Wiele organizmów dobrze sobie radzi bez mózgu. Po co więc powstał?

Spośród wszystkich organizmów­ żyjących na Ziemi – od mikroskopijnych bakterii przez kolorowe rośliny po mniej czy bardziej futrzaste zwierzęta – tylko ostatnia grupa potrzebuje mózgu, by rozmnażać się, zdobywać pożywienie lub sprawdzać e-maile. Sam układ nerwowy również nie jest bardzo stary, biorąc pod uwagę ewolucyjną skalę czasu. Szacuje się, że pojawił się wraz z eksplozją kambryjską różnorodnych form zwierząt ponad 500 mln lat temu, a samo życie jest ponad 3 mld lat starsze. Rodzi to szereg pytań. Po pierwsze: dlaczego mózg w ogóle wyewoluował? I jaką korzyść przyniósł zwierzętom? Czy zachowanie zwierząt, które mózg posiadają, różni się diametralnie od zachowania bakterii, roślin lub innych organizmów, które nie mogą pochwalić się nawet pojedynczą komórką nerwową? Czy jesteśmy w stanie zaobserwować zachowania, które zwykle przypisujemy działaniu umysłu, w pojedynczej komórce? Spróbujmy przyjrzeć się, jakie odpowiedzi przynosi nam współczesna nauka.

Sekunda z życia bakterii

Bakterie pobierają niezbędne składniki odżywcze z otoczenia. Żeby to jednak było możliwe, muszą najpierw zlokalizować w swoim środowisku źródło pokarmu. Znajome nam bakterie E. coli, żyjące w naszym układzie pokarmowym, posiadają receptory (białka), które wykrywają różne rodzaje związków chemicznych, takie jak cukry czy aminokwasy. Często jednak źródło tego pokarmu znajduje się w oddali i bakteria się porusza, aby móc skorzystać z odkrytych zasobów.

Dotarcie do celu wymaga zgrania kilku czynników. Po pierwsze, ewolucja wyposażyła bakterię w „narząd ruchu”. E. coli posiada wici, które napędzają komórkę ruchem obrotowym i pozwalają jej poruszać się do przodu. Żeby ten ruch nie był losowy, bakteria musi wykryć źródło pożywienia i skierować się w jego stronę. Do tego służą wspomniane receptory, które dodatkowo odpowiadają za... pamięć. Oczywiście pojedyncza komórka bakterii nie pamięta dwudziestu cyfr po przecinku liczby pi albo co jadła tydzień temu na obiad. Jej środowisko życia jest o wiele mniejsze od naszego, żywot zaś – żałośnie krótki. O wiele krócej mogą trwać więc również jej wspomnienia. W zasadzie bakterii wystarczy wiedzieć, co zdarzyło się sekundę wcześniej, i na tyle właśnie szacuje się jej pamięć. Jeśli ilość wykrytej substancji jest większa teraz niż chwilę temu, to opłaca się kontynuować obrany kurs i posuwać się naprzód.

Eksploracja z wykorzystaniem ekstremalnie krótkiej pamięci nie wydaje się może bardzo efektywna, ale moglibyśmy powiedzieć, że jest wystarczająco dobra dla jednokomórkowca, którego życie spełnia się w przestrzeni może kilkuset mikrometrów. Gdybyśmy spojrzeli na to, jak bakteria dotarła do celu, uznalibyśmy prawdopodobnie, że trafiła na źródło pożywienia przez przypadek. I na to wskazuje też nazwa ruchu bakterii – błądzenie losowe (ang. random walk) – jakby komórka przeszukiwała każde możliwe miejsce z takim samym prawdopodobieństwem i zainteresowaniem. Tak jednak nie jest. Zobaczyliśmy przecież, że arsenał tego miniaturowego organizmu jest całkiem skomplikowany i pozwala na wykrywanie bardziej „faworyzowanych” kierunków (źródła pożywienia). W ten sposób ruch, który jawi nam się jako losowy, w istocie zwiększa szanse bakterii na znalezienie pokarmu. Bakterie mogą więc pamiętać różne wydarzenia i na ich podstawie podejmować decyzje ważne dla ich przetrwania.

Jak ławica ryb

Daniel Wolpert, neurobiolog próbujący zrozumieć, jak uczymy się różnych zdolności manualnych, wysunął hipotezę, że głównym zadaniem mózgu jest kontrolowanie ruchu. Podał przykład morskich stworzeń – żachw – które na pewnym etapie rozwoju osiadają w koloniach i tak przeżywają resztę swej doczesności. Co jednak ciekawe, gdy tylko żachwy przejdą na osiadły tryb życia, tracą część swojego mózgu. To brzmi rozsądnie. Mózg jest energożerny, a więc pochłania mnóstwo zasobów, które trzeba znaleźć w postaci pożywienia i skonsumować. Jeśli zaś mózg zawiadował ruchem tych zwierząt, a osiadłe żachwy już się nie poruszają, to nie ma sensu utrzymywać bezużytecznego organu.

Mózg z pewnością kontroluje ruch – i robi to wyjątkowo sprawnie – ale czy ruch musi być kontrolowany przez mózg? Już przykład mikrometrowej ­bakterii pokazuje, że organizmy mogą poruszać się w wybranych kierunkach bez sygnałów z układu nerwowego – wystarczy odpowiednia maszyneria molekularna, która łączy rozpoznawanie informacji z zewnętrznego świata i narząd lokomocji. Obserwujemy to także u bardziej skomplikowanych organizmów – zwierząt, które nie posiadają nawet jednej komórki nerwowej.

Mowa tu o Trichoplax adhaerens, jednym z trzech gatunków zwierząt należących do typu płaskowców (Placozoa). To proste organizmy o długości milimetra, pod mikroskopem widziane jako poruszająca się chaotycznie masa. Składają się z dwóch warstw komórek, między którymi znajduje się siateczkowate syncytium (cytoplazma posiadająca wiele „uwspólnionych” jąder komórkowych, tak jakby wiele komórek połączyło swoje błony i wymieszało swoje zawartości). Syncytium łączy swoimi „ramionami” obie warstwy. Jedna z powierzchni ­T­richoplax posiada liczne rzęski, dzięki którym płaskowiec się porusza. Według niektórych badaczy siateczkowate syncytium, dzięki swym właściwościom propagacji sygnałów i kurczliwości, przypomina trochę układ nerwowy, ale jednak trudno w pełni przypisać mu funkcję kierowania ruchem płaskowca. A mimo to ten organizm może wyczuwać składniki pokarmowe i wykazywać w ich stronę chemotaksję jak bakteria, czyli migrować w stronę określonego związku chemicznego. Jak to możliwe?

Obraz

Pomyślmy o ławicy ryb w morzu albo stadzie szpaków tworzących w powietrzu fantastyczne kształty. Jak to jest, że te zwierzęta nie wpadają na siebie i poruszają się w skoordynowany sposób? Dlaczego taka grupa szybko się nie rozpadnie? Gdyby każdy członek takiego „niezorganizowanego” stada poruszał się całkowicie chaotycznie, to grupa rzeczywiście rozpłynęłaby się na wszystkie strony, ale wystarczy, że każdy będzie oddziaływał na osobniki w najbliższym otoczeniu, utrzymując i wymuszając pewną odległość, by grupa zachowała uporządkowaną strukturę.

Tysiące rzęsek, na których Trichoplax przemieszcza się po powierzchni, wykazują podobne własności do ławicy ryb pływającej w toni wodnej. Kiedy ­Trichoplax wyczuwa pokarm i chce się do niego zbliżyć, rzęski zaczynają w skoordynowany sposób przemieszczać ciało płaskowca w danym kierunku. Jest to o tyle fascynujące, że w przeciwieństwie do rzęsek innych organizmów wykorzystujących ten sposób lokomocji rzęski płaskowców nie są ze sobą powiązane w żaden sposób (np. przez połączenia szczelinowe, dzięki którym mogłyby się ze sobą komunikować, przekazując sobie różne sygnały). Ich uporządkowany ruch możemy interpretować jako tzw. zachowanie emergentne, tzn. wyłaniające się z prostych reguł rządzących zachowaniem pojedynczych rzęsek, prowadzących wspólnie zwierzę w stronę źródła pokarmu wyczuwanego przez liczne receptory.

Przykłady E. coli oraz Trichoplax sugerują, że organizmy te są w stanie pamiętać, podejmować decyzje i poruszać się, chociaż nie posiadają układu nerwowego, który sterowałby tymi procesami. Rzecz jasna nie jest to coś wyjątkowego – nawet rośliny mogą przemieszczać swoje liście w stronę źródła światła. Skoro jednak te wszystkie organizmy radzą sobie bez mózgów, to warto zapytać, dlaczego tak skomplikowana struktura jak układ nerwowy powstała w trakcie ewolucji? Żeby odpowiedzieć na to pytanie, musimy cofnąć się o setki milionów lat, do momentu, gdy na świecie pojawiły się pierwsze zwierzęta.

Najstarsze ślady ugryzienia

540 mln lat temu zdarzyło się coś, co stanowiło „fundamentalny problem” dla teorii ewolucji drogą doboru naturalnego, jak określił to sam jej autor, Karol Darwin. Według teorii Darwina organizmy miały ewoluować stopniowo, nabywając nowych cech na drodze selekcji naturalnej. A jednak zapis kopalny wskazywał na coś innego, gdyż wiele skamieniałości zaczęło się pojawiać w skałach z tego samego okresu geologicznego. Ta „eksplozja” fauny w konkretnym momencie historii życia na Ziemi mogła wskazywać na jakieś inne zdarzenia, których darwinowski mechanizm miał nie wyjaśniać.

Eksplozja kambryjska, jak nazywamy ten okres w paleobiologii, do dziś stanowi zagwozdkę dla naukowców. Nagle w zapisie kopalnym z kambru, okresu geologicznego, którego początek datuje się na ok. 541 mln lat temu, pojawiła się istna bioróżnorodność organizmów o określonych cechach. U wielu z nich zaobserwowano pierwsze wypustki lub kończyny czy organy, które mogły odpowiadać za wykrywanie bodźców (zmysły). Z kolei odkrycia paleobiologiczne z ediakaru, okresu poprzedzającego kambr, są mniej liczne i nie tak dobrze utrwalone. Wskazują jednak na całkiem inną anatomię tamtych zwierząt, nieposiadających szkieletów czy wielu wyspecjalizowanych tkanek i organów.

Istnieją różne hipotezy, skąd pojawiły się nowe specjalizacje u kambryjskich organizmów. Są one dla nas o tyle istotne, że wydają się powiązane z powstaniem układu, który zaczął to wszystko kontrolować – mózgu. Przyjmuje się, że ediakarańskie zwierzęta żywiły się głównie poprzez filtrowanie zawiesiny pływającej w wodzie. W okresie przejściowym między ediakarem a kambrem obserwujemy jednak coś nowego. Np. w pochodzących sprzed ok. 550 mln lat skamieniałościach Cloudina, zwierząt tworzących rurkowate struktury, pojawiają się dziurki w ich zwapniałym ciele, które musiały powstać z powodu czynników zewnętrznych i nie były częścią anatomii tych organizmów. Paleobiolodzy Stefan Bengtson i Yue Zhao zinterpretowali to jako pierwsze ślady, które mogą świadczyć o tym, że zwierzęta zaczęły zjadać się nawzajem. Inaczej mówiąc, w środowisku pojawiły się drapieżniki.

A to oznacza, że organizmy musiały zacząć się bronić, jeśli chciały uniknąć marnego końca. Ewolucja zaczęła faworyzować te jednostki, które wykształciły różnego rodzaju mechanizmy obronne. Jednym z nich były szkielety i pancerze wzmacniające zewnętrzne partie ciała. Przykładem tego jest właśnie grupa ­Cloudina, której przedstawiciele dzięki zwapniałemu pancerzykowi mogli prawdopodobnie uniknąć bycia zjedzonym. Musiały też pojawić się nowe reakcje obronne i metody wykrywania zagrożenia. Stąd wykształciły się i wyspecjalizowały zmysły, jak oczy u trylobitów. Drapieżniki nie pozostały dłużne – selekcja naturalna preferowała nowe cechy, które pomagały w polowaniu. Był to więc wyścig zbrojeń, w którym drapieżnik i ofiara walczyli o przetrwanie.

Myśl, że to drapieżnictwo zapoczątkowało eksplozję kambryjskiej ­bioróżnorodności, jest bardzo kusząca. Jak pokazują różne analizy, drapieżnictwo ma istotny wpływ na bioróżnorodność i może wprowadzić „twórczy” czynnik, powodujący powstawanie nowych zachowań i gatunków. Z naszej perspektywy interesujące jest to, że zwierzęta filtrujące z ediakaru mogły być spokojne o swój byt, nic im nie zagrażało. Kambryjskie organizmy stały się zaś smakowitym kąskiem, musiały więc o wiele szybciej reagować na niebezpieczne sygnały. Jak tego dokonać? W tym właśnie pomóc mogły komórki, które pozwalały na synchronizację i szybkie przekazywanie sygnałów między różnymi częściami organizmu. Im szybciej organizm zareaguje, tym większą ma szansę uciec przed zagrożeniem lub się przed nim bronić. Ale podobnie możemy powiedzieć o drapieżniku – musi on wybrać odpowiedni moment na atak. Jeśli zaatakuje za wcześnie lub za późno, ofiara może się zorientować lub być już w innym miejscu. Układ nerwowy mógł więc pomóc w podejmowaniu decyzji, jak i w synchronizowaniu ruchów ciała, umożliwiających coraz bardziej złożone zachowanie.

Jednostka dowodząca

Być może nigdy z całkowitą pewnością nie będziemy w stanie rozstrzygnąć, jak i dlaczego powstała tkanka nerwowa. Wiele gatunków zwierząt, które pomogły nam na te pytania odpowiedzieć, bezpowrotnie zniknęło z powierzchni Ziemi i nie odnajdziemy nawet ich szczątków. Pozostają nam poszlaki, np. w postaci różnych śladów na skamieniałościach czy skałach, które interpretuje się jako pełzanie ediakariańskich organizmów lub ataki kambryjskich drapieżców. Jasne zaś wydaje się, iż układ nerwowy i mózg już na samym początku swego istnienia przynosiły korzyści posiadającym go zwierzętom. Sprawniejsze przekazywanie informacji między regionami ciała, a co za tym idzie szybsza ucieczka (i atakowanie), jak i po prostu poruszanie się organizmów sprawiły, że mózg na dobre zadomowił się w królestwie zwierząt.

Mimo że obecnie wykorzystujemy go do innych zadań, warto pamiętać o dalekich korzeniach naszych zdolności poznawczych. Czy sięgają już naszych jednokomórkowych przodków? To kusząca narracja i wcale nie jest pozbawiona sensu. Każdemu wedle potrzeb. Zachowanie bakterii wymaga czegoś innego niż zachowanie zwierzęcia, ale opiera się często na tych samych mechanizmach – od poszukiwania pożywienia po podejmowanie decyzji. W którymś momencie ewolucji okazało się, że dla większych organizmów przydatna stała się scentralizowana jednostka dowodząca – mózg.

Potrzeby, za których spełnianie mózg odpowiada, wcale jednak nie różnią się bardzo od tego, co wielkokomórkowy i bezmózgi płaskowiec zapewnia sobie skoordynowanym ruchem tysiąca rzęsek. Dróg do celu – przetrwania – jest wiele, a ewolucja może zaskakiwać na wiele sposobów. Pozwala nawet na pojawienie się siedliska milionów myśli, zdolnego budować mosty i tworzyć kulturę. I na dostrzeżenie ławicy ryb pod mikroskopem, gdy spoglądamy na chaotycznego płaskowca. ©