Вернемся к нашему первоначальному определению памяти как физиологического механизма получения и сохранения организмом «осмысленной» информации о среде и своем положении в среде. Этот тип памяти возник на базе реакций организма на действие среды, что определило возможные формы ее проявления.
1. В наиболее простом случае память связана с механизмом задержки ответной реакции на действие факторов среды. Феномен отложенной реакции может возникнуть при использовании медленных метаболических процессов через, например, метаботропные рецепторы в противовес более быстрым, осуществляющимся с помощью ионотропных рецепторов. Чаще однако этот феномен связан с задержкой экспрессии того или иного гена в результате включения в транскрипционную сеть репрессорных модулей. Дальше мы дадим примеры.
2. Другая форма памяти связана с поддержанием внутриклеточного процесса в отсутствии внешнего фактора, индуцировавшего этот процесс. Для этого могут использоваться разные внутриклеточные механизмы, так или иначе связанные с регуляторными возможностями организма. Один из них основан на работе метаболических и транскрипционных сетей, регулируемых по типу положительной обратной связи. Допустим, что некоторый фактор запускает через клеточные рецепторы последовательность внутриклеточных реакций, включающих работу генов. Если среди промежуточных реагентов окажется вещество, катализирующее одну из начальных реакций нашей последовательности, то в этом случае наш метаболический цикл будет продолжать работать, сохраняя память о внешнем факторе, запустившем транскрипцию гена. В качестве примера можно привести недавнее исследование на ооци-тах шпорцевой лягушки (Xiong, Ferrell, 2003). Кратковременное гормональное действие прогестерона на незрелое яйцо Xenopus ведет к его необратимой дифференциации. Более 30 различных веществ вовлечены в этот процесс, но два энзима, фосфорилирующие белки, являются ключевыми: Cdc2 и МАРК. Эти киназы входят в параллельно работающие метаболические пути, каждый из которых в состоянии активировать другой. МАРК действует положительно на Cdc2, инактивируя ингибитор последнего Mitl. С другой стороны Cdc2 содействует накоплению белка Mos, который активирует МАРК-каскад. Существенно, что синтез белка Mos запускается МАРК-киназой, так что МАРК-киназа и Mos образуют вторую петлю положительной обратной связи. Аналогично метаболическим сетям, памятью данного типа обладают транскрипционные сети, имеющие многоуровневые циклы положительной обратной связи (о метаболических и транскрипционных сетях см. Колчанов и др., 2004; Babu et al., 2004; Barabasi, Oltvai, 2004). Будучи сложными системами, сети обладают инерцией. Это означает, что при изменении условий существования (например, в опытах по длительным модификациям) морфологическое состояние организма, отвечающее этим новым условиям установится лишь через некоторое число поколений. Переходные процессы к новому морфологическому состоянию, характеризующиеся затухающими периодическими, апериодическими или вырожденными трансгенерационными изменениями признаков, будут характеризовать динамику потери памяти о прошлом морфотипе. Явление памяти в сетях в части молекулярных составляющих еще слабо изучено. О сетях мы говорили в главе 8. Поэтому здесь заострим внимание на анализе других лучше известных молекулярных механизмах памяти.
3. Важнейшим механизмом формирования памяти является модификация нуклеиновых кислот и белков. Ключевое значение, в частности, принадлежит изменению хроматина. Эти случаи следует отличать от других, в которых аналогичную роль играют цитоплазменные белки. Изменения хроматина часто наследуемы, как при размножении клеток, так и трансгенерационно. Эти случаи выделяют в понятии эпигенетической наследственности. Последнюю обычно определяют как неканоническую форму наследственности, осуществляющую передачу информации в ряду поколений независимо от последовательности ДНК. Здесь мы принимаем более широкую трактовку, понимая под эпигенетическими мейотически или митотически наследуемые изменения в экспрессии генов, которые не кодируются самой последовательностью ДНК, или в другой формулировке — не связаны с изменениями в ДНК-последовательности (см., например, Wolffe, Matzke, 1999; Pray, 2004). Как уже было сказано, наследственность часто рассматривают в качестве одной из форм памяти. Поэтому вместо эпигенетической наследственности нередко используют словосочетание «эпигенетическая память». Основания для этого есть. При делении клетки должны «помнить» и передать дочерним клеткам информацию о работающих и неработающих генах, т.е. об их эпигеноме — динамическом состоянии генома. Данный тип «памяти», связаный с поддержанием изменений в экспрессии генов, называют транскрипционной (Levine et al., 2004).
Ламарк о памяти
Ламарк рассмотрел концепцию памяти в третьей части Философия зоологии. По нему «... Память, является способностью тех органов, которые участвуют в умственной деятельности. Воспоминания о предмете или о какой-нибудь мысли — вот в чем проявляется эта способность». Ламарк не останавливается на этом и идет дальше, пытаясь уяснить возможные физиологические механизмы памяти. По Ламарку, воспринимаемые животным, способным чувствовать, и человеком картины внешнего мира запечатлеваются в нервной ткани в виде каких-то ее изменений, образов или следов воспринимаемого: «Представления, которые мы образуем на основе ощущений, а также представления, приобретенные нами благодаря актам мышления, — не что иное, как образы, или характерные следы, запечатлевшиеся, т.е. оставившие более или менее глубокий отпечаток в какой-либо части нашего органа ума». Природа этих следов не ясна, да и само их существование многими во времена Ламарка ставилось под сомнение. «Без сомнения, — писал Ламарк — чрезвычайно трудно понять, каким способом различные воздействия оставляют отпечатки в виде представлений, и вовсе невозможно обнаружить что-либо в мозгу, что указывало бы на существование этих отпечатков. Но не в праве ли мы видеть причину этого в чрезмерной тонкости этих отпечатков и в ограниченности наших возможностей их обнаружить? Да и можно ли вообще утверждать, что все, что не поддается наблюдению человека, не существует в действительности? Для нас в этом отношении достаточно, что память является верным ручательством существования этих отпечатков в том органе, в котором совершаются ее акты». Из приведенного отрывка видно, что Ламарк подходил к проблеме памяти как материалист. Если память существует, значит должны быть ее материальные свидетельства. Сравним с аналогичным заключением современных авторов (Ginsburg, Jablonka, 2008): «Связь между воздействием и ответной реакцией запоминается (memorized). Под запоминанием мы имеем в виду сохранение некоторых физических следов этой реакции». Природа следов памяти не ясна, но как материалист Ламарк должен был видеть в них материальное изменение нервной ткани, поскольку, как пишет он дальше, эти следы способны соответствующим образом изменить поток нервного флюида, чтобы запечатленное в них прошлое всплыло в памяти. О материальной природе следов начал говорить еще Аристотель: «Ощущение есть то, что способно принимать форму чувственно воспринимаемых предметов без их материи, подобно тому, как воск принимает оттиск печати без железа и без золота». Аналогия с оттиском печати, конечно, не продвигает нас к лучшему пониманию материальной стороны следов памяти. В последние годы, однако, природа следов, их дифференциальная характеристика, связанная с разными формами научения, и локализации по конкретным структурам мозга стала проясняться, о чем будет сказано дальше. Воспоминание о прошлом обусловлено, по Ламарку «действием нервного флюида», который «проходя по запечатлевшимся следам того или иного ранее полученного представления приобретает особое, соответствующее данному представлению движение и передает результат этого движения внутреннему чувству индивидуума». Чтобы пояснить свою мысль Ламарк приводит следующий пример. «Допустим, что какой-нибудь предмет, например, прекрасное здание, охваченное и пожираемое на наших глазах пламенем, произвел на нас очень сильное впечатление. И вот, спустя некоторое время мы в состоянии отчетливо вызвать в памяти картину пожара, не имея ее перед глазами... Что же происходит при этом акте? Наше внутреннее чувство, приводя в движение нервный флюид, направляет его в нашем органе ума по следам, оставленным ощущением, полученным от зрелища пожара. Движение нашего нервного флюида, видоизмененное под влиянием прохождения по этим следам, передается немедленно нашему внутреннему чувству, и начиная с этого момента картина пожара становится для нас ощутимой всякий раз, когда мы хотим ее вызвать в памяти». Во время сна, когда внутреннее чувство не регулирует движение флюидов, возможно их беспорядочное возбуждение, обусловленное случайными причинами (например, затруднением пищеварения) и проявляющееся в сновидениях. «Таким образом, сновидения — заключает Ламарк — раскрывают нам механизм памяти, подобно тому, как память объясняет нам механизм образования представлений». Нервный флюид соответствует у Ламарка нервному возбуждению: «...при всяком ощущении нервный флюид движется в направлении от точки, подвергшейся воздействию, к центру отношений, тогда как при всяком воздействии, которое приводит в движение мышцы или действует на органы при выполнении ими их функций, тот же нервный флюид, являющийся в этом случае возбудителем, движется в противоположном направлении». Существенно, что Ламарк понимал нервный флюид как материальный поток, способный меняться не только от изменений нервной ткани, но и в зависимости от нашего психического состояния. «Наши склонности и даже страсти оказывают [влияние] на наше внутреннее чувство, вынужденное вследствие этого придавать движениям нашего нервного флюида иное направление, нежели то, которое оно сообщило бы ему, если бы не было этого влияния...». Внутреннее чувство представляет у Ламарка достаточно широкую категорию структур головного мозга. Его можно соотнести с центральными отделами анализаторов. Оно развито у животных, способных чувствовать, т.е. имеющих нервную систему и способных к движениям под действием внутренних стимулов. Животные, лишенные нервной системы (инфузории, губки) способны к движениям лишь под действиям внешних стимулов. Внутреннее чувство определяет склонности и важнейшую из них — «склонность избегать состояния неблагополучия» (Ламарк, 1959). Состояние неблагополучия обусловлено тем, что не удовлетворяется та или иная потребность: «... каждая потребность, до тех пор, пока она не удовлетворена, создает состояние неблагополучия...». «...это смутное, но реальное чувство неблагополучия ... приводит его [индивидуум] в состояние возбуждения. Удовлетворяя эту склонность, индивидуум испытывает чувство огромного благополучия...». Три ламарковских понятия — следы памяти, нервный флюид и внутреннее чувство — требуют современного прочтения. Об этом мы будем говорить в следующих разделах главы.
Явления памяти можно классифицировать по разным основаниям. С точки зрения механизмов формирования памяти можно говорить о реактивных и активных процессах. Это деление в законченной форме было разработано в трудах Петра Кузьмича Анохина (1898-1974) и его учеников (см. Анохин, 1975; Швырков, 1978; Александров, 2003, 2006). В части анализа активных процессов все их внимание было сконцентрировано на психофизиологии человека. Здесь нас более будут интересовать животные и другие группы эукариот. Поэтому мы в ином ключе и под другим ракурсом будем рассматривать проблему поведенческой активности организмов. Реактивность есть прямая реакция организма на действие факторов среды. Применительно к явлениям памяти речь может идти о такой реакции организма на действие среды, которая осуществляется не сразу за действием стимула, но откладывается до нужного или благоприятного момента. Эта отсрочка опосредуется определенными молекулярными механизмами, которые собственно и составляют материальную основу реактивных форм памяти. Активная форма ответа организма на действие среды представляет собой двухфазовый процесс. В качестве первой реакции на внешний стимул последний сначала интерпретируется, сообразно сложившимся ранее целевым установкам. С учетом этого в качестве второго шага формируется поведенческая активность организма, имеющая, таким образом, вторичный характер. Это означает, что реакция организма в ее специфической форме, по существу, индуцируется не внешним сигналом, но этими целевыми установками. Важнейшая роль в формировании целевых установок принадлежит памяти, которая выступает в качестве интегратора разнообразных сигналов. Эту категорию памяти называют ассоциативной, поскольку она дает возможность улавливать и запоминать связи вещей и явлений. Способность «образования знания, уловления нормальной связи вещей» отмечал у животных и И.П. Павлов (1935) незадолго перед своей смертью. На ассоциативности основано активное запоминание и отдельных событий, поскольку те сопряжены с ситуационными сигналами (информацией о местоположении, окружающей обстановке и т.д.), которые в организме находят выражение в ассоциативных связях клеток (в частности нейронов). Более того, благодаря нейронным связям возможно воспроизведение памяти о целом по частичному восприятию этого целого: возбуждение отдельного нейрона автоматически приведет к возбуждению всего комплекса нейронов, задействованных в формировании запомненного образа. Поэтому организм не столько реагирует на тот или иной внешний сигнал, но действует, причем разными способами в зависимости от ситуационной активации памяти. Физиологические реакции, выражающиеся в подвижности организма, составляют основу его поведения. Активные процессы начали формироваться у многоклеточных животных и достигли своего наивысшего развития у человека. Напротив реактивные процессы являются характерной чертой всех живых организмов, и охватывают широкий спектр механизмов формирования памяти. При всем различии активных и реактивных процессов молекулярную основу памяти как в том, так и в другом случаях составляет посттрансляционная модификация белков. По этому признаку различные формы памяти не различаются. По функциям и механизмам различают две категории реактивной памяти. Одна обслуживает процессы роста и развития организма (транскрипционная память), другая связана с двигательной активностью организма (реактивным поведением). В основе обеих лежат процессы модификации белков, в первом случае хроматиновых, во втором — цитоплазменных. Из последних наиболее изучено метилирование мембранных белков. При хемотаксисе движение одноклеточных организмов вдоль градиента вещества (аттрактанта или репеллента) обычно регулируется через работу двух сенсоров, в передней и задней части клетки, которые воспринимают различия в концентрациях соответствующих веществ. Бактерии имеют слишком мелкие клетки, чтобы использовать этот сенсорный механизм для определения направления градиента. Поэтому они выработали особый механизм, основанный на сравнении состояния среды в данный момент времени с предшествующим. Сообразно этому, через определенный промежуток времени бактерия (например, Escherichia coli) прерывает свое поступательное движение, делает кувырок, оценивая направление градиента, и далее снова двигается поступательно до следующего кувырка (Webre et al., 2003). Чтобы оценить градиент бактерия должна помнить, какой была концентрация вещества во время предыдущей «остановки». Механизм памяти связан с уровнем метилирования хемотаксических рецепторов, передающих сигнал на гистидинкиназу CheA (Webre et al., 2003; Szurmant, Ordal, 2004). Эта последняя у E. coli фосфорилирует регуля-торный белок, который связывается с моторными белками жгутиков и содействует изменению направления движения. Высокий уровень аттрактанта (например, глутамата, серина, рибозы, галактозы) ингибирует CheA, но одновременно повышает уровень метилированности рецепторов, что в свою очередь активирует CheA, снимая постепенно ингибирующий эффект. Это восстановление активности CheA идет тем дольше, чем выше концентрация аттрактанта. Если при очередной остановке бактерии концентрация аттрактанта снизилась, то восстановление активности CheA произойдет быстрее и бактерия сменит направление. Аналогичным образом можно рассмотреть поведение бактерии при низкой концентрации аттрактанта и вытекающей из этого высокой активности CheA. Здесь только надо иметь в виду, что от активности CheA зависит скорость деметилирования рецепторов. Для уяснения более точной и строгой картины смотри две обобщающие работы: Mello et al., 2004; Szurmant, Ordal, 2004. Хемотаксис у бактерий, не имеющих жгутиков и передвигающихся, например, с помощью скользящих движений, как это имеет место у миксобактерии Myxococcus xanthus, осуществляется посредством той же системы метилируемых рецепторов, передающих сигнал через гистидинкиназы на регуляторный белок. Система памяти, описанная выше, принадлежит к большому классу двухкомпонентных сигнальных цепей, который широко представлен у прокариот. Передача сигнала в этих цепях связана с фосфорилированием остатка гистидина. Система, таким образом, включает рецептор с гистидинкиназной активностью и связанный с рецептором регуляторный белок, фосфорилирование которого включает различные внутриклеточные процессы. Аналогичные двухкомпонентные системы известны у грибов (S. cerevisiae, N. crassa) и слизевика D. discoideum, у которых они значимы в процессах осморегуляции, а также у растений. У последних рецепторы двухкомпонентных систем представлены фитохромами, осмосенсорами, рецепторами для цито-кина и этилена (Loomis et al., 1997). Процессы клеточной памяти являются, видимо, изначальным свойством (клеточных) организмов. Не случайно, микробиологи говорят о наномозге бактерий (Webre et al., 2003). Однако специфика животных связана с развитием у них специализированных клеток (нервных), важнейшая функция которых заключается в том, чтобы держать в «памяти» все более или менее устойчивые и важные для организма сигналы внешней среды.
1. В наиболее простом случае память связана с механизмом задержки ответной реакции на действие факторов среды. Феномен отложенной реакции может возникнуть при использовании медленных метаболических процессов через, например, метаботропные рецепторы в противовес более быстрым, осуществляющимся с помощью ионотропных рецепторов. Чаще однако этот феномен связан с задержкой экспрессии того или иного гена в результате включения в транскрипционную сеть репрессорных модулей. Дальше мы дадим примеры.
2. Другая форма памяти связана с поддержанием внутриклеточного процесса в отсутствии внешнего фактора, индуцировавшего этот процесс. Для этого могут использоваться разные внутриклеточные механизмы, так или иначе связанные с регуляторными возможностями организма. Один из них основан на работе метаболических и транскрипционных сетей, регулируемых по типу положительной обратной связи. Допустим, что некоторый фактор запускает через клеточные рецепторы последовательность внутриклеточных реакций, включающих работу генов. Если среди промежуточных реагентов окажется вещество, катализирующее одну из начальных реакций нашей последовательности, то в этом случае наш метаболический цикл будет продолжать работать, сохраняя память о внешнем факторе, запустившем транскрипцию гена. В качестве примера можно привести недавнее исследование на ооци-тах шпорцевой лягушки (Xiong, Ferrell, 2003). Кратковременное гормональное действие прогестерона на незрелое яйцо Xenopus ведет к его необратимой дифференциации. Более 30 различных веществ вовлечены в этот процесс, но два энзима, фосфорилирующие белки, являются ключевыми: Cdc2 и МАРК. Эти киназы входят в параллельно работающие метаболические пути, каждый из которых в состоянии активировать другой. МАРК действует положительно на Cdc2, инактивируя ингибитор последнего Mitl. С другой стороны Cdc2 содействует накоплению белка Mos, который активирует МАРК-каскад. Существенно, что синтез белка Mos запускается МАРК-киназой, так что МАРК-киназа и Mos образуют вторую петлю положительной обратной связи. Аналогично метаболическим сетям, памятью данного типа обладают транскрипционные сети, имеющие многоуровневые циклы положительной обратной связи (о метаболических и транскрипционных сетях см. Колчанов и др., 2004; Babu et al., 2004; Barabasi, Oltvai, 2004). Будучи сложными системами, сети обладают инерцией. Это означает, что при изменении условий существования (например, в опытах по длительным модификациям) морфологическое состояние организма, отвечающее этим новым условиям установится лишь через некоторое число поколений. Переходные процессы к новому морфологическому состоянию, характеризующиеся затухающими периодическими, апериодическими или вырожденными трансгенерационными изменениями признаков, будут характеризовать динамику потери памяти о прошлом морфотипе. Явление памяти в сетях в части молекулярных составляющих еще слабо изучено. О сетях мы говорили в главе 8. Поэтому здесь заострим внимание на анализе других лучше известных молекулярных механизмах памяти.
3. Важнейшим механизмом формирования памяти является модификация нуклеиновых кислот и белков. Ключевое значение, в частности, принадлежит изменению хроматина. Эти случаи следует отличать от других, в которых аналогичную роль играют цитоплазменные белки. Изменения хроматина часто наследуемы, как при размножении клеток, так и трансгенерационно. Эти случаи выделяют в понятии эпигенетической наследственности. Последнюю обычно определяют как неканоническую форму наследственности, осуществляющую передачу информации в ряду поколений независимо от последовательности ДНК. Здесь мы принимаем более широкую трактовку, понимая под эпигенетическими мейотически или митотически наследуемые изменения в экспрессии генов, которые не кодируются самой последовательностью ДНК, или в другой формулировке — не связаны с изменениями в ДНК-последовательности (см., например, Wolffe, Matzke, 1999; Pray, 2004). Как уже было сказано, наследственность часто рассматривают в качестве одной из форм памяти. Поэтому вместо эпигенетической наследственности нередко используют словосочетание «эпигенетическая память». Основания для этого есть. При делении клетки должны «помнить» и передать дочерним клеткам информацию о работающих и неработающих генах, т.е. об их эпигеноме — динамическом состоянии генома. Данный тип «памяти», связаный с поддержанием изменений в экспрессии генов, называют транскрипционной (Levine et al., 2004).
Ламарк о памяти
Ламарк рассмотрел концепцию памяти в третьей части Философия зоологии. По нему «... Память, является способностью тех органов, которые участвуют в умственной деятельности. Воспоминания о предмете или о какой-нибудь мысли — вот в чем проявляется эта способность». Ламарк не останавливается на этом и идет дальше, пытаясь уяснить возможные физиологические механизмы памяти. По Ламарку, воспринимаемые животным, способным чувствовать, и человеком картины внешнего мира запечатлеваются в нервной ткани в виде каких-то ее изменений, образов или следов воспринимаемого: «Представления, которые мы образуем на основе ощущений, а также представления, приобретенные нами благодаря актам мышления, — не что иное, как образы, или характерные следы, запечатлевшиеся, т.е. оставившие более или менее глубокий отпечаток в какой-либо части нашего органа ума». Природа этих следов не ясна, да и само их существование многими во времена Ламарка ставилось под сомнение. «Без сомнения, — писал Ламарк — чрезвычайно трудно понять, каким способом различные воздействия оставляют отпечатки в виде представлений, и вовсе невозможно обнаружить что-либо в мозгу, что указывало бы на существование этих отпечатков. Но не в праве ли мы видеть причину этого в чрезмерной тонкости этих отпечатков и в ограниченности наших возможностей их обнаружить? Да и можно ли вообще утверждать, что все, что не поддается наблюдению человека, не существует в действительности? Для нас в этом отношении достаточно, что память является верным ручательством существования этих отпечатков в том органе, в котором совершаются ее акты». Из приведенного отрывка видно, что Ламарк подходил к проблеме памяти как материалист. Если память существует, значит должны быть ее материальные свидетельства. Сравним с аналогичным заключением современных авторов (Ginsburg, Jablonka, 2008): «Связь между воздействием и ответной реакцией запоминается (memorized). Под запоминанием мы имеем в виду сохранение некоторых физических следов этой реакции». Природа следов памяти не ясна, но как материалист Ламарк должен был видеть в них материальное изменение нервной ткани, поскольку, как пишет он дальше, эти следы способны соответствующим образом изменить поток нервного флюида, чтобы запечатленное в них прошлое всплыло в памяти. О материальной природе следов начал говорить еще Аристотель: «Ощущение есть то, что способно принимать форму чувственно воспринимаемых предметов без их материи, подобно тому, как воск принимает оттиск печати без железа и без золота». Аналогия с оттиском печати, конечно, не продвигает нас к лучшему пониманию материальной стороны следов памяти. В последние годы, однако, природа следов, их дифференциальная характеристика, связанная с разными формами научения, и локализации по конкретным структурам мозга стала проясняться, о чем будет сказано дальше. Воспоминание о прошлом обусловлено, по Ламарку «действием нервного флюида», который «проходя по запечатлевшимся следам того или иного ранее полученного представления приобретает особое, соответствующее данному представлению движение и передает результат этого движения внутреннему чувству индивидуума». Чтобы пояснить свою мысль Ламарк приводит следующий пример. «Допустим, что какой-нибудь предмет, например, прекрасное здание, охваченное и пожираемое на наших глазах пламенем, произвел на нас очень сильное впечатление. И вот, спустя некоторое время мы в состоянии отчетливо вызвать в памяти картину пожара, не имея ее перед глазами... Что же происходит при этом акте? Наше внутреннее чувство, приводя в движение нервный флюид, направляет его в нашем органе ума по следам, оставленным ощущением, полученным от зрелища пожара. Движение нашего нервного флюида, видоизмененное под влиянием прохождения по этим следам, передается немедленно нашему внутреннему чувству, и начиная с этого момента картина пожара становится для нас ощутимой всякий раз, когда мы хотим ее вызвать в памяти». Во время сна, когда внутреннее чувство не регулирует движение флюидов, возможно их беспорядочное возбуждение, обусловленное случайными причинами (например, затруднением пищеварения) и проявляющееся в сновидениях. «Таким образом, сновидения — заключает Ламарк — раскрывают нам механизм памяти, подобно тому, как память объясняет нам механизм образования представлений». Нервный флюид соответствует у Ламарка нервному возбуждению: «...при всяком ощущении нервный флюид движется в направлении от точки, подвергшейся воздействию, к центру отношений, тогда как при всяком воздействии, которое приводит в движение мышцы или действует на органы при выполнении ими их функций, тот же нервный флюид, являющийся в этом случае возбудителем, движется в противоположном направлении». Существенно, что Ламарк понимал нервный флюид как материальный поток, способный меняться не только от изменений нервной ткани, но и в зависимости от нашего психического состояния. «Наши склонности и даже страсти оказывают [влияние] на наше внутреннее чувство, вынужденное вследствие этого придавать движениям нашего нервного флюида иное направление, нежели то, которое оно сообщило бы ему, если бы не было этого влияния...». Внутреннее чувство представляет у Ламарка достаточно широкую категорию структур головного мозга. Его можно соотнести с центральными отделами анализаторов. Оно развито у животных, способных чувствовать, т.е. имеющих нервную систему и способных к движениям под действием внутренних стимулов. Животные, лишенные нервной системы (инфузории, губки) способны к движениям лишь под действиям внешних стимулов. Внутреннее чувство определяет склонности и важнейшую из них — «склонность избегать состояния неблагополучия» (Ламарк, 1959). Состояние неблагополучия обусловлено тем, что не удовлетворяется та или иная потребность: «... каждая потребность, до тех пор, пока она не удовлетворена, создает состояние неблагополучия...». «...это смутное, но реальное чувство неблагополучия ... приводит его [индивидуум] в состояние возбуждения. Удовлетворяя эту склонность, индивидуум испытывает чувство огромного благополучия...». Три ламарковских понятия — следы памяти, нервный флюид и внутреннее чувство — требуют современного прочтения. Об этом мы будем говорить в следующих разделах главы.
Реактивные формы памяти
Явления памяти можно классифицировать по разным основаниям. С точки зрения механизмов формирования памяти можно говорить о реактивных и активных процессах. Это деление в законченной форме было разработано в трудах Петра Кузьмича Анохина (1898-1974) и его учеников (см. Анохин, 1975; Швырков, 1978; Александров, 2003, 2006). В части анализа активных процессов все их внимание было сконцентрировано на психофизиологии человека. Здесь нас более будут интересовать животные и другие группы эукариот. Поэтому мы в ином ключе и под другим ракурсом будем рассматривать проблему поведенческой активности организмов. Реактивность есть прямая реакция организма на действие факторов среды. Применительно к явлениям памяти речь может идти о такой реакции организма на действие среды, которая осуществляется не сразу за действием стимула, но откладывается до нужного или благоприятного момента. Эта отсрочка опосредуется определенными молекулярными механизмами, которые собственно и составляют материальную основу реактивных форм памяти. Активная форма ответа организма на действие среды представляет собой двухфазовый процесс. В качестве первой реакции на внешний стимул последний сначала интерпретируется, сообразно сложившимся ранее целевым установкам. С учетом этого в качестве второго шага формируется поведенческая активность организма, имеющая, таким образом, вторичный характер. Это означает, что реакция организма в ее специфической форме, по существу, индуцируется не внешним сигналом, но этими целевыми установками. Важнейшая роль в формировании целевых установок принадлежит памяти, которая выступает в качестве интегратора разнообразных сигналов. Эту категорию памяти называют ассоциативной, поскольку она дает возможность улавливать и запоминать связи вещей и явлений. Способность «образования знания, уловления нормальной связи вещей» отмечал у животных и И.П. Павлов (1935) незадолго перед своей смертью. На ассоциативности основано активное запоминание и отдельных событий, поскольку те сопряжены с ситуационными сигналами (информацией о местоположении, окружающей обстановке и т.д.), которые в организме находят выражение в ассоциативных связях клеток (в частности нейронов). Более того, благодаря нейронным связям возможно воспроизведение памяти о целом по частичному восприятию этого целого: возбуждение отдельного нейрона автоматически приведет к возбуждению всего комплекса нейронов, задействованных в формировании запомненного образа. Поэтому организм не столько реагирует на тот или иной внешний сигнал, но действует, причем разными способами в зависимости от ситуационной активации памяти. Физиологические реакции, выражающиеся в подвижности организма, составляют основу его поведения. Активные процессы начали формироваться у многоклеточных животных и достигли своего наивысшего развития у человека. Напротив реактивные процессы являются характерной чертой всех живых организмов, и охватывают широкий спектр механизмов формирования памяти. При всем различии активных и реактивных процессов молекулярную основу памяти как в том, так и в другом случаях составляет посттрансляционная модификация белков. По этому признаку различные формы памяти не различаются. По функциям и механизмам различают две категории реактивной памяти. Одна обслуживает процессы роста и развития организма (транскрипционная память), другая связана с двигательной активностью организма (реактивным поведением). В основе обеих лежат процессы модификации белков, в первом случае хроматиновых, во втором — цитоплазменных. Из последних наиболее изучено метилирование мембранных белков. При хемотаксисе движение одноклеточных организмов вдоль градиента вещества (аттрактанта или репеллента) обычно регулируется через работу двух сенсоров, в передней и задней части клетки, которые воспринимают различия в концентрациях соответствующих веществ. Бактерии имеют слишком мелкие клетки, чтобы использовать этот сенсорный механизм для определения направления градиента. Поэтому они выработали особый механизм, основанный на сравнении состояния среды в данный момент времени с предшествующим. Сообразно этому, через определенный промежуток времени бактерия (например, Escherichia coli) прерывает свое поступательное движение, делает кувырок, оценивая направление градиента, и далее снова двигается поступательно до следующего кувырка (Webre et al., 2003). Чтобы оценить градиент бактерия должна помнить, какой была концентрация вещества во время предыдущей «остановки». Механизм памяти связан с уровнем метилирования хемотаксических рецепторов, передающих сигнал на гистидинкиназу CheA (Webre et al., 2003; Szurmant, Ordal, 2004). Эта последняя у E. coli фосфорилирует регуля-торный белок, который связывается с моторными белками жгутиков и содействует изменению направления движения. Высокий уровень аттрактанта (например, глутамата, серина, рибозы, галактозы) ингибирует CheA, но одновременно повышает уровень метилированности рецепторов, что в свою очередь активирует CheA, снимая постепенно ингибирующий эффект. Это восстановление активности CheA идет тем дольше, чем выше концентрация аттрактанта. Если при очередной остановке бактерии концентрация аттрактанта снизилась, то восстановление активности CheA произойдет быстрее и бактерия сменит направление. Аналогичным образом можно рассмотреть поведение бактерии при низкой концентрации аттрактанта и вытекающей из этого высокой активности CheA. Здесь только надо иметь в виду, что от активности CheA зависит скорость деметилирования рецепторов. Для уяснения более точной и строгой картины смотри две обобщающие работы: Mello et al., 2004; Szurmant, Ordal, 2004. Хемотаксис у бактерий, не имеющих жгутиков и передвигающихся, например, с помощью скользящих движений, как это имеет место у миксобактерии Myxococcus xanthus, осуществляется посредством той же системы метилируемых рецепторов, передающих сигнал через гистидинкиназы на регуляторный белок. Система памяти, описанная выше, принадлежит к большому классу двухкомпонентных сигнальных цепей, который широко представлен у прокариот. Передача сигнала в этих цепях связана с фосфорилированием остатка гистидина. Система, таким образом, включает рецептор с гистидинкиназной активностью и связанный с рецептором регуляторный белок, фосфорилирование которого включает различные внутриклеточные процессы. Аналогичные двухкомпонентные системы известны у грибов (S. cerevisiae, N. crassa) и слизевика D. discoideum, у которых они значимы в процессах осморегуляции, а также у растений. У последних рецепторы двухкомпонентных систем представлены фитохромами, осмосенсорами, рецепторами для цито-кина и этилена (Loomis et al., 1997). Процессы клеточной памяти являются, видимо, изначальным свойством (клеточных) организмов. Не случайно, микробиологи говорят о наномозге бактерий (Webre et al., 2003). Однако специфика животных связана с развитием у них специализированных клеток (нервных), важнейшая функция которых заключается в том, чтобы держать в «памяти» все более или менее устойчивые и важные для организма сигналы внешней среды.
