Mózg na zimno: Jak daleko można zajść bez mózgu?

Jest taki komiks: z wody wychodzą zwierzęta. Każde reprezentujące kolejny etap ewolucji kręgowców. Każde z nich myśli tylko „jeść, przetrwać, zreprodukować się”. Każde – poza stojącym z przodu człowiekiem, który pyta w zamyśleniu „O co w tym wszystkim chodzi?”. Uważam to za bardzo dobrą ilustrację prostego faktu: z czasem, oprócz działania, pojawia się refleksja.

Naukowczynie i naukowcy zajmujący się mózgiem zdziałali bardzo wiele. Odkryli, jak mózg generuje sygnały i jak jego aktywność przekłada się na zachowania. Zgromadziliśmy ogromne zasoby wiedzy na temat tego, jak kontroluje ruch, postrzega świat i pomaga zwierzętom w poszukiwaniu pożywienia, przetrwaniu i reprodukcji. Wiemy już też niemało na temat tego, co może z nim dziać się nie tak i w jaki sposób przekłada się to na zaburzenia psychiczne u ludzi.

Mózg w powszechnej opinii stanowi niejako centrum zarządzania organizmem. Neurobiolodzy i neurobiolożki swoją dziedzinę uważają często za odpowiednik dwudziestowiecznej fizyki, kluczową gałąź nauki, która przyniesie nam najważniejsze odkrycia w najbliższym stuleciu.

A jednak od kilku lat coraz częściej na konferencjach, w publikacjach i książkach spotykam się z fundamentalnymi pytaniami: Po co nam mózg? Dlaczego w ogóle wyewoluował? Jaką przewagę dawał nad organizmami, które go nie miały? To kwestie nie tak oczywiste, jak mogłoby się wydawać. A odpowiedź na nie może pozwolić lepiej zrozumieć istotę naszych badań.

Wykłady o zachowaniach zwierząt często zaczynam od pytania „Czym jest zachowanie?”. Gdy wyłoni się mniej lub bardziej spójna definicja, zadaję kolejne: „Jakie organizmy mogą wykazywać zachowania?”. Pierwsza odpowiedź jest prawie zawsze ta sama: „Zwierzęta! One mogą się zachowywać – umożliwia im to złożony układ nerwowy”. Prawie zawsze jednak po chwili pojawia się ktoś, kto dopowie: „Rośliny! Grzyby! Bakterie!”. I wszystko to jest prawdą.

Bakterie to pierwsi przedstawiciele złożonego życia na Ziemi. Są jednocześnie dosyć proste: to pojedyncze, zazwyczaj maleńkie komórki, których czas życia wynosi nieraz nie więcej niż pół godziny. Mają mały genom, znacznie mniej złożony niż ten roślin czy zwierząt. A jednak bakterie wykazują zachowania całkiem złożone. Taka żyjąca w naszym organizmie Escherichia coli potrafi np. poszukiwać źródeł pożywienia. Za pomocą specjalnego mechanizmu molekularnego mierzy poziom stężenia substancji odżywczych wokół siebie, zapamiętuje go, po czym przemieszcza się i za jakiś czas dokonuję kolejnego pomiaru. Jeśli on wykaże większe stężenie – co oznacza, że jedzenia wokół jest więcej, a źródło pokarmu się zbliża – będzie dalej płynąć w tym kierunku. Jeśli jednak okaże się, że stężenie w międzyczasie spadło, wykonuje zwrot i porusza się w inną stronę. Mamy tu – w bardzo podstawowej formie – zachowania znane nam z bardziej skomplikowanych organizmów: nawigację, pamięć i podejmowanie decyzji. Wszystkie te działania odbywają się bez jakiegokolwiek układu nerwowego – opierają się na molekularnej maszynerii znajdującej się wewnątrz komórki i sygnałach chemicznych.

To imponujące, jednak bakterie są znacznie ograniczone. Są niewielkie, przez co trudno im aktywnie przemieszczać się w środowisku – lepkość wody sprawia, że robią to tak, jak człowiek próbujący chodzić w głębokim po kolana syropie. Ich mały genom sprawia, że repertuar kodowanych przez geny receptorów umożliwiających reakcję na różne bodźce środowiskowe, jest stosunkowo niewielki. Wiele zachowań ma też duże wymagania metaboliczne, a zdolność produkowania energii w małej komórce bakteryjnej jest mała. Bakterie też – jak wspomniałem – żyją na tyle krótko, że bardziej skomplikowane formy pamięci nie mają w ich przypadku sensu.

Gdzieś między 2,7 a 1,8 mld lat temu doszło do serii wydarzeń, które doprowadziły do wyłonienia się nowej grupy organizmów, tzw. eukariontów, do których należymy my, rośliny i grzyby. Pierwsze również były organizmami jednokomórkowymi. Różniły się jednak znacząco od swoich bakteryjnych poprzedników: były większe, miały bardziej złożony genom i dużo bardziej rozwinięte formy generowania sygnałów elektrycznych.

Znany nam ze szkoły pantofelek, czyli Paramecium caudatum, jest ponad sto razy większy od bakterii E. coli. Czyni go to rekinem naszych stawów i sadzawek: jest w stanie pokonać opór stawiany przez lepkość wody i aktywnie pływać oraz polować na bakterie. Może też łatwiej unikać zagrożeń: przy zderzeniu z większym obiektem, wykonuje błyskawiczny w tył zwrot i odpływa. Tu jednak ujawnia się problem: komórka pantofelka jest na tyle duża, że czysto chemiczne mechanizmy, oparte de facto o dryfujące w jej środku białka, są zbyt powolne. Potrzeba nowego mechanizmu do koordynowania pracy całej komórki. I tu pojawiają się sygnały elektryczne!

Za pomocą specjalnych kanałów jonowych pantofelek może przy zderzeniu wygenerować sygnał elektryczny, który błyskawicznie przepływa z przodu komórki na jej tył i sprawia, że rzęski wzdłuż całej jego błony zaczynają bić w odwrotnym kierunku. Jest błyskawiczny i umożliwia koordynację pracy wielu elementów w organizmie.

Jednokomórkowe eukarionty wykazują też nieco bardziej złożone formy pamięci. Przykładem jest trębacz, jednokomórkowiec kształtem przypominający – uwaga, niespodzianka – trąbkę. Jeśli go podrażnimy, np. szturchając pipetką, ten gwałtownie się skurczy, co jest formą uniku. Jeśli jednak będziemy powtarzać tę procedurę wielokrotnie, przestanie na nią reagować.

Nie brzmi to spektakularnie i może w niczym nie przypominać pamięci, jaka jest udziałem człowieka, ale zjawisko to – zwane habituacją – uważane jest za jedną z jej podstawowych form. Organizm musi przechowywać informację o poprzednich doświadczeniach (w tym wypadku – szturchnięciach), aby zmienić swoją odpowiedź (analogicznie jak ludzie, którzy np. po jakimś czasie przebywania w mieście zaczyna ignorować jego szum). Mechanizm tego procesu u jednokomórkowców jest jeszcze nieznany. Może on mieć naturę chemiczną, ale prawdopodobne jest, że stać za nim mogą też procesy elektryczne. Komórki eukariotyczne, w przeciwieństwie do bakteryjnych, zawierają wiele wewnętrznych przedziałów otoczonych błoną. Umożliwiają one – niczym malutkie baterie – gromadzenie ładunków. Prostą formą pamięci może być więc stopniowe ładowanie takiej baterii pod wpływem doświadczeń i wyzwolenie mechanizmu, gdy ładunek przekracza określoną wartość.

Jednokomórkowe eukarionty, choć posiadają bogatszy repertuar zachowań, są jednak ciągle poddane wielu ograniczeniom. Jednokomórkowiec przypomina jednoosobową firmę, której właściciel jest odpowiedzialny za wszystko: sprzedaż, marketing czy finanse. Komórka pantofelka musi wykonywać wiele zadań jednocześnie: odbierać bodźce z otoczenia, analizować je i generować ruch, przez co nie może się wyspecjalizować w jednej rzeczy.

Na pewnym etapie ewolucji jednokomórkowce zaczęły się ze sobą łączyć, tworząc pierwsze organizmy wielokomórkowe. Początkowo były to raczej zbitki komórek, których przewagą było to, że trudniej było je skonsumować potencjalnym drapieżnikom. Z czasem jednak koordynacja między komórkami się pogłębiała. I zaczęła pojawiać się specjalizacja.

Na czym polegała? Komórki podzieliły się pracą. Wykształciła się np. grupa komórek sensorycznych, których głównym zadaniem było wykrywanie określonych bodźców – światła czy różnych substancji chemicznych. Inne wyszkoliły się w generowaniu ruchu za pomocą rzęsek. Specjalizacja umożliwiła komórkom wykonywanie zadania znacznie lepiej i dokładniej, nie musiały bowiem troszczyć się o nic innego.

Powstał jednak problem: takim systemem trzeba jakoś koordynować, podobnie jak pracą małego choćby przedsiębiorstwa. Mniejsze organizmy wielokomórkowe, takie jak płaskowce – bardzo proste, nieposiadające układu nerwowego zwierzęta – robią to za pomocą sygnałów chemicznych. Komórki sensoryczne mogą – po wykryciu np. źródła pokarmu – wysłać sygnał chemiczny do komórek wyposażonych w rzęski i skierować organizm w kierunku jedzenia. Jak już jednak wiemy, metoda ta jest dosyć powolna – wystarcza, póki wielokomórkowiec nie osiągnie odpowiednio dużego rozmiaru, który czyni komunikację chemiczną niewydolną.

A to nie jedyny kłopot. Wraz z rozwojem wielokomórkowców pojawiło się coraz więcej organizmów, które wyspecjalizowało się w polowaniu na inne. Dna oceanów w okolicach kambru (ok. 500 mln lat temu) zaczęły zapełniać się drapieżnikami (efekty ich działań możemy obserwować na skamielinach z tamtego okresu). Dla potencjalnych ofiar coraz bardziej liczył się zatem czas reakcji. I w tym mniej więcej okresie gwałtownie rozwinął się układ nerwowy: komórki wykształciły między sobą połączenia, które umożliwiają błyskawiczne przekazywanie impulsów. Dzięki nim od wykrycia zagrożenia do reakcji upływało zdecydowanie mniej czasu, a zwierzę zyskało dużo większą szansę na przetrwanie.

Dość długo jednak w ewolucji zwierząt nie możemy mówić o mózgu. Na przykład żyjące do dziś meduzy miały początkowo jedynie coś, co naukowcy nazywają siatką nerwową, bez wyraźnej centralizacji. Spełniała ona swoją funkcję – umożliwiała koordynację pracy organizmu i szybkie reakcje.

O wyjątkowości mózgu mówimy jednak najczęściej w kontekście zdolności poznawczych: umiejętności uczenia się złożonych rzeczy, postrzegania skomplikowanych zależności czy planowania ruchów. To wszystko nie jest możliwe, jeśli układ nerwowy jest nieduży i mało skomplikowany. I choć niektóre parzydełkowce, takie jak kostkowce, potrafią się uczyć, ich zdolności są dalekie od tego, co potrafią znane nam zwierzęta.

W prostym świecie prostota wystarczy. Problem w tym, że na pewnym etapie ewolucji świat zaczął stawać się bardziej skomplikowany. Przez miliony lat dno oceanów było jednolitą, pokrytą bakteriami płaską przestrzenią. W niej zdolność do nawigacji czy pamięć przestrzenna nie ma specjalnego zastosowania – żerujące na bakteriach gatunki mogą znaleźć je wszędzie wokół.

Żyjące na dnie zwierzęta przez bardzo długi okres zmieniały swoje środowisko, kopiąc dołki czy drążąc tunele w poszukiwaniu schronienia. Zjawisko to – bioturbacja – wedle wielu naukowców doprowadziło do drastycznych zmian w krajobrazie dna oceanu. Stał się on dużo bardziej różnorodny. Tam zaś, gdzie pojawia się zróżnicowane środowisko, zaczyna przydawać się zdolność do nawigowania w nim, zapamiętywania lokalizacji, w których można znaleźć pokarm lub napotkać drapieżniki.

To, a także coraz bardziej wyrafinowane strategie drapieżników, mogło być kluczową presją, która doprowadziła do powstania scentralizowanego mózgu. Umieszczenie wielu komórek nerwowych w jednym miejscu jest bowiem strategią bardzo opłacalną. Przekazywanie impulsów elektrycznych jest kosztowne energetycznie, jeśli zaś neurony znajdują się blisko siebie, koszt ten ulega redukcji. Co więcej, u większości zwierząt centralny układ nerwowy znajduje się bardzo blisko kluczowych narządów zmysłów, takich jak wzrok, słuch czy węch, co także skraca drogę między odbiorem bodźca a jego interpretacją.

Mózg umożliwił zwierzętom przeprowadzanie złożonych analiz tego, co dzieje się w środowisku. Dzięki niemu zwierzę może oszacować np., jak daleko znajduje się drapieżnik i jaka jest szansa na ucieczkę, rozpoznać wielu typów drapieżników i wybrać stosowną reakcję. A także nawigować w środowisku, znajdować miejsca i zapamiętywać je. Wszystko to w bardzo szybki i wydajny sposób.

Jest jeszcze jeden czynnik, który ma wyraźne znaczenie w ewolucji złożonego mózgu: zachowania społeczne. Zwierzęta żyjące w grupach mają często mózgi znacznie większe. Przykładem są hominidy, ale podobny efekt obserwujemy u ryb – największy mózg w stosunku do masy ciała wśród ryb chrzęstnoszkieletowych mają płaszczki. Ciągle nie wiemy dużo o ich zachowaniach, ale dowiedzieliśmy się już np., że żyją w grupach, które wydają się stabilne. To dobra pamięć umożliwia m.in. rozpoznawanie osobników, przechowywanie informacji o interakcjach z nimi, a złożone zdolności poznawcze umożliwiają przewidywanie ich zachowań i podejmowanie decyzji, z kim współpracować, a z kim nie.

Wyjście na ląd podkręciło wspomniane wyżej presje. Otoczenie stało się jeszcze bardziej zróżnicowane, pojawiły się nowe szanse i nowe zagrożenia.

Ta wycieczka przez pierwsze etapy ewolucji mózgu była próbą odpowiedzi na pytanie, dlaczego układ nerwowy w ogóle wyewoluował. I, jak widzimy, odpowiedzi jest wiele – umożliwił szybką koordynację pracy większych organizmów, sprawił, że reakcje na bodźce stały się dużo szybsze, a z czasem pozwolił na coraz bardziej złożone odpowiedzi na to, co dzieje się wokół.

Dlaczego jednak to podstawowe pytanie ma znaczenie dla tych, których nie interesują uczące się pierwotniaki albo meduzy uciekające przed drapieżnikami? Dlaczego ktoś, kto zajmuje się percepcją wzrokową u ludzi, miałby w ogóle się nad tym wszystkim zastanawiać?

Sięgnięcie do korzeni umożliwia nam głębszą refleksję na temat tego, czym mózg w ogóle jest. Przez długi czas myślano o nim jako o komputerze, który odbiera dane z otoczenia, analizuje je, podejmuje decyzje i wybiera określoną reakcję. Długo jednak pomijano to, co – jak napisałem – stanowi kluczową funkcję mózgu: jego wpływ na koordynację pracy całego organizmu. Obecnie się to wyraźnie zmienia – coraz częściej badamy to, jak mózg współpracuje z narządami wewnętrznymi, np. układem pokarmowym (pojawia się coraz więcej – nie zawsze dobrej jakości – badań nad interakcjami między florą bakteryjną jelita a układem nerwowym). Obiektem zainteresowania staje się też relacja między budżetem energetycznym organizmu a układem nerwowym. Okazuje się choćby, że mózg obniża nieco jakość niektórych swoich aktywności, gdy zwierzę jest głodne. A to ma ciekawe implikacje: eksperymentatorzy badający różne procesy muszą brać pod uwagę to, czy zwierzę jest najedzone, czy nie – inaczej ich wyniki mogą być zniekształcone.

Równie ważny jest drugi wniosek: dzięki refleksji nad początkami układu nerwowego neurobiologia zdała sobie sprawę, że zachowania to coś więcej niż mózg. Skoro organizmy jednokomórkowe – ale także grzyby czy pozbawione mózgu wczesne zwierzęta – wykazują całkiem złożony repertuar zachowań i są w stanie się uczyć, być może powinniśmy rozszerzyć nasze rozumienie zdolności poznawczych na inne organizmy. Teoria ta, nazywana po angielsku basal cognition, zakłada, że jest to pewne spektrum, obecne u wszystkich organizmów żywych. Niektórzy zaczynają sięgać do jednokomórkowych organizmów – takich jak pantofelki – i wykorzystywać je jako organizmy modelowe dla zachowań bardziej skomplikowanych stworzeń.

Ewolucyjna historia pozwala nam też lepiej zrozumieć funkcjonowanie różnych obszarów mózgu. Jedna z hipotez dotycząca ewolucji hipokampa – struktury związanej z pamięcią i nawigacją w przestrzeni – zakłada, że nawigacja była u pierwszych lądowych kręgowców początkowo silnie powiązana z węchem. Hipokamp ewoluował zatem w tandemie z układem węchowym. Ten związek zaś rzuca światło na liczne obserwacje poczynione na temat jego funkcji – choćby fakt, że jego aktywność jest skorelowana z rytmem naszego oddechu. Być może także to, że zapachy przywołują wspomnienia – jak w przypadku słynnej magdalenki we „W poszukiwaniu straconego czasu” Marcela Prousta – ma swoje korzenie w tej ewolucyjnej historii.

Nadal o wczesnej ewolucji mózgu wiemy niewiele. Wyciągamy wnioski z danych pochodzących ze skamielin oraz dzięki porównywaniu ze sobą różnych grup zwierząt. Naukowcy próbują też znaleźć organizmy modelowe, których układ nerwowy przypominałby jak najbliżej najwcześniejsze ewolucyjnie układy. Jednym z takich organizmów jest larwa pierścienicy Platynereis dumerilii. Tak naprawdę jednak trudno stwierdzić, które z jej cech wykształciły się dopiero później w ewolucji.

Badania jednak trwają. I dzięki nim być może dowiemy się któregoś dnia, o co w tym wszystkim chodzi.