17.05.2022 11:15
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. Биомеханических взаимодействий между ресничками животного достаточно, чтобы объяснить, как оно движется.
Биофизик Ману Пракаш (Manu Prakash) десять лет назад взглянул в микроскоп и увидел животное под микроскопом, похожее 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.
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 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.
Был создан проект, направленный на изучение того, как нейромышечные системы могли эволюционировать и как ранние многоклеточные могли передвигаться, находить еду и размножаться до того, как появились нейроны.
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 историю о том, что могло предшествовать эволюции нейронов. Результаты 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.
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 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.
Trichoplax занимают «промежуточное положение между чем-то действительно сложным, например, позвоночными, и чем-то, что только становится сложным, например, одноклеточными эукариотами».
Сначала Пракаш соорудил новые микроскопы, которые могут изучать Trichoplax снизу и сбоку, а ещё обнаружил, как отслеживать высокоскоростное движение ресничек организма. Таким образом исследователь смог рассматривать и отслеживать миллионы крошечных ресничек.
Ожидалось, 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.
Учёные проследили за тем, как движется кончик каждой отдельной реснички на протяжении некоторого времени. Оказалось, ресничка «чертит» круги и отталкивается от поверхностей. В итоге они 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.
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.
https://www.quantamagazine.org/before-b ... r-20220316
