'язи не виявляться повністю іннервованими.
Такж поводяться чутливі нерви.
У жаби обережно вирізали шматочок шкіри з лівого боку спини, намагаючись не пошкодити чутливі нерви, що йдуть до нього, і пересаджували на праву. Коли рана зарубцювалася, дотик до пересадженого шматочка викликав реакцію, ніби він усе ще був на своєму законному місці. Якщо змінити чутливі нерви передніх лапок (правий пустити в ліву лапку, а лівий – у праву), то на щипок жаба стане відсмикувати лапу, до якої і не торкалися. Правильно реагувати вона вже ніколи не зможе.
Інакше поводяться жаби, коли, пересаджуючи шматочок шкіри зі спини на живіт, повністю перерізають чутливі нерви. Щойно ранка підживе, дотик до пересадженої ділянки викликає цілком правильну реакцію. Жабеня тягнеться до того місця, до якого торкається експериментатор. Однак через пару днів, якщо ущипнути центр пересадженого клаптя, жабеня починає плутатися. З кожним днем шкірна зона, що дає неправильні реакції, збільшується, поки не захопить весь клапоть. Тепер при дотику до шматочка шкіри, пересадженого на черево, жабеня тре собі спину.
Складалося враження, що чутливі нерви, що вросли в пересаджений шматок, поступово розібралися, що їм підсунули шматочок шкіри зі спини, і почали посилати свою інформацію до відповідних відділів нервової системи. А оскільки у жаб не потрібно, щоб шкіра спини знаходилася на животі, центральним апаратам було невтямки, що до інформації, що отримується, слід ставитися обережно.
Можна запропонувати інше пояснення. Спочатку в пересаджений клапоть вростали шкірно-черевні нерви, якими потрібно іннервувати цей район. Шкірі, взятій зі спини, нічого не залишалося, як прийняти чужорідні нервові гілочки.Пізніше, коли спинні шкірні нерви нарешті «знайшли» заблукалий шматок шкіри (шлях зі спини на живіт чималий), чужі нерви були відкинуті і поступово відмерли. Аналогічні результати дають досліди із зором. Око жаби можна повернути на 90 або 180 градусів, не пошкодивши зорового нерва. Зір як такий у своїй не порушиться. Тварина зможе бачити так само чітко, як до операції, тільки плутатиме положення помічених предметів. Повернене око, побачивши зліва черв'яка, передає інформацію нервовим клітинам правого зорового поля, і черв'як буде сприйнятий праворуч. Користуватися такими очима неможливо. Ловити комах жаба не здатна і приречена на голодну смерть. Вона ніколи не навчиться правильно бачити світ.
Як не дивно, перерізування зорового нерва не робить жабу інвалідом. Як тільки завершиться регенерація, зорова функція відновиться. Жаба правильно локалізує у просторі побачені нею предмети, розрізняє їх форму та колір. Яким чином відбувається таке повне відновлення? Можна зробити тільки один висновок: всі 500 тисяч волокон зорового нерва, що вростають у мозок, зуміли дістатися до зорового центру і розшукати в одному з дев'яти його шарів ті клітини, з якими вони були в контакті до перерізання нерва. Інакше жаба залишилася б сліпою.
Як знаходять нервові волокна ті клітини, із якими мають з'єднатися, невідомо. Припускають, що між ними існує хімічна спорідненість. Волокна вміють розшукати потрібну клітину, навіть коли вростають у мозок у зовсім іншому, незвичайному місці. Відновлення буває настільки повним, що після операції зберігаються всі умовні рефлекси.
Хімічна спорідненість як причина зв'язків, що виникають між нервовими клітинами, визнається більшістю вчених. Але ця теорія не пояснює результати багатьохекспериментів. Чому, наприклад, волокна зорового нерва від правого ока вростають у ліву половину мозку, а від лівого – у праву? Невже існує хімічна асиметрія правої та лівої половин головного мозку? На жаль, питань, як і в інших галузях науки, поки що незмірно більше, ніж готових відповідей.