- -
- 100%
- +
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 экcпepимeнтoв. 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.
Миниатюрные чудовища
Стоит ли удивляться, что инфузории не обнаружили выдающихся способностей? Многоклеточные организмы имеют множество органов, между которыми существует строгое разделение труда. А инфузория состоит всего из одной клеточки, но дел у нее невпроворот. Поиски пищи, оборона, дыхание, борьба с неблагоприятными условиями жизни, размножение – у инфузории тысячи дел, и сразу нужно заниматься несколькими. Тут уж не до учебы. Можно было надеяться, что многоклеточные организмы, даже достаточно примитивные, окажутся гораздо способнее.
В настоящее время на Земле существует две группы низших многоклеточных организмов. Они давно известны зоологам. Самые примитивные – губки. И строением тела и поведением они больше похожи на растения, чем на животных. К тому же губки, по-видимому, не состоят в прямом родстве ни с кем из высших животных. Поэтому они мало интересуют ученых, и их умственные способности пока совершенно не изучены.
Вторая группа низших многоклеточных животных получила название кишечнополостных. К ним относятся такие известные животные, как медузы, актинии, кораллы. Кишечнополостное животное – весьма сложно устроенный организм. Эти существа уже имеют собственную нервную систему. Она представляет собой сеть взаимосвязанных нервных клеточек, особенно многочисленных в самых важных местах их тела: в щупальцах, вокруг ротового отверстия и на подошве.
Из числа примитивных многоклеточных животных в лабораториях физиологов побывали пока лишь только представители кишечнополостных. Проще всего добыть и содержать в неволе пресноводную гидру. Для нее не нужна ни морская вода, ни изысканное питание. Вот почему гидра является более частым объектом физиологических исследований, чем ее многочисленные родственники.
Животное, которое мы называем гидрой, представляет собой крохотный белесый стебелек длиной в один-полтора сантиметра с венчиком щупалец на вершине. Щупалец немного, пять–девять, а в центре между ними круглое ротовое отверстие, ведущее в полость тела, где переваривается пища. На щупальцах батареи стрекательных клеток, выбрасывающих острые отравленные гарпуны на длинных нитях. Оружие гидры имеет много общего с вооружением инфузорий. Своими подвижными щупальцами животное хватает добычу, убивает ее залпами стрекательных клеток и, удерживая с помощью впившихся в тело нитей, отправляет в рот.
Гидры – большие домоседки. Они могут всю жизнь провести, сидя на одном месте, прикрепившись подошвой к камню или к подводному растению. Висеть вниз щупальцами в достаточно светлом месте водоема – излюбленная поза животных. Стоя вверх «головой», они не испытывают чувства полного комфорта. Вертикальная поза требует дополнительных затрат энергии. Но при необходимости гидры могут совершать и небольшие путешествия. Для перемещения в пространстве они пользуются четырьмя способами. По гладкой, твердой поверхности стекла гидры, не меняя позы, скользят, как на коньках, на своей подошве, но двигаются при этом так медленно, что заметить это невозможно. Животные умеют шагать, тогда дело идет веселей. Сначала гидра ложится на дно, вытягивается в нужном ей направлении, вцепляется щупальцами в грунт, а затем подтягивает сюда свое тело. Первый шаг закончен. Теперь можно закрепиться подошвой и начать второй шаг. Так шаг за шагом движется животное, пока не устанет и не проголодается.
Быстрее всего передвигаются гидры, когда катятся колесом, кувыркаясь через «голову», как расшалившиеся мальчишки. Животное, как и в первом случае, ложится на дно, укрепляется щупальцами, затем становится на «голову» и перекидывает стебель в направлении движения. Закрепившись подошвой на новом месте, гидра начинает очередное медленное сальто. Так кувырком и катится: быстро и удобно. Плавать гидры тоже умеют. Широко распластав в воде свои щупальца, животное спокойно парит в воде, медленно и постепенно снижаясь. А если ей нужно всплыть, она каким-то образом создает на своей подошве маленький пузырек газа и, пользуясь им, как поплавком, поднимается к поверхности.
О гидрах слышали все, гидры широко распространены по территории нашей страны, однако мало кому приходилось видеть их живыми. А между тем наловить животных не составляет особого труда. Для этого нужна лишь стеклянная банка и увеличительное стекло. В любом пруду, в тихой речушке, даже в придорожной канаве, лишь бы вода была чистой и прозрачной, нужно набрать побольше водяных растений, поместить их в банку, налить туда воды и оставить ее на несколько минут в покое. Малейшее сотрясение пугает животных. Они сжимаются в крохотный комочек и заметить их на листьях становится невозможно. Но вот прошло несколько минут, все спокойно, ничто больше не беспокоит обитателей подводного мира, и гидры начинают неторопливо распрямляться. С помощью лупы весь процесс виден превосходно.
У себя в пруду гидры питаются дафниями и другой подвижной мелочью. Дома в крохотном аквариуме прожорливые хищники, за несколько дней переловив и съев все живое, начинают голодать. Теперь пора начинать эксперимент. Голодной гидре, сидящей на дне водоема, бросают крохотную песчинку. Если, падая, она заденет хотя бы одно щупальце, гидра схватит камушек на лету и вместе с ним упадет на дно сосуда. Обычная песчинка весит не больше двух миллиграммов, но гидра так слаба, что не в состоянии справиться с подобным грузом.
Почувствовав, что вместо «дичи» в ее щупальцах находится совершенно несъедобный предмет, гидра постарается избавиться от него. Сделать это нелегко, ведь песчинку удерживают сотни стрекательных нитей. Лишь через одну-полторы минуты животное освободится от своей добычи и примет прежнюю позу. Теперь бросим ей вторую песчинку, затем третью, четвертую… Через некоторое время станет заметно, что животное как-то неохотно хватает фальшивую приманку, а затем очень быстро от нее избавляется. Понемногу гидра теряет интерес к охоте и очередную двадцатую или тридцатую песчинку вообще ловить не станет.
Что же произошло с нашим подопытным животным? Ничего особенного. У гидры выработалось привыкание к песчинке, то есть развилась та же реакция, с которой нас уже познакомили инфузории. Не получая удовлетворения от охоты, животные каждый раз все с меньшим энтузиазмом бросались на подкинутую нами приманку и выстреливали в нее все из меньшего числа стрекательных клеток. Вот, кстати, почему гидра все быстрее и быстрее избавлялась от схваченной ею песчинки. Наконец привыкание развилось в полном объеме, и животное прекратило оказавшуюся бесполезной охоту.
То, что у кишечнополостных животных легко вырабатывается привыкание, не удивило ученых. Забегая вперед, скажу, что более развитые животные обычно заимствуют от своих предшественников все важные для жизни приспособления. Не отказались высшие животные и от реакций привыкания. Даже для человека они имеют большое значение. Привыкание позволяет нам, ложась спать, не замечать тиканья стенных часов, а утром, уже через одну-две минуты, переставать ощущать прикосновение к телу только что надетой одежды. Привыкнуть не делать чего-то лишнего способны все без исключения животные. Ученых главным образом интересовало, не удастся ли научить гидру делать что-то новое и полезное. Казалось, что нервная система, имеющаяся у гидры, должна была сделать ее значительно умнее одноклеточных существ.
Для любых животных важно уметь избегать опасности. Этому решили научить и гидру. Ученые постарались, чтобы уроки не были трудными. Над сосудом с гидрой зажигался яркий свет, а через несколько секунд после этого на мгновение включался электрический ток, и через опущенные в воду электроды гидра получала электрический удар. Эта процедура не из приятных. В ответ на раздражение тело гидры сжимается, щупальца втягиваются, и некоторое время она, как бы притаившись, сидит неподвижно. Когда животное приходит в себя, все повторяют снова, и так много раз. В конце концов наступает такой момент, когда одна вспышка света заставляет гидру вздрагивать или сжиматься в комочек.
Создается впечатление, что гидра ведет себя достаточно разумно, разобралась в создавшейся ситуации, запомнила, что вслед за вспышкой света следует удар электрического тока, и теперь, как только зажигается свет, сжимается, чтобы как-то защититься от электричества. Внешне реакции гидры напоминают обычный условный рефлекс. Однако оказалось, что между ними лишь внешнее сходство. Впечатление, будто гидра умное существо, – обманчиво. Ученые заметили, что гидра вздрагивает и сжимается не только при действии света, но и от любого другого воздействия. Хлопнет в комнате дверь, упадет в сосуд с гидрами капля воды, и пожалуйста – испуганные гидры сжались в комочек. Значит, это не условный рефлекс, а просто животные стали более пугливыми. Такое состояние, вероятно, каждому приходилось испытывать. Когда идешь ночью по темному лесу, невольно вздрагиваешь от каждого шороха, на который днем и не обратил бы даже внимания, хотя прекрасно понимаешь, что в наших лесах ни тигры, ни пантеры не водятся. Просто от невольного страха наш мозг настолько возбужден, что любого слабенького дополнительного раздражителя достаточно, чтобы осуществилась оборонительная реакция и человек вздрогнул.
Выработанную у гидр реакцию назвали суммационным рефлексом. Пока шел опыт, животные постепенно возбуждались. Возбуждение от каждого удара электрического тока суммируется с предыдущими, пока не достигнет такой величины, что теперь любое слабое дополнительное воздействие оказывается достаточным, чтобы животное ответило оборонительной реакцией. Такая гидра похожа на переполненный водою кувшин. Стоит влить в него еще ложку жидкости – и вода польется через край. Стоит усилить возникшее у гидры возбуждение – добавить новую порцию, – и оно «выплеснулось» наружу, вызвав оборонительную реакцию животного. Вот почему любой раздражитель заставляет перевозбужденную гидру съеживаться в комочек.
Важнейшая особенность суммационного рефлекса состоит в том, что суммация возбуждения сохраняется очень недолго. Пройдет пять–десять часов, животное успокоится, возбудимость его нервной системы придет в норму, и гидра ни на свет, ни на шум уже не ответит оборонительной реакцией.
Суммационный рефлекс, безусловно, полезен. Если животное постоянно сталкивается с чем-нибудь неприятным, ему нужно быть постоянно к этому готовым. Уж лучше лишний раз испугаться зря, чем неподготовленным столкнуться с чем-нибудь опасным или вредным. Кишечнополостных животных никак не назовешь хорошими учениками, но они все же оказались способнее одноклеточных организмов. Ведь их удалось научить бояться света, сжиматься при каждой его вспышке.
Направо или налево?
Дождевой червь наверняка известен всем. Однако не спешите сказать, что вы знакомы с ним хорошо. Нелепо извивающийся на рыболовном крючке, он здесь совсем не таков, как у себя дома, в норе. Знаете ли вы, например, что это животное, не имеющее даже глаз, ничуть не уступает нам в чувствительности к свету. Взрослый червяк, благодаря светочувствительным клеткам кожи, отвечает оборонительной реакцией на такой слабый свет, который не всегда даже воспринимается человеческим глазом.
Живут дождевые черви в самостоятельно вырытых норках. Для землекопа, не имеющего ни рук, ни ног, это достаточно сложная работа. Единственное орудие труда, заменяющее червю лопату, – его голова, если решиться назвать головой передний конец тела этого животного. Приступая к земляным работам, червь его максимально вытягивает, при этом кончик становится тонким-тонким. Ощупывая им поверхность земли, наш землекоп старается найти хотя бы крохотную щелку, чтобы засунуть туда «голову». Если это удается, начинает работать ударный механизм. Внутри, под мышечным слоем, у червя находится массивная глотка. Она достаточно подвижна, может оттягиваться немного назад и смещаться вперед, двигаясь достаточно быстро. Свою подвижную глотку червь использует как молот. Быстрыми ударами изнутри он старается забить «голову» как можно глубже в землю. Затем сокращением продольной мускулатуры раздувает забитую в почву часть тела, расширяя проделанное отверстие, и вновь вколачивает голову глубже. Так, забивая и раздувая переднюю часть своего тела, червь продвигается дольше и дальше.
Если под натиском червя земля уплотнилась настолько, что не поддается его усилиям, животное меняет тактику. Он отрывает губами маленькие кусочки земли и проглатывает их. В летнюю засуху землекопу приходится смачивать почву своею слюной. Когда пищеварительный тракт полностью заполняется землей, червь пятится назад к поверхности и здесь, у входа в норку, выбрасывает ее. Характерные кучки на поверхности земли выдают присутствие в почве дождевых червей. За сутки каждый червь пропускает через свой кишечник столько земли, сколько весит сам. Если учесть, что на площади в один квадратный километр проживает от пятидесяти миллионов до двух миллиардов дождевых червей, то их работа покажется внушительной – двести–триста тонн земли в сутки! И нужно напомнить, что работа по рыхлению и перемешиванию почвенного слоя крайне полезна. Она способствует увеличению плодородия почвы.
Жизнь дождевого червя однообразна. Все светлое время дня, если, конечно, не случится большого дождя, он сидит в норке, головой к тщательно заткнутому входу. В сумерки подземный житель оживляется, выползает на поверхность, но полностью расстаться со своим домом не решается. Когда хвост в норе, можно мигом удрать от любой опасности. К тому же он не умеет запоминать дорогу домой. Оторвавшись хотя бы ненадолго от своей норы, червяк обрекает себя на необходимость к утру заняться земляными работами по сооружению нового убежища. Поэтому он цепляется задним концом тела за край норки, а передний вытягивает как можно дальше и тщательно обследует все вокруг. Наткнувшись на какой-нибудь предмет, он присасывается к нему губами и тащит в нору. Если крупный камушек, толстую палочку или слишком большой лист затащить не удается, то, недолго помучившись, червь без видимого сожаления его бросает. Зато мелкие камушки мигом оказываются в норе, и хозяин дома вдавливает их в стенку, укрепляя свое жилище.