Зачем собаке пятая нога

Чтобы скрыть позор своей жены Пасифаи, вступившей в противоестественную связь с морским быком, и скрыть от посторонних взоров родившегося в результате этой связи Минотавра – чудовищного человека с головой быка, критский царь Минос приказал искусному строителю Дедалу построить дворец. Критский дворец – Лабиринт оказался величайшим творением Дедала. Он был таким большим, имел столько залов, комнат, лестниц, переходов и закоулков, что попавший туда человек не мог найти дорогу назад.

Раз в девять лет Афины должны были отправлять на съедение Минотавру 7 юношей, не знавших брака, и 7 девушек. Когда за данью прибыли в третий раз и горожане бросили жребий, чьим детям стать жертвой, Тесей, сын афинского царя Эгея, вызвался добровольно отправиться к Миносу. На Крите он проник во дворец и убил Минотавра. Тесей оказался единственным из смертных, кому повезло выбраться живым из Лабиринта.

Бродить бы и по сей день Тесею в Лабиринте, не влюбись в него дочь Миноса Ариадна. Она-то и дала герою моток ниток. Отправляясь на поиски Минотавра, Тесей прикрепил конец нити у входа и разматывал клубок, петляя по переходам дворца. Интересно, что влюбленной царевне не самой пришла в голову эта счастливая мысль. Клубок ниток дал ей Дедал. Даже сам создатель Лабиринта не смог снабдить Тесея планом дворца. Если так сложно оказалось творение рук человеческих, то сколь сложнее должен быть мозг, над которым природа колдовала сотни миллионов лет?

Изучение наследственного аппарата клетки – одно из величайших достижений XX столетия. Биохимики не только сумели расшифровать генетический код, но даже разобрались, как считываются приказы о синтезе отдельных ферментов. Зато пока совершенно неясно, как передаются команды о том, чтобы клетки выстраивались в определенном порядке, формируя органы. Как передается инструкция о том, что голове полагается расти спереди, а хвосту сзади, что конечностей должно быть 4, а пальцев 20. Всего этого мы касаться не будем.

Попробуем разобраться только, как нервные клетки выбирают себе род занятия. Как их отростки умудряются находить именно те области мозга, куда им полагается направлять информацию, и вступают в контакт как раз с теми клетками, которым предстоит обрабатывать полученную информацию. Задача, казалось бы, невыполнимая. Каждому известно, как легко сбиться с пути даже в знакомом лесу, точно зная, куда ты шел. А нервные отростки, блуждая в хаосе нервной ткани, должны не только найти дорогу, но и определить цель своих исканий.

Все родственные животные имеют сходное строение тела, в том числе мозга. Хорошо ли они сконструированы? Вопрос трудный, но не безнадежный. Например, нужна ли собаке пятая нога и как она будет использоваться, коли пес обзаведется подобным вспомогательным средством передвижения. Сейчас на этот вопрос может быть дан ответ с достаточно высокой степенью вероятности.

В последнее десятилетие эксперименты с пятой конечностью весьма популярны. Очень трудно проследить, как в процессе развития эмбриона находят друг друга внутри мозга отростки двух определенных нейронов, нередко расположенных весьма далеко друг от друга. Как пробирается нервное волокно на периферию, разыскивая орган, который предстоит подчинить. Проще это выяснить в эксперименте, если животному хирургическим путем пересадить дополнительный орган. Так можно убить сразу двух зайцев: узнать, как организм иннервирует орган-пришелец и какую функцию тот будет выполнять на новом месте.

У рыб и амфибий хирургические реконструкции идут удивительно просто, особенно в раннем детстве. Тритону можно пересадить дополнительную, пятую конечность, второй хвост, третий глаз, еще одно сердце. У таких химер пересаженные органы продолжают функционировать и на новом месте, сначала в соответствии с химическими приказами хозяина (приносимыми кровью), когда в них проникнут нервы, будут выполняться и их команды.

Пятая конечность, если ее пересадить вблизи соответствующей лапы хозяина, движется одновременно с ней. Правда, сила и амплитуда сокращений ее мышц чуть ниже, чем остальных лап. Она запаздывает на несколько сотых долей секунды, и не все 40 мышц приживленной конечности работают достаточно энергично. Мы можем спокойно пренебречь этими мелочами. Покадренно сравнивая движение одноименных конечностей, снятых на кинопленку, не удается обнаружить никакой разницы. Восьмилапая химера тигровой саламандры, у которой была дублирована каждая из четырех конечностей, работала каждой парой как одной лапой, плавало ли животное в воде или двигалось по суше.

Не ищите в этом явлении скрытой целесообразности. Нетрудно убедиться, что ее нет, стоит лишь подшить к любой из четырех конечностей лапу, взятую с противоположной стороны тела. Впервые такую операцию сделали по ошибке, и ее результаты немало удивили экспериментаторов. Левая передняя конечность одного тритона была пересажена рядом с правой передней конечностью другого. На этом месте она выглядела достаточно нелепо. Во-первых, локтями и кистями лапы были направлены в разные стороны. Во-вторых, ладонь пересаженной лапы оказалась вывернута наружу.

У таких восьмилапых тритонов мышцы каждой пары конечностей работали синхронно, сгибая одни и те же суставы, но создаваемая ими движущая сила была направлена в противоположные стороны. Сколько урод ни барахтался, он не мог сдвинуться с мертвой точки. Если же собственные конечности удалить, парадоксальная деятельность пересаженных лап заставит саламандру пятиться назад. Вот вам и целесообразность! Значит, не в ней дело.

В лабиринте

Пятилапые химеры вызвали в научных кругах волну споров. Никто не знал, откуда брались нервы, проникавшие в дополнительную конечность. От предположения, что увеличивается число нервных клеток спинного мозга, пришлось отказаться. Тщательные подсчеты показали, что количество двигательных волокон, посылаемых спинным мозгом, всегда одинаково. И в пересаженной лапе оно было поразительно близко к нормальному. Оставалось допустить единственную возможность – ветвление нервных волокон. У мексиканской амбистомы переднюю конечность иннервирует 900 волокон. Каждое из них должно дать веточку, чтобы пересаженная лапка получила свои 900 волокон.

До какого же предела способны куститься нервные волокна? Не очень густо. Связка из четырех конечностей, пересаженных вместе, не способна полноценно функционировать. Хорошую иннервацию могут получить максимум две дополнительные конечности, приживленные рядом.

Далеко не каждое нервное волокно, а следовательно, не всякая нервная клетка, его пославшая, способны обеспечить нормальную функцию нового органа. Необходимо, чтобы он получил нервы от тех же сегментов спинного мозга, которые обычно руководят работой таких органов. У лягушки в переднюю лапку попадают нервы от третьего, четвертого и пятого сегментов спинного мозга. Если дополнительная лапка подшита так, что до нее дотянется нерв хотя бы от одного сегмента, все будет в порядке.

Большие споры вызвал вопрос о том, каким образом мозг получает возможность управлять новой конечностью. Научный мир раскололся на два непримиримых лагеря. Одна половина ученых считала, что врастающие нервные волокна каким-то образом узнают мышцы, которыми им следует управлять, и уверенно прокладывают к ним дорогу. Другая половина – что нервные волокна врастают в конечность как попало, без всякого плана распределяясь по мышцам. Дальше мнения расходились. Первые считали, что мышцы каким-то образом вразумляют пришедшие к ним волокна и пославшую их клетку, как ей необходимо поступать, чтобы организовать координированные движения. Вторые – что каждая мышца получает полную копию всех двигательных приказов мозга и сама выбирает из них те, которые непосредственно ее касаются. Наконец, третьи полагали, что, как только нервное волокно доберется до мышцы и пославшая его клетка узнает, куда попал ее отросток, она тотчас начинает подбирать информацию, нужную данной мышце.

Правы оказались первые. Речь идет о выборе, но выбор взаимный. Мышца выбирает нерв, а нерв – мышцу. Когда в лишенную нерва мышцу вшивали концы «своего» и «чужого» нервов, она из «смеси» выбирала «свой». В контрольных опытах подводился только один чужак. Он отлично врастал в мышцу. Однако, если вслед за тем прорастал «свой» нерв, «чужак» изгонялся. Нерв тоже ведет себя активно. Мышцы животных делятся на быстрые и медленные. У новорожденных все медленные. Затем те из них, к которым подошли быстрые нервы, постепенно становятся быстрыми. Если в более позднем возрасте к быстрым мышцам подшить медленные нервные волокна, они станут медленными, и наоборот.

Нервные волокна всего лишь руки, провода нервной клетки. А как она? Универсальна ли? Может ли выполнять любую функцию? Скальпель хирурга иссекает плечевые сегменты спинного мозга (управляющие передними конечностями) и на их место пересаживает другие. Если пересаженные клетки раньше не руководили конечностями, то просто не берутся за это дело и мышцы остаются бездвижными. Нейроны, ранее управлявшие задними конечностями, заставят мышцы двигаться, но квалифицированно руководить передними лапами не смогут. Нервные клетки у взрослых животных не универсальны.

Подсаживая тритонам дополнительную конечность, ученые полагали, что новые нервы будут выбирать самый легкий путь, врастать вдоль отмерших нервных стволиков, как потоки воды от пронесшегося ливня заполняют русла высохших от жары ручьев. Эксперименты показали, что готовые русла врастающим нервам не нужны. Можно создать такие условия, когда у животного от рождения одна из конечностей не будет иметь нервов, а значит, и готовых русел. Врастая в такую лапу, нерв все равно проходит своим стандартным путем. Он не ищет легкой дороги и поэтому не всегда идет вдоль сосудов, где путь относительно свободен, а часто пробирается сквозь мышцу или хрящ. Создается впечатление, что нерв умеет находить вполне определенную дорогу. В незнакомой местности он правильного пути не сыщет. Если переднюю конечность пересадить на место задней, нерв, врастая в нее, заблудится. Здесь для него все незнакомо.

Как удается нервному волокну найти дорогу? Каждый сегмент спинного мозга, посылающий к мышцам нервные волокна, содержит у шпорцевой лягушки 5–6 тысяч нервных клеток. Кроме того, за 60 дней развития успевает появиться много новых клеток, сверх первоначального количества. Однако к моменту метаморфоза их остается немногим больше тысячи, так что в каждом сегменте гибнет до 10 тысяч нервных клеток, 9 на каждый оставшийся нейрон. Зачем организму такие непроизводительные расходы? Видимо, гибнут все нервные клетки, чьи отростки не сумели найти необходимой мышцы, а новые нейроны, возникая, посылают на поиски свои отростки до тех пор, пока мышцы не окажутся полностью иннервированными.

Так же ведут себя чувствительные нервы.

У лягушки осторожно вырезали кусочек кожи с левой стороны спины, стараясь не повредить идущие к нему чувствительные нервы, и пересаживали на правую. Когда рана зарубцовывалась, прикосновение к пересаженному кусочку вызывало реакцию, будто он все еще находился на своем законном месте. Если переменить чувствительные нервы передних лапок (правый пустить в левую лапку, а левый – в правую), то на щипок лягушка станет отдергивать лапу, до которой и не дотрагивались. Правильно реагировать она никогда уже больше не сможет.

Иначе ведут себя лягушки, когда, пересаживая кусочек кожи со спины на живот, полностью перерезают чувствительные нервы. Чуть только ранка подживет, прикосновение к пересаженному участку вызывает вполне правильную реакцию. Лягушонок тянется к тому месту, до которого дотрагивается экспериментатор. Однако через пару дней, если ущипнуть центр пересаженного лоскута, лягушонок начинает путаться. С каждым днем кожная зона, дающая неправильные реакции, увеличивается, пока не захватит весь лоскут. Теперь при прикосновении к кусочку кожи, пересаженному на брюхо, лягушонок трет себе спину.

Создавалось впечатление, что вросшие в пересаженный лоскуток чувствительные нервы постепенно разобрались, что им подсунули кусочек кожи со спины, и стали посылать свою информацию в соответствующие отделы нервной системы. А так как у лягушек не полагается, чтобы кожа спины находилась на животе, центральным аппаратам было невдомек, что к получаемой информации следует относиться осторожно.

Можно предложить и другое объяснение. Сначала в пересаженный лоскут врастали кожно-брюшные нервы, которыми полагалось иннервировать данный район. Коже, взятой со спины, ничего не оставалось, как принять чужеродные нервные веточки. Позже, когда спинные кожные нервы наконец «нашли» заблудший кусок кожи (путь со спины на живот немалый), чуждые нервы были отвергнуты и постепенно отмерли. Аналогичные результаты дают опыты со зрением. Глаз жабы можно повернуть на 90 или 180 градусов, не повредив зрительного нерва. Зрение как таковое при этом не нарушится. Животное сможет видеть все так же отчетливо, как до операции, только будет путать положение замеченных предметов. Повернутый глаз, увидев слева червяка, передает информацию нервным клеткам правого зрительного поля, и червяк будет воспринят справа. Пользоваться такими глазами невозможно. Ловить насекомых лягушка не способна и обречена на голодную смерть. Она никогда не выучится правильно видеть мир.

Как ни странно, перерезка зрительного нерва не делает жабу инвалидом. Как только завершится регенерация, зрительная функция восстановится. Лягушка правильно локализует в пространстве увиденные ею предметы, различает их форму и цвет. Каким же образом происходит такое полное восстановление? Можно сделать только один вывод: все врастающие в мозг 500 тысяч волокон зрительного нерва сумели добраться до зрительного центра и разыскать в одном из девяти его слоев те клетки, с которыми они были в контакте до перерезки нерва. Иначе лягушка осталась бы слепой.

Как находят нервные волокна те клетки, с которыми должны соединиться, неизвестно. Предполагают, что между ними существует химическое родство. Волокна умеют разыскать нужную клетку, даже когда врастают в мозг в совершенно ином, необычном месте. Восстановление бывает столь полным, что после операции сохраняются все условные рефлексы.

Химическое сродство как причина связей, возникающих между нервными клетками, признается большинством ученых. Но и эта теория не объясняет результаты многих экспериментов. Почему, например, волокна зрительного нерва от правого глаза врастают в левую половину мозга, а от левого – в правую? Неужели существует химическая асимметрия правой и левой половин головного мозга? К сожалению, вопросов, как и в других областях науки, пока неизмеримо больше, чем готовых ответов.

Посредник