Книга: От амёбы до гориллы, или Как мозг учился думать

Крохотные ученики

С чего или, вернее, с кого начать изучение умственных способностей животных? Ну конечно, с самых простых, примитивных одноклеточных организмов. Проще них даже представить что-нибудь трудно. Такое животное состоит из одной-единственной клеточки, заполненной протоплазмой с погруженным в нее клеточным ядром. Многие виды одноклеточных даже не имеют настоящей клеточной оболочки. Нужно ли говорить, что у них нет ни скелета, ни нервной системы, ни лапок, ни ушей, ни глаз. Несмотря на это, многие одноклеточные весьма активные шустрые создания. Одни из них — жгутиконосцы — плавают с помощью длинного подвижного жгутика, находящегося на конце тела и работающего, как гребной винт лодочного мотора. Только двигаются они жгутиком вперед с огромной для своих ничтожных размеров скоростью. Чемпионы среди них за секунду покрывают расстояние в тридцать миллиметров, что в шестьдесят — семьдесят раз превышает длину их тела. Чтобы стало понятно, много это или мало, сравним быстроту их перемещения с движением автомобиля. Максимальная скорость, разрешенная на дорогах нашей страны, — девяносто километров в час, или двадцать пять метров в секунду. Длина легкового автомобиля «Волга» около пяти метров. Значит, за секунду автомобиль проходит расстояние, всего в пять раз превышающее собственную длину. Если бы жгутиконосцы были размером с «Волгу», они за полчаса пробегали бы дистанцию в пятьсот — шестьсот километров, что соответствует расстоянию от Москвы до Ленинграда. Не каждому современному самолету доступна такая скорость.

Л. А. Орбели (1882–1958)

Академик Герой Социалистического Труда, лауреат Государственной премии СССР, генерал-полковник медицинской службы Леон Абгарович Орбели — выдающийся советский физиолог, ученик и последователь И. П. Павлова. Он внес существенный вклад в развитие физиологии высшей нервной деятельности, вегетативной нервной системы, органов чувств, был инициатором исследований в области физиологии глубоководных погружений и высотных полетов. Л. А. Орбели — основоположник эволюционной физиологии как особой научной дисциплины. Он был создателем Института эволюционной физиологии и биохимии имени И. М. Сеченова АН СССР в Ленинграде и первым его директором.

У инфузорий нет жгутика, зато все тело, как шерсткой, покрыто ресничками. Их около десяти — четырнадцати тысяч! Они работают, как весла. Движения ресничек строго координированы. Их взмахи волнами прокатываются вдоль всего тела миниатюрного существа. Это позволяет инфузориям развивать немалую скорость, покрывая за секунду расстояние, в пять-шесть раз превышающее собственную длину, что соразмерно скорости «Волги». Амебы умеют ползать. Сначала на их теле появляются маленькие выпячивания. Они быстро растут, превращаясь в длинный отросток. Затем тело амебы переливается в отросток, и она выпускает новый. Так, выпуская отростки и переливаясь в них, амеба энергично ползет по стеклу аквариума или по листу растения. Некоторые одноклеточные организмы устроены посложнее. На переднем конце тела эвглены через оболочку просвечивают красноватые капельки жира. Они образуют так называемый глазок. Он действительно обладает светочувствительностью. Если аквариум с эвгленами поставить в тень, осветив в нем лишь небольшой участок, все его обитатели, сколько бы их там ни было, соберутся в освещенной части. Наиболее сложно устроенные одноклеточные существа — инфузории. Кроме многочисленных ресничек на теле инфузории туфельки находится бессчетное количество крохотных отверстий, в которых прячутся стрекательные палочки — трихоцисты. Они представляют собой длинные полосатые стержни с плотными гвоздеобразными наконечниками. Трихоцисты предназначены для обороны и нападения. Ими животное выстреливает при малейшей опасности. Стоит дотронуться до тела инфузории даже тончайшим волоском, и она ответит на раздражение залпом стрекательных палочек. Видимо, их наконечники, как боевые стрелы индейцев, содержат какое-то ядовитое вещество. Впиваясь в тело обидчика, они не только наносят глубокие раны, но и отравляют их своим ядом. У врагов туфельки, таких же маленьких животных, наступает паралич, а если в тело вонзилось много стрекательных палочек, раненое животное погибает. На переднем конце тела инфузории находится ротовая впадина, на дне которой видно отверстие, ведущее в глотку. Одна из стенок глотки покрыта пленочкой из слипшихся между собой ресничек. И реснички на стенках впадины и пленочка глотки все время колеблются, загоняя внутрь взвешенные в воде микроорганизмы. Каждые одну-полторы минуты капелька воды с находящимися в ней бактериями втягивается внутрь туфельки и начинает странствовать в ее теле, выполняя функцию временного желудка. Пища переваривается за один — три часа. Полный «желудок» содержит тридцать — сорок бактерий. За сутки инфузория съедает их более сорока тысяч. Вот какие это полезные существа.

Знакомство со сложным строением одноклеточных организмов невольно заставляет подозревать, что они далеко не так просты, как можно было бы думать о крохотных одноклеточных созданиях. Действительно, их поведение подчас вызывает удивление. Оказалось, например, что парамеция-туфелька глотает далеко не все, что плавает в воде и постоянно попадается ей на пути. То, что ей не нравится, во временные «желудки» к ней не попадает. Значит, у туфельки хорошо развит вкус. Действительно, парамеции вылавливают из воды бактерий, с удовольствием лакомятся растертым куриным желтком и почему-то охотно поглощают краситель кармин, зато от крупинок серы, микроскопических кристалликов солей категорически отказываются. В их «желудки» эти вещества не попадают. Ученым захотелось выяснить, каким образом пищевые вещества оказываются у них «во рту» и как они добиваются, чтобы туда же не попадали несъедобные частички. Смесь из равных частей тщательно размельченного кармина и серы добавили в каплю воды, где плавали инфузории, и стали наблюдать за их поведением. В микроскоп было отчетливо видно, что реснички ротовой впадины без разбора загоняли в глотку все, что плавало на воде, но красные частички кармина скапливались на ее дне и через каждые шестьдесят — девяносто секунд попадали во вновь образующиеся «желудочки», а желтые частицы серы, не задерживаясь, выбрасывались наружу. Как удается туфельке рассортировать взвешенные в воде частички, ученым так понять и не удалось. Кто же учит парамеций охотиться на бактерий, сортировать взвешенные в воде частицы и выплевывать несъедобные или невкусные крупинки? Вы, наверное, уже догадались, что туфелькам учиться не приходится. Все, что им нужно знать и уметь, они получают по наследству, обходясь без учителей и наставников. Может показаться непонятным, как можно что-то уметь, ничему специально не обучаясь. Попробую объяснить. Машины, построенные руками человека, способны выполнять определенную работу, благодаря своему устройству. Их конструкция — это и есть вложенные в них человеком знания о том, что и как нужно делать. Настольную электрическую лампу никто не учит светить, а она превосходно справляется со своей задачей. Стоит нажать на выключатель, и свет вспыхивает. Иначе она поступить не может, можно сказать «не умеет». Нажимая на выключатель, мы соединяем два конца провода, открывая дорогу электрическому току. Он побежит по проводам, по спирали внутри электрической лампочки, раскалит ее, и она начнет испускать свет. Спираль тоже никто не учит нагреваться. Она сделана из такого металла, который оказывает электрическому току значительное сопротивление, а потому при его прохождении раскаляется. С готовыми знаниями выпускают с завода и более сложные приборы. Автомат для продажи газированной воды тоже никто не учит ни приготовлять напитки, ни торговать ими. Все необходимые ему знания заложены в конструкцию, позволяя выполнять достаточно сложную работу. Автомат умеет из всех мелких денег, имеющих хождение в нашей стране, отбирать монеты достоинством в одну и три копейки. Любые другие он или просто не возьмет, или, познакомившись с ними поближе, возвратит обратно. Получив копейку, автомат наливает в стакан простую воду, газируя ее углекислым газом. Приняв три копейки, он сначала выдает порцию сиропа, а затем наливает газированную воду. Сделать наоборот нельзя: сироп не смешается с водой и напиток будет невкусным. Это отлично понимали создатели автомата, поэтому конструкция его такова, что трехкопеечная монета сначала открывает кран для сиропа, а уж потом для воды. Разбираться в достоинстве монет тоже дело не сложное. Пятачок, полтинник, металлический рубль автомат не примет. Они слишком велики и не войдут в щель для монет. Остальные монеты сортируются по весу, и их сортировка не представляет для автомата особых трудностей. Слишком легкая копейка не в состоянии открыть кран сиропа. Для этого нужен груз, весящий три грамма, то есть монета достоинством в три копейки. Живые существа, безусловно, устроены значительно сложнее, чем механический продавец воды, а с автоматами их роднит только то, что программы поведения заложены в конструкцию их маленького тела. Это позволяет одноклеточным организмам автоматически реагировать на различные воздействия: на пищу, врагов, свет, тепло, растворенные в воде химические вещества, на препятствия и многое другое. Ученые — народ недоверчивый. Простого наблюдения за поведением одноклеточных организмов для них оказалось недостаточно, чтобы решить, умные это или глупые существа. Понадобились специальные опыты, чтобы выяснить, можно ли чему-нибудь научить самых примитивных животных. Из огромной армии одноклеточных организмов пока изучены лишь представители одного класса. Выбор ученых почему-то пал на инфузорий. В различных странах мира с ними проделаны десятки экспериментов. Разобраться в умственных способностях этих существ оказалось не так просто. Изучение одноклеточных можно осуществить лишь в специальном ультрамикроскопическом аквариуме. Для экспериментов с инфузориями удобными оказались тонкие стеклянные трубочки. Животное помещается в заполненный водою капилляр. Под микроскопом отчетливо видно, как оно там себя ведет. Один конец капилляра освещают ярким светом, второй оставляют в тени. Парамеция-туфелька долго оставаться неподвижной не любит, она постоянно движется взад-вперед по своему тесному помещению. Ученые решили выяснить, можно ли научить туфельку держаться только в затемненной части капилляра и в освещенную не заплывать. Чтобы инфузория поняла, что от нее хотят, ее всякий раз наказывали слабеньким ударом электрического тока, как только она пыталась пересечь границу света и тени. Первое впечатление о туфельках оказалось весьма благоприятным. Они вели себя, как старательные ученики. После нескольких десятков наказаний туфелька, подплывая к запретной черте, замедляла свое движение, а потом, не дожидаясь очередного удара тока, поворачивала назад. Ученые были восхищены: туфельки научились избегать света! Значит, они достаточно умны, хотя у них и нет мозга! Кто-то даже предположил, что мозг к умственным способностям никакого отношения не имеет и можно отлично обходиться и без него. С тех пор во многих научных лабораториях туфельки стали излюбленным объектом исследования. Чему их только там не обучали и пришли к выводу, что они способные ученики. Несколько десятилетий подряд среди части исследователей сохранялось возникшее заблуждение, но в конце концов истину все же удалось установить. Насторожили ученых большие способности инфузорий. Многие туфельки всего за несколько уроков могли научиться выполнять любое задание, а для некоторых, видимо наиболее способных, вообще обучения не требовалось. Впервые попав в капилляр, они как-то сами умели догадаться, что пересекать границу света и тени не следует, и наказывать их не приходилось. Даже самые отъявленные оптимисты и поклонники «умных» парамеций в такую прозорливость своих подопечных не верили. Опыты пришлось повторить множество раз, прежде чем ученые заметили одно немаловажное обстоятельство, на которое раньше не обратили внимание. А ларчик открывался просто. Первая туфелька, помещенная в новый, только что изготовленный капилляр, всегда учится долго. Зато второй и всем последующим инфузориям учение давалось легче. Объяснялись эти различия просто. Когда первая парамеция заплывала в запрещенную зону и получала наказание — электрическую порку, она, обороняясь от невидимого врага, выпускала тучи стрекательных палочек.

Отравленные копья повисали на стенках капилляра, свободно плавали в толще воды, и вскоре их становилось здесь так много, что туфелька, заплывая сюда, натыкалась на свое же собственное оружие и получала чувствительные уколы. Это и заставляло ее поворачивать вспять. Следующая туфелька, посаженная в уже использовавшийся капилляр, впервые подплывая к границе света и тени, как на забор из колючей проволоки, натыкалась на облако стрекательных палочек, оставленных предыдущей ученицей. Неудивительно, что некоторые инфузории не стремились пересечь запретную черту, а сразу же поворачивали обратно. Несмотря на кажущееся весьма разумным поведение инфузорий, они фактически ничему в капилляре не научились. Если бы ученые всякий раз после очередной прогулки туфельки к запретной черте пересаживали бы ее в новенький капилляр, они не добились бы изменения в поведении крохотного ученика, сколько бы времени ни затратили на его обучение. Значит ли это, что одноклеточные организмы никудышные ученики? Не будем делать поспешных заключений. Уже в наши дни ученые доказали, что кое-чему инфузории научиться все-таки могут. Одноклеточные существа по праву называют микроорганизмами, но и среди них попадаются отдельные великаны. Такова инфузория спиростомум. Она достигает в длину два-три миллиметра, хорошо видна и без микроскопа, а если смотреть в увеличительное стекло, кажется похожей на небольшого беленького червячка с изящной ушастой головкой. Инфузории умеют быстро ползать по стеклянному аквариуму, способны делать крутые повороты и не сталкиваться друг с другом. Наблюдая за спиростомумами в лаборатории, ученые заметили, что инфузории при каждом сотрясении аквариума вздрагивают, сжимаются в крохотный комочек. Стоит пройтись по комнате, задеть стол, хлопнуть дверью, и инфузории, все как один, сжались, замерли. Но вот прошло три, пять, десять секунд, ничего страшного больше не произошло, и инфузории, постепенно распрямившись, снова поползли по своим делам. Ученые использовали трусливость инфузорий. В небольшой сосуд, где они ползали, каждые тридцать — шестьдесят секунд падала капелька воды. Невелика сила в капле, но этого оказывалось достаточно, чтобы напугать обитателей мини-аквариума. Однако ничего страшного капля не производила. И вот постепенно стало заметно, что животные пугаются все меньше и меньше. Сначала инфузории вместо крохотного комочка стали сжиматься в довольно заметную лепешечку, затем лишь до половины, потом поджималась только самая передняя часть, наконец, животные только вздрагивали, на миг приостанавливали движение и как ни в чем не бывало продолжали свой путь. Значит, научились! Научились не бояться легкого сотрясения, не обращать на него внимания. Ученые называют такой вид обучения привыканием. Чтобы к чему-нибудь привыкнуть, обладать большими способностями совсем не обязательно. Ведь никаких новых навыков у животного при этом не возникает. Оно не приобретает способности делать что-то полезное, чего раньше осуществить не могло. Инфузория просто привыкает к новому раздражителю, учится его не замечать, не реагировать на него. И еще одна очень важная особенность привыкания инфузорий: оно у них сохраняется всего несколько десятков минут, максимум полтора-два часа. Потом животное все забывает, и, чтобы восстановить привыкание, всю процедуру обучения нужно повторить заново, как будто ученик идет на урок впервые. Полезно ли привыкание? Безусловно, полезно! Оно позволяет животным не делать ничего лишнего и экономить массу энергии. Но все-таки, согласитесь, инфузории очень слабые ученики. Сразу бросается в глаза, что никакими талантами они не блещут. Между умственными способностями инфузорий и психическим развитием высших животных, рыб, птиц, собак и других млекопитающих, большая дистанция. У нас неоднократно будет возможность в этом убедиться.