Биомеханические реакции, а вовсе не нейроны контролируют движения одного из самых примитивных животных на Земле. Это открытие даёт представление о том, как «работало» поведение животных до появления нейронов.
Чрезвычайно простое животное Trichoplax adhaerens двигается и реагирует на окружающую среду с ловкостью и видимой целеустремленностью. Однако у этого существа нет нейронов или мышц, которые координировали бы его движения. Новая работа учёных показывает, что биомеханических взаимодействий между ресничками животного достаточно, чтобы объяснить, как оно движется.
Биофизик Ману Пракаш (Manu Prakash) отчётливо помнит момент, как однажды лет десять назад поздней ночью в лаборатории коллеги он взглянул в микроскоп и обрел своё новое увлечение. Животное под микроскопом ничего особенного собой не представляло, оно больше всего походило на амебу: сплющенный сгусток клеток, лишь 20 микрон в толщину и несколько в ширину, без головы и без хвоста. Животное двигалось на тысячах ресничек, которые покрывали нижнюю поверхность его тела, формируя «липкую волосяную пластинку». Это послужило основанием для выбора латинского имени существа — Trichoplax adhaerens.
Это странное морское существо, которое относится к пластинчатым, практически занимает отдельную ветвь на эволюционном дереве, а ещё его геном — самый маленький из известных науке в животном царстве. Но больше всего Пракаша заворожили выверенная грация, ловкость и точность, с которой двигались тысячи или миллионы клеток Trichoplax.
Обычно для такой координации требуются нейроны и мышцы — но у Trichoplax adhaerens их нет.
Позже Пракаш в сотрудничестве с Мэтью Стормом Булем (Matthew Storm Bull), который на тот момент был студентом Стэнфорда, сделал это странное существо звездой амбициозного проекта, направленного на изучение того, как нейромышечные системы могли эволюционировать и как ранние многоклеточные могли передвигаться, находить еду и размножаться до того, как появились нейроны.
«Я часто в шутку называю это нейронаукой без нейронов», — говорит Пракаш.
В трёх препринтах общим объёмом более 100 страниц, одновременно опубликованных в прошлом году, он и Буль показали, что поведение Trichoplax может быть полностью описано на языке физики и динамических систем. Механические реакции, которые начались на уровне одной реснички, затем распространились на миллионы клеток, а потом и на более высокие структурные уровни, полностью объясняют скоординированные движения всего животного. Организм не выбирает, что делать. Вместо этого множество отдельных ресничек просто двигаются — и в результате животное действует так, словно им руководит нервная система. Исследователи даже показали, что движения ресничек обладают свойствами, которые обычно считаются отличительным признаком нейронов.
Исследование не только показывает, как простые механические взаимодействия могут создавать невероятную сложность, но и рассказывает интригующую историю о том, что могло предшествовать эволюции нейронов. «Это проявление силы биофизики», — говорит Орит Пелег (Orit Peleg) из Колорадского университета в Боулдере (Орит в исследованиях участия не принимала). Результаты работ Пракаша и Буля уже вдохновляют других специалистов на создание механических машин и роботов. Возможно, благодаря этим результатам даже появится новый взгляд на роль нервной системы в поведении животных.
Граница между простым и сложным
Важность мозгов переоценивают. По словам Булла, «мозг — это то, что работает только в очень специфическом контексте своего тела». В мягкой робототехнике и исследованиях подвижного программируемого вещества, как выяснили исследователи, правильной механической динамики может быть достаточно для выполнения сложных задач. И никакого централизированного контроля не требуется. В самом деле: даже отдельные клетки могут вести себя удивительным образом. А ещё клетки могут самостоятельно объединяться в коллективные системы (например, слизевики и синтетические ксеноботы) и тем самым достигать большего. И всё это — без помощи нейронов или мышц.
Но возможно ли то же самое в масштабах целого многоклеточного животного?
Trichoplax стал прекрасным объектом для изучения данного вопроса. Этот организм достаточно прост для детального исследования, но в то же время достаточно сложен, и эта сложность даёт учёным нечто новое. По словам Пракаша, наблюдая за Trichoplax, «вы видите лишь танец». В то же время, считает учёный, в этих организмах скрыта невероятная сложность. Trichoplax вращается и передвигается по поверхностям. Он прижимается к водорослям, чтобы захватить их и съесть. Он размножается бесполым путём, разделяясь пополам.
По словам Кирсти Ван (Kirsty Wan), исследовательницы из Эксетерского университета в Англии (The University of Exeter), изучающей ресничное движение, Trichoplax занимают «приятное промежуточное положение между чем-то действительно сложным, например, позвоночными, и чем-то, что только становится сложным, например, одноклеточными эукариотами».
Золотая середина между одноклеточными и животными с мышцами и нервной системой показалась Пракашу и Булю идеальной точкой для проверки мучающих их вопросов. Пракаш заявляет, что для него этот «организм — идея, площадка для проверки гипотез и начало потенциального осмысления».
Сначала Пракаш соорудил новые микроскопы, которые могут изучать Trichoplax снизу и сбоку, а ещё обнаружил, как отслеживать высокоскоростное движение ресничек организма. (Это не совершенно новая территория для Пракаша — ранее он получил известность благодаря разработке легкособираемого микроскопа Foldscope, стоимость которого в сборке менее одного доллара.) Таким образом исследователь смог рассматривать и отслеживать миллионы крошечных ресничек. Если смотреть в микроскоп, каждая ресничка появляется в линзе на долю секунды. По словам Пракаша, «вы просто видите следы, когда реснички опускаются на поверхность».
Он — а позже и Буль, который начал работать в его лаборатории 6 лет назад — потратили часы, наблюдая за тем, какие упорядоченные узоры составляются из этих крошечных следов. Учёные знали: чтобы эти узоры были возможны, между ресничками должна существовать связь «на дальнем расстоянии». Но Буль и Пракаш не знали, как именно взаимодействуют реснички.
Итак, учёные начали складывать детали — от меньшего к большему. А в прошлом году Пракаш и Буль решили, что им уже есть, чем поделиться с миром.
Движение на автопилоте
Сначала Пракаш и Буль ожидали, что реснички будут скользить по поверхностям (животное и субстрат разделяет тонкий слой жидкости). Если уж на то пошло, реснички обычно рассматривают в контексте жидкой среды: реснички перемещают бактерии и другие микроорганизмы через воду, а ещё передвигают слизь или спинномозговую жидкость в организме. Однако затем исследователи заглянули в микроскопы и выяснили: реснички не плавают, а… ходят.
Кирсти Ван замечает, что, хотя было известно о некоторых животных, использующих реснички, чтобы ползать, «такого вида координацию никогда не обнаруживали в таком масштабе». «Вместо того чтобы задействовать реснички для движения в жидкости, тут речь идёт о трении, адгезии и всех возможных видах интересной твёрдой механики», — резюмирует исследовательница.
Итак, Пракаш, Буль и аспирантка из Стэнфорда Лорел Кру (Laurel Kroo), специализирующаяся на машиностроении, решили дать характеристику походке ресничек. Учёные проследили за тем, как движется кончик каждой отдельной реснички на протяжении некоторого времени. Они наблюдали, как ресничка «чертит» круги и отталкивается от поверхностей. В итоге Пракаш, Буль и Кру выделили три типа взаимодействий. Первый тип —скольжение: тут реснички едва касаются поверхности. Второй — походка, когда перед тем, как отскочить от поверхности, реснички ненадолго к ней «прилипают». Третий тип — «увязание», когда реснички застревают на поверхности.
В таких типах взаимодействий ходьба возникала естественным образом в результате взаимодействия между внутренними движущими силами ресничек и энергией их прилипания к поверхности. Правильный баланс между этими двумя параметрами (рассчитанный на основе экспериментальных измерений расположения ресничек, высоты подъёма и частоты их биения) приводил к регулярному движению, когда каждая ресничка прилипала, а затем поднималась, словно нога. Неправильный баланс двух параметров становился причиной скольжения или замирания.
«Когда происходит что-то подобное, мы думаем, что есть внутренний сигнал, напоминающий часы, который говорит: «Окей, идти, а сейчас остановиться, сейчас идти, сейчас остановиться, — говорит Саймон Спонберг (Simon Sponberg), биофизик из Технологического института Джорджии (Georgia Tech). — Но ситуация тут иная. Реснички никто не контролирует. Нет никакого центрального органа, который бы говорил: «Вперёд, вперёд, вперёд». Речь идёт о механических взаимодействиях, которые заводят что-то, что идёт, идёт и идёт».
Более того, ходьба могла быть смоделирована как легковозбудимая система/возбудимая клеточная оболочка, в которой при определённых условиях сигналы распространяются и усиливаются, вместо того чтобы постепенно затухать и прекращаться. Нейрон — классический пример возбудимой системы: небольшие колебания напряжения могут вызвать внезапное возбуждение, и при превышении некоторого порога новое возбуждённое состояние распространяется на остальную часть системы. Такое же явление, по-видимому, происходит и в ресничках. В экспериментах и при моделировании небольшие возмущения по высоте, а не по напряжению, приводили к относительно большим изменениям в активности близлежащих ресничек: они могли внезапно менять направление движения и даже переходить из состояния покоя в состояние ходьбы. «Это ужасно нелинейно», — комментирует Пракаш.
На самом деле модели ресничек Пракаша, Буля и Кру оказались очень похожи на известные модели потенциалов действия в нейронах. «Этот уникальный феномен допускает очень интересную аналогию с тем, что вы видите в нелинейной динамике отдельных нейронов», — говорит Буль.
Спонберг согласен. «На самом деле это очень похоже, — замечает он. — Вы накапливаете энергию, а затем — бах, бах, бах!»
Реснички слетаются, словно птицы
С этим математическим описанием в активе Пракаш и Буль посмотрели, как каждая ресничка толкает и тянет за собой соседние, взаимодействуя с поверхностью, и как вся эта независимая активность может объединиться в нечто синхронизированное и согласованное.
Исследователи измерили, как механическая походка каждой реснички приводит к небольшим локальным колебаниям толщины клеточной ткани. Затем они составили уравнения для того, чтобы выяснить, как это может повлиять на поведение близлежащих клеток, даже если реснички этих клеток совершают собственные циклические движения — как сеть пружин, связывающих вместе крошечные вибрирующие двигатели.
Когда исследователи смоделировали «этот танец эластичности с активностью», сказал Пракаш, они увидели, что механические взаимодействия ресничек, толкающих субстрат, и клеток, тянущих друг друга, быстро передают информацию по всему организму. Стимуляция одной области приводила к волнам синхронизированного движения ресничек, которые перемещались по ткани. «Эта упругость и деформация физических свойств ходячих ресничек, теперь умноженная на миллионы ресничек в слое, фактически порождает согласованную двигательную активность», — рассказал Пракаш.
При этом синхронизированные двигательные паттерны могут быть сложными: иногда активность системы порождает вихри, когда реснички ориентируются вокруг одной точки. В других случаях реснички меняют направление за доли секунды, сначала двигаясь в одну сторону, а затем в другую — собираясь в стаи, как группа скворцов или косяк рыб, что приводило к ловкости, позволявшей животному иногда менять направление движения.
«Мы были просто потрясены, когда впервые увидели, как эти реснички переориентируются за секунду», — сказал Буль.
Особенно интригующим было быстрое формирование группы. Обычно стаи возникают в системах, которые действуют подобно жидкостям: отдельные птицы и рыбы, например, могут свободно меняться местами со своими товарищами. Но у Trichoplax этого не происходит, потому что реснички — компоненты клеток, которые зафиксированы в конкретных местах. Реснички двигаются как «сплошная стая», — говорит Рикард Алерт (Ricard Alert), физик из Института физики сложных систем Общества Макса Планка (Max-Planck-Institut für Physik) в Германии.
В ходе моделирования Пракаш и Буль также обнаружили, что передача информации происходит избирательно: при определённых стимулах энергия, произведённая ресничками, просто рассеивалась, вместо того чтобы распространяться и изменять поведение организма. Мы постоянно используем для этого наш мозг, чтобы наблюдать и распознавать ситуацию и говорить: «Мне нужно либо игнорировать это, либо реагировать на это», — заметил Спонберг.
В конце концов Пракаш и Буль обнаружили, что способны описать свод механистических правил, в соответствии с которыми Trichoplax может вращаться на месте или двигаться неровными кругами, следовать по прямой или внезапно отклоняться влево и даже — когда он использует свою собственную механику, чтобы разорвать себя на два отдельных организма.
«Траектории движения животных буквально закодированы в этих простых механических свойствах», — говорит Пракаш.
Он предполагает, что животное может использовать преимущества этой динамики вращения и ползания как часть стратегии «беги-и-крутись» для поиска пищи или других ресурсов в окружающей среде. Когда реснички сонастраиваются, организм может «бежать», продолжая двигаться в направлении, которое только что принесло некие плоды; когда кажется, что этот ресурс исчерпан, Trichoplax может использовать состояние ресничного вихря, чтобы повернуть и проложить новый курс.
Если дальнейшие исследования покажут, что всё действительно так, «это будет очень интересно», — отметил Хорди Гарсия-Охальво (Jordi Garcia-Ojalvo), профессор системной биологии в Университете Помпеу Фабра (Universitat Pompeu Fabra) в Барселоне. Механизм преодолеет масштабы не только молекулярной структуры, ткани и организма, но и экологии».
На самом деле для многих исследователей это как раз то, что делает данную работу уникальной и привлекательной. Обычно физические подходы к биологическим системам могут описывать активность на одном или двух уровнях сложности, но не на уровне поведения целого животного. «Это действительно редкое достижение», — заметил Алерт.
Ещё приятнее то, что на каждом из этих уровней механика использует принципы, которые повторяют динамику нейронов. «Эта модель является чисто механической, — рассуждает Спонберг. — Тем не менее система в целом обладает многими свойствами, которые мы связываем с нейромеханическими системами, — она построена на основе возбудимости, она постоянно ищет баланс между чувствительностью и стабильностью, и способна к сложному коллективному поведению».
«Насколько далеко вас могут завести механические системы? — добавляет Спонберг. — Они могут завести вас очень далеко».
Это связано с тем, как неврологи думают о связи между нейронной активностью и поведением в целом.
«Организмы — это реальные объекты в пространстве, — говорит Рикард Соле (Ricard Solé), биофизик из ICREA, Каталонского института исследований и перспективных разработок в Испании. — Если одна лишь механика может полностью объяснить некоторые простые формы поведения, то неврологи, возможно, захотят более внимательно изучить, как нервная система использует преимущества биофизики животного для реализации сложных форм поведения в тех или иных ситуациях».
«То, что выполняет нервная система, может быть не тем, что мы думали», — считает Спонберг.
Шаг на пути к многоклеточности
По мнению Ван, пристальный взгляд на
Trichoplax
«может дать нам много информации о том, что на самом деле потребовалось для того, чтобы возникли более сложные механизмы контроля — такие как мускулы и нервная система». «Что было до того, как у нас всё это появилось? Может быть, как раз что-то такое».
Алерт согласен с Ван. «Это настолько простой способ обеспечить такое свойство поведения организма, как ловкость, что, возможно, он возник на ранних этапах эволюции, до развития нейронных систем, — сказал он. — Возможно, то, что мы видим, — это просто живое ископаемое, то, что было нормой в те времена».
Соле считает, что Trichoplax занимает «сумеречную зону… Организм в середине большого перехода к сложной многоклеточности». Похоже, что животное начинает создавать «предпосылки для достижения настоящего усложнения, где нейроны кажутся необходимыми».
Сейчас Пракаш, Буль и их коллеги изучают, способен ли Trichoplax к другим видам поведения. Или даже к обучению. Чего ещё он может достичь в различных экологических условиях? Может ли рассмотрение его биохимии в дополнение к его механике открыть другой уровень поведения?
Исследователи также используют некоторые из раскрытых ими принципов для создания так называемых «воспринимающих машин» — роботизированных систем и умных материалов, которые выполняют определённые задачи без централизованного управления, используя свои механические свойства. «Сейчас у нас есть чертёж, заимствованный у этой системы, и мы можем многое добавить к нему просто благодаря нашему воображению», — рассказал Пракаш.
Студенты лаборатории Пракаша уже начали создавать рабочие образцы таких машин. Кру, например, сконструировал роботизированное плавающее устройство, управляемое вязкоупругим материалом под названием активная пена: когда его помещают в неньютоновские жидкости, такие как суспензия кукурузного крахмала, он движется вперед.
«До каких грандиозных свершений это нас доведёт? — задаётся вопросом Орит Пелег. — Сможем ли мы построить из одних только таких механических сетей — мозг?»
Пракаш рассматривает всё это как первую главу саги, которая, вероятно, будет длиться десятилетиями. «Для меня попытка понять Trichoplax — это тридцати- или сорокалетнее путешествие. Итак, прошли первые десять лет… Мы в конце первой эпохи и в начале следующей», — делится переживаниями исследователь.
