» » Могли ли нейротрансмиттеры создать нервную систему в качестве эволюционного ответа на повреждение?

Могли ли нейротрансмиттеры создать нервную систему в качестве эволюционного ответа на повреждение?


Могли ли нейротрансмиттеры создать нервную систему в качестве эволюционного ответа на повреждение?

Могли ли нейротрансмиттеры создать нервную систему в качестве эволюционного ответа на повреждение?

Рис. 1. Основные события в эволюции нервных систем. Появление нервных систем показано разноцветными «кляксами». Нервные системы могут не иметь выраженного центра, а могут быть централизованными (CNS): в этом случае либо все скопления нервных клеток примерно равноправны, либо одно — мозг (brain) — выделяется среди прочих. Случаи независимой централизации указаны разноцветными звездочками. Рядом с различными ветвями филогенетического древа животных указано словами, какие клетки и специализированные структуры возникли у представителей каждой из этих ветвей. Там же отмечено, когда компоненты «классического» химического синапса млекопитающих, а также Hox-гены и ряд микроРНК начинают действовать в рамках нервной системы или других систем управления и когда какие вещества утрачивают свою роль в нервной системе либо утрачиваются/перестают экспрессироваться соответствующие им гены. Вещества, которые выступали переносчиками сигнала еще до появления многоклеточных, обведены красной рамкой. Изображение из обсуждаемой статьи в Philosophical Transactions of the Royal Society B


 

Сейчас о нейротрансмиттерах слышал каждый, кто хоть немного интересовался строением и работой человеческого организма. Удивительно, но всего несколько десятилетий назад эти вещества не слишком охотно обсуждали даже в научной среде: многие ученые полагали, что нейротрансмиттеры — всего лишь посредники, вспомогательные элементы в клеточных цепях передачи электрических сигналов, действующие только в специально отведенных местах — химических синапсах. Картина начала меняться в середине XX века, во многом благодаря исследованиям отечественных ученых: копились аргументы в пользу того, что спектр функций нейротрансмиттеров в живой природе гораздо шире (например, они были найдены у животных, не обладающих нервной системой). В 2020-х годах данных о трансмиттерах хватает, чтобы предположить: это они способствовали объединению клеток в системы управления, которые могут обеспечить животному сложное поведение даже в отсутствие каких-либо синапсов. Нейроны возникли, притом не менее трех раз, уже после появления таких систем, предположительно в качестве эволюционного ответа на повреждение организма. Не они создали нервные системы, а трансмиттеры.


Слуги электричества

мозг — это компьютер? мозг — это телефонная станция? мозг — это какой-то вычислительный прибор? Какое из этих сравнений ни примени, оно технологическое, а не биологическое. С тех пор как стало понятно, что нервная система управляет поведением человека и многих других животных, — а это прояснилось примерно в середине XIX века (во многом благодаря работам Ивана Михайловича Сеченова), — закономерности ее работы почему-то часто стали рассматривать вне биологического контекста.

Особенно ярко это проявилось при изучении передачи сигналов нейронами. Будто забыв, что любые живые клетки взаимодействуют со своим окружением, выделяя наружу различные вещества (и сами воспринимают химические сигналы из окружающей среды), физиологи XIX и начала XX века во главу угла ставили «животное электричество», постулируя, что нейроны передают друг другу, да и всем остальным сигналы в виде электрических импульсов.

Картина представлялась логичной, пока считалось, что нервные клетки образуют сплошную сеть, элементы которой плавно переходят друг в друга. Но в 1888 году испанский гистолог Сантьяго Рамон-и-Кахаль показал на препаратах тканей мозжечка птиц, что нейроны не перетекают один в другой, а между ними есть промежутки. Возник вопрос: как же электрические импульсы перескакивают через них?

Здесь кстати пришлось открытие нейротрансмиттеров — химических переносчиков сигнала. То, что такие вещества могут действовать в месте контакта нервных и гладкомышечных клеток, предположил в 1904 году британец Томас Рентон Эллиотт (Thomas Renton Elliott, см. T. R. Elliott, 1904. On the action of adrenalin). В 1921 году выходец из Германии Отто Лёви обнаружил, что блуждающий нерв замедляет и останавливает биение сердца лягушки даже без электрических импульсов, а просто выделяя некое вещество. В 1924 году в Казани физиолог Александр Филиппович Самойлов предсказал в теории, а в 1933-м там же Алексей Васильевич Кибяков первым показал на практике, что подобным — химическим — образом нейроны способны влиять не только на мышцы, но и на другие нервные клетки.

Не все физиологи были готовы включить эти данные в свою картину мира. А. А. Ухтомский в 1935 году считал, что нейротрансмиттеры максимум готовят клетку к восприятию электрического сигнала, а И. П. Павлов предпочитал и вовсе не вникать в клеточные механизмы нервной деятельности. Тем не менее на роль посредников «между электричеством и электричеством» нейротрансмиттеры все-таки приняли. Им выделили довольно скромное рабочее место — специализированный контакт нейрона и какой-нибудь другой (не обязательно нервной) клетки, синапс.

Согласно классическим представлениям, схема действия этих соединений в синапсе примерно такова. Мембранные пузырьки с заключенными в них молекулами нейротрансмиттера начинают двигаться к мембране клетки-отправителя, когда та получает электрический сигнал, и выбрасывают свое содержимое в щель между ней и клеткой-слушателем. Трансмиттер действует на рецепторы второй клетки: возбуждает или тормозит в ней электрическую активность. Через некоторое время специальные переносчики подбирают молекулы нейротрансмиттера и возвращают их в родную клетку либо особые ферменты разрушают те же молекулы, и цикл синаптической передачи можно начать заново.


Трансмиттеры вне синапса

Изначально не было понятно, что за вещества выполняют роль нейротрансмиттеров и применимо ли вообще к этому термину множественное число. Позже выяснилось, что переносчиком сигнала в опыте Лёви был ацетилхолин, а к середине 1940-х стало понятно, что кроме него в синаптической передаче может быть задействован норадреналин (см. U. S. V. Euler 1945. A Sympathomimetic Pressor Substance in Animal Organ Extracts).

Казалось бы, двух веществ достаточно, чтобы нейрон мог с их помощью возбуждать или тормозить электрическую активность своих собратьев по синапсу. Допустим, один трансмиттер оказывает возбуждающий эффект, другой — тормозной. Но еще в те времена, когда были известны всего два нейротрансмиттера, выяснилось, что оба они способны выступать в роли возбуждающих, хотя это избыточное дублирование функций. А уже в 1950-х годах, как из рога изобилия, посыпались сообщения о все новых молекулах-нейротрансмиттерах: серотонине, гамма-аминомасляной кислоте и прочих. Зачем их столько?

Ответить на этот вопрос было легче тем, кто помнил: нервная система находится в живом организме, а значит, и развивалась она в соответствии со всеми закономерностями эволюции. Среди тех, кто не забыл биологический контекст, был нейрофизиолог Хачатур Седракович Коштоянц. Он предполагал, что нейроны «унаследовали» свои трансмиттеры от донервных систем регуляции жизнедеятельности. В пользу этого говорило и то, что ацетилхолин, норадреналин и прочие подобные вещества обнаруживали у самых разных организмов, в том числе таких, которые и нервной системой-то обладать не могли — например, у инфузорий.

Мысли Коштоянца развил его ученик Дмитрий Антонович Сахаров (Сухарев). В книге «Генеалогия нейронов» (1974) и множестве научных статей он выдвигает и обосновывает гипотезу, что разные нервные клетки в пределах одного организма произошли из разных предковых популяций, и это одна из причин колоссального многообразия нейротрансмиттеров. Более того — и это тоже идея Сахарова — обилие неодинаковых сигнальных молекул позволяет системам управления организмом на небольших расстояниях функционировать вообще без синапсов. Сигнализация в таком случае работает по принципу объемной передачи. Направленных потоков нейротрансмиттеров нет, каждая клетка, «обращаясь» к омывающему ее межклеточному «супу», реагирует на тот его компонент, к которому у нее есть рецепторы. (Имеет значение и концентрация трансмиттера, и ее соотношение с концентрациями остальных веществ в смеси.) Это напоминает феномен коктейльной вечеринки: хотя одновременно громко разговаривают много человек, мы слышим собеседника и понимаем его, так как на него направлено наше внимание.


Генеалогия нервных систем

Новые методики представили и представляют взглядам Сахарова новые обоснования. Его ученик Леонид Леонидович Мороз (Leonid Moroz) давно работает с геномами самых разных беспозвоночных в Лаборатории морских исследований Уитни Университета Флориды, разбирая, какие трансмиттеры, рецепторы и другие элементы нервных систем имеются у тех или иных «простых» животных в рамках проекта «Геном Мирового океана».

В число объектов этих сравнительно-геномных исследований входят и организмы без нервных систем: губки и пластинчатые. В обеих группах есть такие виды, которые активно двигаются и обладают достаточно сложным поведением — но не имеют нейронов (см., к примеру, L. Lundsten et al., 2017. Three new species of Cladorhiza (Demospongiae, Poecilosclerida, Cladorhizidae) from the Northeast Pacific Ocean). Мороз и его российские коллеги даже обнаружили у пластинчатых потенциалы действия, и их механизм, вероятно, весьма похож на механизм «классического» потенциала действия животных с нервными системами (см. У пластинчатых обнаружили натриевые потенциалы действия, «Элементы», 06.10.2020).

Новая статья Мороза об эволюции нервных систем в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society B написана в соавторстве с отечественным исследователем и ученицей Л. Мороза — Дарьей Романовой из Института Высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН. Авторы посвятили обзор 90-летию Дмитрия Сахарова и его книге «Генеалогия нейронов», чьи идеи легли в основу текста.

Мороз выдвигает предположение, что без нейротрансмиттеров не было бы нервных систем. Эти вещества — сотни их разновидностей — объединили разнородные популяции секреторных (выбрасывающих наружу различные вещества) клеток в системы управления поведением организма. Впрочем, в случае организмов без нервных систем и нейронов правильнее говорить просто «трансмиттеры», без «нейро-».

Пока не было нейронов, не было и синапсов, и передача сигнала осуществлялась объемно, в неспецифических участках контакта клеток. Сами же нейроны возникали из секреторных клеток минимум три раза независимо (рис. 2): у гребневиков, стрекающих и билатерий (двусторонне-симметричных животных). А уж централизация нервных систем происходила как минимум два десятка раз (рис. 1).


Могли ли нейротрансмиттеры создать нервную систему в качестве эволюционного ответа на повреждение?

Могли ли нейротрансмиттеры создать нервную систему в качестве эволюционного ответа на повреждение?

Рис. 2. Присутствие основных классов трансмиттеров у различных систематических групп животных. В центре неукорененного филогенетического древа — последний общий предок животных (см. Urmetazoan); нейронов у него не было. Около изображения типичного представителя каждой группы перечислены основные трансмиттеры, которые он использует, и показано, бывают ли у него быстрые электрические сигналы — натриевые потенциалы действия. Обозначения трансмиттеров: L-Glu — глутамат, GABA — гамма-аминомасляная кислота, ATP — аденозинтрифосфат, ACh — ацетилхолин, 5-HT — серотонин, DA — дофамин, NA — норадреналин, OA — октопамин, A — адреналин. Предполагаемые случаи возникновения нейронов отмечены многоугольниками, нейроноподобных клеток и ненервных систем управления — крестами. Также указан образ жизни этих организмов: гребневики, стрекающие и многие билатерии — хищники, губки — фильтраторы, а пластинчатые «пасутся», ползая по дну и подбирая микроорганизмы. Изображение из обсуждаемой статьи в Philosophical Transactions of the Royal Society B


По Морозу, многочисленные трансмиттеры у ранних животных были преадаптацией, особенностью, которая сначала не повышала (но и не снижала) вероятность выживания, а затем, в новых условиях, оказалась полезным приспособлением.

Что это могли быть за условия и приспособлением к чему стали трансмиттеры? Вероятнее всего, на роль координаторов отбирались сигнальные молекулы, которые клетки секретировали при повреждениях. Клетки колониальных и даже одноклеточных эукариот в таких случаях выделяют АТФ, протоны (H+) и NO (оксид азота (II), далее в тексте будет указываться без валентности). Эти соединения выступают в роли переносчиков сигнала и у многоклеточных.

Кроме них сигналом о ранении мог служить глутамат — самый распространенный нейротрансмиттер в головном мозге млекопитающих. Именно в таком качестве он выступает сейчас у растений (см. Растения, как и животные, используют глутамат для быстрой передачи сигналов по организму, «Элементы», 17.09.2018). Также из большого множества потенциальных нейротрансмиттеров у представителей всех (или практически всех) ветвей животного царства обнаруживают ГАМК (гамма-аминомасляную кислоту) и глицин. Видимо, эти сигнальные молекулы одними из первых среди «классических» нейротрансмиттеров стали способствовать координации действий множества клеток — еще до появления нервных систем. Огромную роль почти наверняка играли сигнальные пептиды — цепочки из нескольких аминокислот. Они есть и у губок, и у гребневиков (притом у представителей обеих групп — уникальные, каких не встретить у прочих животных), у пластинчатых, стрекающих и билатерий.

Кроме необходимости реагировать на повреждения определенную роль могло сыграть и возникновение внеклеточного пищеварения, которое стало распространенным на границе докембрия и кембрия около 550 миллионов лет назад. Очевидно, клетки должны были выделять наружу множество веществ, чтобы переварить добычу, и среди этих веществ вполне могли быть будущие трансмиттеры. Скорее всего, возникнуть системам управления помогли и иммунные реакции: пища нестерильна, а значит, надо защитить себя от возможных патогенов в ней, превентивно убить их.

Интересно, что молекулы, на которых долгое время было сосредоточено изучение сигнальных веществ нервной системы, — ацетилхолин, серотонин, норадреналин и другие катехоламины, гистамин — стали играть роль нейротрансмиттеров только у билатерий (рис. 3). Ни гребневики, ни стрекающие, ни животные без нервных систем не синтезируют их в количествах, достаточных для применения этих веществ как переносчиков сигнала. Белков, позволяющих клеткам воспринимать «хрестоматийные» нейротрансмиттеры, ни у кого, кроме билатерий, нет.


Могли ли нейротрансмиттеры создать нервную систему в качестве эволюционного ответа на повреждение?

Рис. 3. Наличие элементов «классических» нейротрансмиттерных систем (ацетилхолиновой, серотониновой, гистаминовой и других) у представителей различных групп животных. Исследователи искали гены ферментов, участвующих в реакциях синтеза и распада конкретных трансмиттеров, гены переносчиков и рецепторов этих трансмиттеров. Каждый столбец соответствует одному животному, чье родовое название по латыни написано наверху, а принадлежность к крупной группе животных (гребневики, стрекающие и т. д.) указана внизу. Каждая строка соответствует группе генов, которые выполняют сходные функции: кодируют переносчики какого-либо трансмиттера, рецепторы к нему и подобное. Слева указаны названия и функции генов, справа — систематические группы животных, у которых такие гены находят. Числа отражают количество генов данной группы у конкретного организма. Например, у аплизии (это брюхоногий моллюск) 53 гена кодируют составляющие рецепторов к ацетилхолину, а у человека — 17. Изображение из обсуждаемой статьи в Philosophical Transactions of the Royal Society B


Постоянные читатели «Элементов» помнят, что в предыдущих работах Мороз и коллеги предлагали версию, что нервные системы возникали независимо дважды. Что заставило исследователей изменить точку зрения? Они отвечают на этот вопрос так:

«Проанализировав геномы гребневиков, стрекающих и билатерий, мы выяснили, что гребневики имеют две нервные системы в мезоглее и эктодерме; стрекающие — тоже две, но в эктодерме и эндодерме; у билатерий — своя, более знакомая нам организация нервных систем. Одни и те же гены имеют очень большую дивергенцию и достаточно большую эволюционную дистанцию (между гребневиками, стрекающими и билатериями). Это навело нашу исследовательскую группу на мысль, что эти комплексы нервных систем у гребневиков, стрекающих и билатерий могли и могут эволюционировать независимо друг от друга. В свою очередь фенотипическая схожесть нейронов могла появиться под действием движущего отбора при одинаковых условиях окружающей среды с модификациями. То есть разные факторы среды при одинаковых факторах-инструментах метаболических путей создали то биоразнообразие, которые мы с вами наблюдаем сегодня.»

Рецепторы, каналы, электрические синапсы

Недостаточно выделить трансмиттеры в межклеточное пространство, чтобы они оказали нужный эффект. Он определяется рецепторами на поверхности клеток. Были ли рецепторы к веществам, которые впоследствии стали нейротрансмиттерами, у донервных организмов? Сравнительный анализ геномов показывает, что да. И ионотропные рецепторы (белки в мембране клетки, которые начинают пропускать определенные заряженные частицы, когда связываются с молекулами трансмиттера), и метаботропные (рецепторы, чья работа сопряжена с G-белками) у «безнервных» животных есть, и они крайне разнообразны. Их тоже можно считать преадаптацией.

Кроме того, подкованный читатель заметит, что пока мы говорили только о компонентах химического синапса, а существуют еще синапсы электрические. Это контакты между нервными клетками, передающие электрические сигналы без участия нейротрансмиттеров. По строению они напоминают лепестки диафрагмы фотоаппарата, только в роли лепестков выступают белки — паннексины (есть у большинства позвоночных и беспозвоночных, поэтому «пан-») и коннексины (см. Connexin; есть только у позвоночных). Электрические синапсы чаще встречаются у беспозвоночных, хотя имеются и у позвоночных. Какую роль они сыграли в эволюции нервных систем?

Удивительно, но составляющим электрических синапсов с высокой вероятностью нашлась роль в объемной передаче нейротрансмиттеров. Выяснилось, что паннексины у млекопитающих не входят в состав электрических синапсов, зато пропускают АТФ, глутамат, простагландины, ионы кальция и другие сигнальные вещества (см., например, статьи N. Wang et al., 2013. Paracrine signaling through plasma membrane hemichannels и V. Abudara et al., 2018. Synaptic Functions of Hemichannels and Pannexons: A Double-Edged Sword). Мороз с коллегами предполагают, что секреторные клетки начали параллельно привлекать ионотропные рецепторы и паннексины/коннексины для того, чтобы ускорить обмен сигналами между клетками и сделать его более направленным.

Получается, что первичные системы управления были похожи на эдакий Океан планеты Солярис из одноименного романа Станислава Лема: никаких специализированных клеточных элементов и тем более их скоплений, множество веществ, регулирующих работу организма. Современные существа, чье поведение контролирует система подобного устройства, — пластинчатые. Поэтому для изучения эволюции нервных систем они особенно ценны. Эксперименты с трихоплаксом и его ближайшими родственниками сейчас активно ведутся, в том числе российскими учеными. И, скорее всего, в ближайшее время мы услышим немало интересных выводов из их результатов.

Идея о том, что трансмиттеры в каком-то смысле создали нервную систему, — продолжение и логическое развитие мыслей Коштоянца и Сахарова. Приятно, что наработки русских школ физиологов не забыты, а приоритет в таких важных, фундаментальных темах по-прежнему за отечественными учеными и выходцами из России.

Источники:
1) L. L. Moroz, D. Y. Romanova, A. B. Kohn. Neural versus alternative integrative systems: molecular insights into origins of neurotransmitters // Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2021. DOI: 10.1098/rstb.2019.0762.
2) В. Е. Дьяконова, Д. А. Сахаров. 2019. Пострефлекторная нейробиология поведения.

Светлана Ястребова


18 июль 2021 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Везикулы хоанофлагеллят, как и синаптические везикулы в нейронах, распределены внутри клетки полярно

Некоторые типичные для нервной системы структуры — например, синаптические везикулы — возникли еще у одноклеточных организмов, у которых никаких систем клеток и органов быть не могло. Выяснилось, что

В мозге нашли новые «клетки сна»

Служебные клетки мозга помогают ему спать глубже и дольше.

Одни рецепторы к ацетилхолину помогают дрозофилам спать, другие — просыпаться

Действие нейромедиатора зависит от того, с какими рецепторами каких клеток он связался. Поэтому одно и то же сигнальное вещество может давать разные эффекты: например ацетилхолин и у млекопитающих, и

Один и тот же нейромедиатор тормозит образование нервных клеток и у млекопитающих, и у актиний

Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) — одно из веществ, участвующих в передаче сигналов между нервными клетками. ГАМК также влияет и на развитие нервной системы, а у взрослых млекопитающих она тормозит

Электроизолирующие клетки помогают мозгу слышать

Благодаря клеткам «технической поддержки» нейроны могут чувствовать паузы в долгих звуках.

Гипотеза о двукратном появлении нервной системы получила новые подтверждения

Анализ полного генома гребневика Pleurobrachia bachei и транскриптомов 10 других видов гребневиков подтвердил гипотезу, согласно которой гребневики являются самой базальной ветвью эволюционного
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Совпадения с разницей в сто лет: Авраам Линкольн и Джон КеннедиКак Чайковский у царя 3000 рублей взаймы взялШевалье-девицаНемного «умной одежды»Персонажи классического искусства в современных реалияхКак появилось выражение «остаться с носом»?Психолог Джон Готтман о секрете удачных отношенийО короле, шампанском и учёных