Способность ощущать: психическая жизнь растений и червей

Последняя книга Чарлза Дарвина, вышедшая в 1881 году, была посвящена изучению скромного земляного червя. Главная тема была исчерпывающе отражена в названии: «Образование растительного слоя земли деятельностью дождевых червей и наблюдения над их образом жизни». В ней описывается решающая роль червей, которые из-за своей огромной численности в течение многих миллионов лет облагородили почву, изменив тем самым облик нашей планеты.

«Не следует забывать, думая о той мощи, какую явили черви, перетирая в пыль каменные частички, что есть весомые доказательства того, что на каждом акре земли, которая достаточно влажна и не слишком богата песком, камнями и скальными породами, где трудно обитать червям, приблизительно десять тонн земли ежегодно проходит через их тела и выносится ими на поверхность. Результат такой деятельности на территории, равной Великобритании за период не слишком долгий с геологической точки зрения, не может быть незначительным».

Однако вступительные главы посвящены – просто и без затей – «обычаям» и «привычкам» червей. Черви могут различать свет и тьму, долго пребывают под землей, где находятся в безопасности в течение светлого времени суток. У червей нет ушей, но если они глухи к колебаниям воздуха, то очень чувствительны к вибрации, передаваемой землей, то есть к вибрациям от шагов приближающегося животного. Все эти ощущения, замечает Дарвин, передаются в скопление нервных клеток (он называл его церебральным ганглием) в голове червя.

«Если червя внезапно осветить, – писал Дарвин, – то он, словно кролик, сразу бросается в свою норку». Сначала он думал, будто это движение является чисто рефлекторным, но вскоре понял, что поведение червя можно модифицировать. Например, если червь чем-то отвлечен, то он и не отреагирует на свет.

Дарвин считал, что способность видоизменять ответы указывала на «присутствие своего рода разума». Он также писал о «разумных качествах» червей, имея в виду их поведение у входа в норку, заметив, что «если червь способен судить… поднеся предмет ко входу в норку, о том, как наилучшим образом его туда втащить, это значит, что он может оценить общие контуры данного предмета». Эти наблюдения привели Дарвина к идее, что черви заслуживают, чтобы их называли разумными существами, поскольку они действуют, как люди, оказываясь в таких же ситуациях».

В детстве я много играл с дождевыми червями в нашем саду, а позднее использовал их в своих экспериментах, но больше всего любил гулять по берегу моря. Особенно привлекали меня лужи, оставшиеся после прилива. Это раннее, лирически окрашенное отношение к красоте простых морских животных сформировалось под влиянием учителя биологии и наших с ним поездок на морскую биологическую станцию в Милпорте, на юго-западе Шотландии, где мы исследовали огромное разнообразие беспозвоночных морских животных Кембрия. Я был так взволнован этими поездками в Милпорт, что хотел и сам стать морским биологом.

Если книга Дарвина о дождевых червях была одной из моих самых любимых, то такой же интерес у меня вызывала и вышедшая в 1885 году книга Джорджа Джона Романеса «Медузы, морские звезды и морские ежи: исследования примитивной нервной системы» с описаниями простых, однако любопытных экспериментов, и снабженная великолепными иллюстрациями. Для Романеса, молодого друга и ученика Дарвина, морской берег являлся источником очарования и пристального внимания, а целью ученого было изучение того, что он считал поведенческим «разумом» этих беспозвоночных созданий.

Я был увлечен стилем книги Романеса. (Лучшие свои опыты по изучению психики и нервной системы он провел, по его словам, «в лаборатории, устроенной на берегу, в крошечном деревянном домике, открытом всем морским ветрам».) Было, однако, ясно, что исследования Романеса были направлены на выявление корреляции между устройством нервной системы беспозвоночных и их поведением. Он говорил о своей работе как о «сравнительной психологии», по аналогии со сравнительной анатомией.

В 1850 году Луи Агассис пришел к заключению, что медуза Bougainvillea обладает развитой нервной системой, а к 1883 году Романес продемонстрировал наличие у нее индивидуальных нервных клеток числом около тысячи. Простыми опытами – перерезкой определенных нервов, надрезами зонтика или визуальным исследованием срезов тканей – он доказал, что медуза использует как автономные, локальные механизмы, зависящие от нервных «сетей», так и координированную центральными механизмами активность, управляемую циркулярным «мозгом», расположенным по периметру зонтика.

В 1884 году Романес уже включил рисунки индивидуальных нервных клеток и скоплений нервных клеток, или ганглиев, в свою книгу «Ментальная эволюция у животных». «В животном царстве, – писал Романес, —

нервная ткань неизменно присутствует у всех видов, расположенных не ниже гидроидных полипов. Самое низшее животное, у которого до сих пор удалось обнаружить нервную ткань, это медузы, и, начиная с них, присутствие нервной ткани неизменно у всех расположенных выше в таксономической иерархии животных. У каких бы видов мы ее ни наблюдали, фундаментальное строение всегда одинаково, будь то у медуз, устриц, насекомых, птиц или человека, мы всегда распознаем ее более или менее сходные структуры».

В то же самое время, когда Романес препарировал медуз и морских звезд в своей прибрежной лаборатории, молодой Зигмунд Фрейд, страстный дарвинист, работал у венского физиолога Эрнста Брюкке. Задачей Фрейда было сравнение нервных клеток позвоночных и беспозвоночных животных, в частности, примитивных позвоночных (Petromyzon, миног) с нервными клетками беспозвоночного (речного рака). В науке того времени господствовало убеждение, что элементы нервной системы беспозвоночных радикально отличаются от позвоночных животных, но Фрейду удалось показать и проиллюстрировать тщательно выполненными рисунками, что нервные клетки рака сходны по строению с нервными клетками миноги и, более того, человека.

Он понял то, что до него не понимал никто: тело нервной клетки и ее отростки – дендриты и аксоны – составляют основные строительные блоки и сигнальные единицы нервной системы. Эрик Кандель в своей книге «В поисках памяти» рассуждает о том, что если бы Фрейд остался в фундаментальной науке, а не ушел в медицину, то, вероятно, сегодня мы бы знали его как одного из основоположников учения о нейронах, а не как основателя психоанализа.

Несмотря на то, что нейроны могут различаться по форме и размерам, они, по сути, одинаковы и у самых примитивных животных, и у самых высокоразвитых. Разные виды существуют из-за разницы в организации нервной системы: например, у людей сто миллиардов нервных клеток, а у медузы их всего тысяча. Но как нервные клетки, способные быстро и неоднократно разряжаться, они одинаковы и у нас, и у медуз.

Важная роль синапсов – соединений между нервными клетками, где происходит модулирование импульсов, делающее организмы гибкими и способными на различные формы поведения, – была изучена в конце девятнадцатого века выдающимся испанским анатомом Сантьяго Рамон-и-Кахалем, который исследовал под микроскопом нервные системы множества позвоночных и беспозвоночных животных, и англичанином Чарлзом Шеррингтоном. Именно Шеррингтон придумал термин «синапс» и доказал, что синапсы могут быть возбуждающими и тормозными.

Однако в восьмидесятые годы девятнадцатого века, несмотря на труды Агассиса и Романеса, ученые все же считали, что медуза – не более чем пассивно плавающая масса щупалец, готовая ужалить и пожрать все, что попадается ей на пути, – этакая разновидность морской росянки.

Но медуз едва ли можно назвать пассивными. Тело их ритмично сокращается, причем согласованно, а это требует наличия центральной, задающей ритм, системы, которая запускает каждый импульс. Медуза может менять направление движения и глубину погружения, многие виды активно «ловят рыбу», для чего на мгновение выворачиваются наизнанку, выбрасывая сеть щупальцев, а затем снова принимают обычную форму с помощью восьми органов равновесия, чувствительных к силе земного тяготения. Если эти органы удалить, медуза теряет способность ориентироваться и контролировать положение своего тела в воде. Будучи укушенной рыбой или подвергнувшись опасности, медуза быстро уплывает прочь – следует серия быстрых мощных пульсаций зонтика, которые отбрасывают медузу от источника опасности. В такие моменты у медуз активируются особые, очень крупные и потому быстро реагирующие нейроны.

Особый интерес вызывает пользующаяся дурной славой среди ныряльщиков кубомедуза (морская оса). Это одно из самых примитивных животных, имеющих полностью развитые глаза, которые не очень сильно отличаются от наших. Биолог Тим Фланнери писал о кубомедузах:

«Они активно охотятся на средних рыб и ракообразных и могут передвигаться со скоростью до шести метров в минуту. Это единственный вид медузы со сложными глазами, снабженными сетчаткой, роговицей и хрусталиками. У них есть мозг, способный к обучению, запоминанию и формам целенаправленного поведения».

Как и все высшие животные, мы обладаем двусторонней симметрией, у нас есть головной конец, содержащий мозг, и предпочтение в направлении движения – вперед. Нервная система медузы, как и само это животное, имеет радиальную симметрию и может показаться менее сложной по сравнению с мозгом млекопитающих, однако ее нервная система вполне заслуживает названия мозга, так как делает медузу способной к сложному адаптивному поведению и координирует деятельность всех чувствительных и двигательных механизмов. Можно ли в случае медузы говорить о разуме (как говорил Дарвин в отношении дождевых червей), зависит от того, что мы вкладываем в это понятие.

* * *

Мы умеем отличать растения от животных. Понимаем, что растения в большинстве своем неподвижны, укоренены в земле, устремляют к небесам зеленые листья, а питательные вещества получают под действием солнечного света из воздуха и из почвы. Животные, наоборот, подвижны, перемещаются с места на место по земной поверхности, питаются растениями или другими животными, отличаются разнообразным видовым поведением. Растения и животные развивались, следуя по абсолютно различным путям эволюции (грибы выбрали третий путь), и обладают совершенно разными формами и образом жизни.

Тем не менее Дарвин настаивал на том, что растения и животные ближе друг к другу, чем кажется. Свою идею он подкреплял тем, что насекомоядные растения используют для движений электричество так же, как животные, и, следовательно, мы можем говорить о растительном электричестве с не меньшим основанием, чем об электричестве животном. Но «растительное» электричество движется медленно, со скоростью едва ли более дюйма в секунду, в чем можно убедиться, наблюдая за мимозой, листки которой один за другим закрываются при прикосновении к ним. «Животное» электричество, возникающее в нервах, движется по ним со скоростью в тысячу раз больше.

Передача сигналов между нервными клетками зависит от электрохимических изменений, от потока электрически заряженных атомов внутрь и вне клетки через специализированные, высокоспецифичные мембранные поры или «каналы». Эти ионные потоки формируют электрические токи, импульсы – потенциалы действия, – которые передаются (прямо или косвенно) от одной клетки к другой, как у растений, так и у животных.

Растения больше зависят от кальциевых ионных каналов, они вполне подходят для их относительно медленного темпа жизни. Как утверждает Дэниел Чамовиц в своей книге «Тайные знания растений», растения способны регистрировать то, что мы назвали бы видами, звуками, тактильными сигналами, и многое другое. Растение «знает», что делать, оно «помнит». Но, не имея нейронов, растения обучаются не так, как животные, вместо нейронов они опираются на различные химические вещества и на то, что Дарвин называл приспособлениями. Программы всех этих приспособлений закодированы в геноме растения, и, между прочим, геномы растений подчас превышают по объему геном человека.

Кальциевые ионные каналы, с помощью которых функционируют растения, не способны генерировать быстрые или повторяющиеся межклеточные сигналы. Возникший потенциал действия не может быть повторен много раз с малыми интервалами, чтобы обеспечить скорость движения, с какой дождевой червь «бросается… в свою норку». Скорость требует присутствия таких ионов и ионных каналов, какие могут открываться и закрываться за несколько миллисекунд, что позволяет нервной клетке генерировать сотни потенциалов действия в одну секунду. Этими волшебными ионами являются ионы натрия и калия, они способствовали появлению быстро реагирующих на раздражение мышц, нервных клеток, а также сделали возможной модуляцию нервных импульсов в синапсах. Благодаря им организмы приобрели способность к обучению, накоплению опыта, суждениям и, наконец, к мышлению.

Эта новая форма жизни – животная жизнь, возникшая, вероятно, 600 миллионов лет назад, обладала великими преимуществами, и они до неузнаваемости изменили облик нашей планеты. Во время так называемого кембрийского взрыва, который с замечательной точностью датирован временем, отстоящим от нас на 542 миллиона лет, появились новые типы живых существ, каждое со своим планом строения. Они возникли в течение миллиона лет – в мгновение ока с точки зрения геологии. Некогда мирные докембрийские моря превратились в джунгли, кишевшие охотниками и жертвами, обретшими невероятную подвижность. В то время как некоторые животные, например губки, утратили свои нервные клетки и регрессировали в вегетативное состояние, другие, особенно хищники, развили у себя сложные органы чувств, способность к памяти и разум.

Сейчас мы испытываем трепетное восхищение, вспоминая о Дарвине, Романесе и других биологах своего времени, которые искали разум, ментальные процессы, рассудок и даже сознание у таких примитивных животных, как медузы и простейшие. Через несколько десятилетий появился радикальный бихевиоризм, отказавший в реальности всему, что нельзя было продемонстрировать объективно, отрицавший, в частности, любые реакции, происходящие в промежутке между стимулом и ответом. Бихевиоризм считал их несущественными или недоступными научному исследованию.

Такое ограничение или редукция на самом деле облегчили изучение стимулов и ответов, с выработкой условных рефлексов или без нее, и именно знаменитые исследования Павлова на собаках позволили формализовать как «сенситизацию» и «габитуацию» то, что Дарвин наблюдал на червях.

Конрад Лоренц в «Основах этологии» писал: «Дождевой червь, который только что избежал участи быть съеденным черным дроздом, на самом деле получил добрый совет реагировать с очень низким порогом на подобные стимулы, потому что можно не сомневаться: птица будет неподалеку следующие несколько секунд». Это снижение порога, или, «сенситизация», является элементарной формой обучения, пусть даже не ассоциативного и относительно кратковременного. Соответственно, подавление ответа, или «габитуация», возникает, когда повторяются незначимые стимулы, которые можно безопасно игнорировать.

Через несколько лет после смерти Дарвина было доказано, что даже одноклеточные организмы, такие как простейшие, могут демонстрировать адаптивные ответы. В частности, Герберт Спенсер Дженнингс продемонстрировал, что крошечное, похожее на рупор одноклеточное существо инфузория-трубач имеет в своем репертуаре пять различных реакций на прикосновение, и если они оказываются неэффективными, простейшее меняет свое местоположение. Однако если к трубачу прикоснуться еще раз, он не совершает промежуточных шагов, а сразу уплывает в другое место. У простейшего одноклеточного животного произошла «сенситизация» к вредоносному стимулу; проще говоря, он «запомнил» свой негативный опыт и научился вести себя соответственно, хотя длительность этого запоминания не превышает нескольких минут. Если же инфузорию-трубача трогать очень нежно, он в конце концов перестает реагировать на безвредные действия – у него происходит «габитуация».

Дженнингс описал свои работы с парамециями и инфузориями-трубачами в вышедшей в 1906 году книге «Поведение низших организмов». В ней он тщательно избегал субъективизма и не употреблял менталистические человеческие аналогии в описании поведения простейших, но, несмотря на это, включил в книгу потрясающую главу, в которой описывает поведение простейших как «разумные» действия.

Дженнингс понимал, что мы, люди, неохотно приписываем какие-либо качества разума и сознания простейшим, поскольку они очень малы:

«После долгого изучения поведения этого организма автор убедился в том, что если бы амеба была крупным животным, если бы она стала предметом повседневного человеческого опыта, то по ее поведению мы смогли бы определить, в каком состоянии она пребывает и что она испытывает – голод, вожделение, удовольствие, боль и так далее, – и мы могли бы судить об этом так же верно, как судим о состояниях, например, собаки».

Ви́дение Дженнингсом весьма понятливой амебы размером с собаку до карикатурности противоположно представлению Декарта о собаках. Он полагал, что они напрочь лишены всякой чувствительности и их можно заживо вскрывать без всякой жалости, поскольку крики их – лишь рефлекторная реакция квазимеханического свойства.

«Сенситизация» и «габитуация» очень важны для выживания всех живых организмов. Эти элементарные формы обучения являются весьма короткоживущими – в основном не более нескольких минут – у простейших и растений; более долговременные требуют наличия нервной системы.

Во времена господства бихевиоризма ученые обращали мало внимания на клеточные основы поведения – на истинную роль нервных клеток и их синапсов. Исследования, проведенные на млекопитающих, например на гиппокампальных системах памяти крыс, были связаны с почти непреодолимыми техническими трудностями из-за малых размеров и большой плотности расположения нейронов. Трудности бы все равно оставались, даже если бы удалось зарегистрировать электрическую активность одной-единственной клетки, поддерживая ее жизнедеятельность в течение всего эксперимента.

Столкнувшись с такими проблемами в своих анатомических исследованиях в начале двадцатого века, Рамон-и-Кахаль – первый из выдающихся микроанатомов нервной системы, – обратился к изучению более простых систем на материале молодых особей, эмбрионов и беспозвоночных (насекомых, ракообразных, головоногих и других). По этой же причине Эрик Кандель, в шестидесятые годы прошлого века приступив к изучению клеточных основ памяти и обучения, принялся искать животное с простой и доступной для исследования нервной системой. Он остановил свой выбор на гигантском морском огурце аплизии; у нее всего двадцать тысяч нейронов, распределенных в десяти ганглиях по 2000 нейронов в каждом. Нейроны аплизии отличаются большими размерами, некоторые из них даже видны невооруженным глазом и связаны между собой фиксированными анатомическими связями.

Кэнделя нисколько не смутило то обстоятельство, что аплизия – слишком простое животное для изучения памяти. Как не смутил и скептицизм коллег – такой же, как в свое время испытал на себе Дарвин, когда говорил о признаках разума у дождевых червей. «Я начал мыслить как биолог, – пишет Кандель, вспоминая свое решение работать с аплизией. – Рассудил, что все животные обладают какой-то формой ментальной жизни, отражающей строение их нервной системы».

Так же как Дарвин наблюдал рефлекс избегания у червей и изучал его усиление или ослабление в различных ситуациях, Кандель исследовал защитный рефлекс у аплизии, которая отдергивает мантию при прикосновении. Эта реакция может быть выражена в разной степени. Регистрируя активность и иногда раздражая нервные клетки и синапсы абдоминального ганглия, управляющего этими реакциями, Кандель доказал, что кратковременная память и кратковременное обучение, играющие роль в «сенситизации» и «габитуации», зависят от функциональных изменений в синапсах, а долговременная память, которая может сохраняться несколько месяцев, связана со структурными изменениями в синапсах. (Ни в первом, ни во втором случае не происходило перестройки нейронных цепей.)

В семидесятые годы, когда в науку были внедрены новые технологии и концепции, Кандель и его коллеги дополнили электрофизиологические исследования изучением биохимических основ памяти и обучения. «Мы хотели проникнуть в молекулярную биологию ментальных процессов, установить, какие молекулы отвечают за формирование кратковременной памяти». За этим, в частности, последовало изучение ионных каналов и нейротрансмиттеров, участвующих в работе синапсов. Это был монументальный труд, увенчавшийся в 2000 году вручением Кэнделю Нобелевской премии.

Если аплизия обладает всего двадцатью тысячами нейронов, распределенных по ганглиям, рассеянным по телу, то у насекомых может быть до миллиона нервных клеток, сосредоточенных в головном мозге, и, несмотря на его крошечные размеры, насекомые способны на настоящие когнитивные подвиги. Так пчела безошибочно распознает цвета, запахи и геометрические фигуры в лабораторных условиях, а также умеет приспосабливаться к их изменениям. И конечно, пчелы проявляют себя настоящими виртуозами в дикой природе и в наших садах, где они не только различают цветы по цвету и запаху, но и запоминают их местоположение, о котором сообщают другим пчелам своего улья.

Было даже показано, что одно из общественных насекомых, оса, может распознавать «лица» других ос. Распознавание «лиц» всегда считалось привилегией млекопитающих, и меня приводит в восторг тот факт, что у насекомых также хватает когнитивных способностей узнавать друг друга в «лицо».

Мы часто думаем о насекомых как о крошечных автоматах – жестко запрограммированных роботах. Но в последнее время накапливается все больше данных о том, что насекомые умеют запоминать, обучаться и общаться между собой сложными и совершенно неожиданными способами. Разумеется, большая часть этих навыков «встроена», но многое зависит и от индивидуального опыта.

Как бы ни обстояли дела у насекомых, совершенно иная ситуация сложилась с такими гениями среди беспозвоночных, как головоногие моллюски, представленные осьминогами, каракатицами и кальмарами. Для начала надо сказать, что нервная система этих животных обладает внушительным объемом – у осьминога до полумиллиарда нервных клеток, распределенных между головным мозгом и его «рукавами» (для сравнения: у мыши 75—100 миллионов нейронов). Мозг осьминога – в высшей степени упорядоченная структура, в нем существуют десятки функционально отличающихся друг от друга долей. Кроме того, у осьминога есть отвечающие за обучение и память системы, сходные с аналогичными системами млекопитающих.

Головоногие не только быстро обучаются различать геометрические формы и предметы, но и учатся на наблюдениях. Раньше считалось, что это присуще только птицам и млекопитающим. Головоногие обладают поразительной способностью к маскировке и могут сигнализировать о своих сложных эмоциях изменением окраски и текстуры кожи.

В своей книге «Путешествие натуралиста вокруг света на корабле “Бигль”» Дарвин писал о том, как оказавшийся в луже после прилива осьминог пытался общаться с ним – сначала исподволь наблюдая, затем проявляя любопытство и даже игривость. Осьминоги поддаются одомашниванию, и их владельцы часто разделяют их чувства, ощущая со своими питомцами ментальную и эмоциональную близость. Часто спорят о том, нужно ли в отношении головоногих использовать слово «сознание». Но если некоторые допускают, что сознание есть у собак, причем довольно сильно развитое, то можно предположить его наличие и у осьминога.

Природа использовала по меньшей мере два разных способа создания головного мозга, но на самом деле их почти столько же, сколько на свете типов животных. Разум в разной степени возник во всех типах животных, несмотря на биологическую пропасть, отделяющую их друг от друга, а их всех – от нас.