СЕНСОРНЫЕ Сенсоры И СИСТЕМЫ

Критически настроенный читатель, а конкретно ему адресована эта статья, прочтя ее заглавие, непременно, упрекнет создателя в терминологическом эклектизме. Вправду, словосочетание "биосенсоры органов эмоций" интуитивно воспринимается неспециалистом как тавтология. Оно разрезает слух, колет глаз и раздражает чутье русского специалиста-физиолога, обычно использующего латинизированный термин "сенсорные системы", как-то неприметно пришедший на замену "анализаторам" И. П. Павлова.

Как соотносятся понятия "органы эмоций", "сенсорные системы" и "биосенсоры"? Непременно, наш глаз - это орган зрения, ухо - орган слуха, нос - орган чутья, а язык - орган вкуса. Но человека по его сенсорному оснащению совсем не следует считать венцом творения. Он не лицезреет уф-излучения и поляризованного света, как насекомые; не слышит ультразвук и не пользуется им для эхолокации, как летучие мыши и дельфины; как "смотрится", к примеру, образ океанской электрической погоды(!) для рыбы, обладающей системой электрорецепторов, человек даже и представить для себя не может, потому что не имеет подходящих "биосенсоров". Ну и наши наименования органов эмоций нередко лишены смысла по отношению к беспозвоночным животным, очевидно доминирующим в биосфере по числу видов. Насекомые, к примеру, лишены носа в нашем осознании, хотя чувствительность их хемосенсорных систем с обонятельными сенсорами на усиках-антеннах не уступает чутью собаки. Но все же маленький мозг насекомого просто не в состоянии различать и идентифицировать такое огромное количество запахов, как на много порядков более мощнейший собачий мозг ("нос").

Итак, биосенсоры - датчики для получения инфы о процессах, происходящих во наружной среде. Термин "биосенсоры" - быстрее технический, в большинстве случаев под ним предполагаются сначала создаваемые современной биотехнологией на базе биомолекул искусственные датчики. Для физиологии "биосенсоры" - это просто рецепторные, либо сенсорные, клеточки. Они размещаются в органах эмоций и созданы для решения сложной диалектической задачки: изменяться под воздействием наружного сигнала (по другому он не дойдет до нервной системы), оставаясь, но, самими собой даже при очень сильных воздействиях. В качестве семантического курьеза необходимо отметить, что по мере развития представлений о межклеточной и внутриклеточной сигнализации термин "сенсоры", обширно применявшийся для обозначения рецепторных клеток органов эмоций в 60-70-е годы, равномерно взяли на вооружение спецы по молекулярной биологии. Сейчас под словом "сенсор" они совершенно точно предполагают белковую молекулу, избирательно взаимодействующую с гормоном, нейромедиатором либо феромоном, другими словами с сигнальным веществом.

Что все-таки касается понятия "сенсорные системы", то оно содержит в себе не только лишь рецепторные клеточки, да и всю систему обработки передаваемых ими сигналов, другими словами мозг. Таким макаром, к примеру, оптические биосенсоры, либо фоторецепторы, превращают видимое изображение в "нейроизображе ние". Чтоб ощутить, как наш мозг "лицезреет" и обрабатывает информацию, заключенную в нейроизображении, поставим обычный опыт. (Этот опыт много годов назад показали сотрудники Института заморочек передачи инфы РАН Г. М. Зенкин и А. П. Петров.) Войдем в отлично затемненную комнату и, оставаясь там в течение 10-15 минут, привыкнем к мгле. Потом возьмем в правую руку заблаговременно приготовленную импульсную фотовспышку, направим ее на ближний предмет, скажем на свою свободную руку, и нажмем спусковую кнопку. Вспышка продолжительностью около миллисекунды издавна кончилась, свет уже не действует на сетчатку, но мы верно лицезреем... нейроизоб ражение своей руки. Уберем ее за спину: где же она на самом деле? Глаз (поточнее, зрительная система!) гласит, что рука перед нашим лицом, а соматосенсорная система утверждает, что рука за спиной... В течение приблизительно 10 секунд мы еще лицезреем так именуемый поочередный образ. Смотрим глазом, а лицезреем мозгом. Это давным-давно известное населению земли свойство сенсорных систем отыскало отражение в языке: "глядеть" и "созидать", если идет речь о зрении, "слушать" и "слышать" - о слухе, "нюхать" и "чуять" - это уже об обонянии. Таким макаром, в базе восприятия инфы снаружи лежат сенсорные сенсоры, которые "понимают" язык наружной среды. За ними размещаются более либо наименее совершенные звенья анализа инфы, но они разговаривают и вместе, и с сенсорными сенсорами только на языке нервных сигналов.

Зависимо от физической природы воспринимаемых стимулов известные рецепторные клеточки содержат в себе: фоторецепторы (зрительная система), хеморецепторы (обонятельная и вкусовая системы), механорецепторы (фонорецепторы в слуховой системе, сенсоры органов равновесия, сенсоры внешних покровов тела), терморецепторы, гигро- и электрорецепторы. Может быть, в дальнейшем этот перечень пополнится. С различными стимулами работают различные сенсорные системы: со светом - зрительная, с механическими колебаниями в среде - слуховая и акустико-латеральная (органы боковой полосы у неких аква животных), с идентификацией пищевых веществ - вкусовая, с пахнущими сигналами - обонятельная; положение организма в пространстве и установку тела определяет система органов равновесия; механические, температурные и ряд других черт наружной среды оценивает соматосенсорная система ("осязание"), а электронную "погоду" в водоемах - электросенсорная. Как уже говорилось, этими системами в том либо ином сочетании снабжены живы организмы, но не они все представлены у человека.

МОРФОЛОГИЯ, ФИЗИОЛОГИЯ, БИОХИМИЯ...

Хоть какому путнику нужна географическая либо топографическая карта, показывающая размещение и свойства населенных пт, водоемов, естественных препятствий и, конечно, связи меж этими объектами - от тропинок до магистралей. Точно так же и исследователю сенсорных систем нужно иметь описание структурной организации органов эмоций и их связей. Без этого хоть какое физиологическое либо биохимическое исследование не стоит даже решать. В отношении "конструкции" морфологи всегда выступают в роли путешественников-первопроходцев. Решительный прорыв в исследовании нервной системы в целом и сенсорных систем а именно стал вероятным только после традиционных работ нейроморфологов, нобелевских лауреатов 1906 года - С. Рамон-Кахаля (Испания) и К. Гольджи (Италия). Из российских профессионалов более значителен вклад академика А. А. Заварзина (1886-1945). В хоть какой био процесс (физиология) вовлекаются клеточные структуры (морфология), в каких и ведут взаимодействие биомолекулы (биохимия). Потому сейчас, чтоб достигнуть фуррора, специалист-биолог должен в одинаковой мере обладать представлениями морфологии, физиологии, биохимии, генетики и иммунологии.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ДИНАМИЧЕСКИЙ Спектр СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

В процессе эволюции у многих животных чувствительность сенсорных рецепторов достигнула физического предела. Так, фоторецепторы способны регистрировать акты поглощения единичных световых квантов и говорить о их зрительным центрам. Конкретно в таком режиме работает зрение человека при очень слабеньком освещении, в сумерках либо ночкой, когда "все кошки серы". Наша слуховая система также находится на высшей грани чувствительности - будь наше ухо на порядок чувствительнее, оно бы принимало броуновский шум молекул окружающего воздуха. Электросенсорные системы таких животных, как скаты, замечают конфигурации напряженности электронных полей всего 0,01-0,10 мкВ/см, а обонятельные системы позвоночных обнаруживают 10-100 молекул сигнального хим вещества, к примеру полового феромона, приблизительно посреди 2,7^.10¹⁹ молекул, составляющих 1 см³ воздуха.

Спектр естественных стимулов (его именуют динамическим), в каком работают сенсорные системы, очень широкий. Так, человек пользуется зрением в спектре 9 порядков освещенности (от безлунной ночи до солнечных пляжей либо горнолыжных курортов). Наша слуховая система, воспринимая акустические колебания меж слуховым порогом чувствительности и болевым чувством, перекрывает 12 порядков. Естественно, что для использования сенсорных систем в настолько широких границах организмам пришлось "изобрести" методы сужения динамического спектра. Это позволяет приводить наружный сигнал к уровню, доступному для обработки. Одни приспособления (к примеру, линзовая система глаза, ушная раковина) употребляются для усиления сигнала с целью выделить его из шума, создаваемого средой и самой нервной системой, другие (зрачок глаза позвоночных животных и головоногих моллюсков), напротив, - для его ослабления. Но кроме этих устройств сенсорные системы снабжены очень утонченными методами фильтрации на биологическом уровне принципиальной инфы, которые работают и на уровне одиночной рецепторной клеточки, и на уровне сенсорных систем. Исследованием принципов детектирования наружных сигналов и обработки приобретенной инфы и занимается сенсорная физиология.

УСТРОЙСТВО СЕНСОРНЫХ РЕЦЕПТОРОВ

Необходимость принимать наружные сигналы предназначает и положение сенсорных клеток в организме: обычно, они размещаются на границе с наружной средой, что для очень чувствительных клеток опасно. В более тяжелых критериях оказываются хеморецепторные клеточки - вкусовые и обонятельные. Правда, высшие животные предпочитают временами отбирать для анализа маленькие отдельные пробы (к примеру, немного принюхиваясь), также защищать чувствительную поверхность при помощи специальной защитной смазки (обонятельной слизи у позвоночных, рецепторной лимфы у насекомых), проницаемой для сигнальных молекул. Другие сенсоры защищены по другому. Фоторецепторы, к примеру, изолированы от воздействия хим и механических стимулов прозрачными барьерами (свето-преломляющим аппаратом). Сенсоры же органов равновесия и слуха располагаются снутри особых трудно устроенных органов. Электрорецепторы ската тоже не имеют прямого контакта со средой, а соединяются с ней открывающимися наружу особыми каналами, которые заполнены желе, отлично проводящим электронный ток, а стены этих каналов выстланы слоем клеток-изоляторов. Вся система припоминает отлично узнаваемый портативный тестер, состоящий из измерительного устройства и 2-ух проводов со щупами.

Обычно у сенсорной клеточки различают входное устройство, преобразователь и выходной механизм. На входе спец аппарат избирательно принимает стимулы снаружи; задачка преобразователя, другими словами цепочки биохимических процессов, - усиливать поступивший сигнал и переводить его на язык внутриклеточных сигналов. И, в конце концов, уже закодированный внутриклеточный сигнал передается на выходе в нервную систему.

Рецепторная клеточка припоминает айсберг и, подобно ему, имеет надводную и подводную части. Подводная часть ведет взаимодействие с другими клеточками, обеспечивая жизнедеятельность собственной хозяйки, также передачу сигнала в нервную систему. Рецепторная клеточка, как и неважно какая другая, ограничена мембраной , и естественно, что хоть какое возмущение во наружной среде будет повлиять сначала на надводную часть айсберга - так именуемый сенсорный домен. Его мембрана и есть биосенсор органов эмоций.

Детализированное исследование сенсорного домена связано с работами доктора био наук Я. А. Винникова (1910-1997) и коллектива, который он в 60-70-е годы возглавлял в нашем институте. Конкретно эти исследования проявили, что биосенсор, обычно, обустроен спец органоидом - жгутиком. Сенсорные жгутики, нередко видоизмененные, поистине вездесущи: они найдены в фоторецепторных клетках позвоночных животных и моллюсков; в обонятельных и слуховых клетках позвоночных и насекомых; в клетках органов равновесия позвоночных, ракообразных, моллюсков; в электрорецепторах ската. Бывает, что к одному или многим жгутикам сенсорного домена клетки добавляются к тому же микроворсинки. Эти исследования, признанные в мире (Винников - автор семи монографий, четыре из которых переведены на английский язык, почетный доктор университета в Турине, награжденный медалью Гольджи... - увы, не был избран даже членом-корреспондентом нашей Академии), показали, что механизмы сенсорной рецепции следует искать в мембране жгутиков и микроворсинок.

У позвоночных животных акт фоторецепции начинается с поглощения кванта света молекулой зрительного пигмента - родопсина. Локализован он в мембранах дисков наружного сегмента палочек и колбочек сетчатки. Сам сегмент, по конструкции похожий на пачку печенья, - не что иное, как сохранивший ножку видоизмененный жгутик: в палочках он имеет форму аккуратного цилиндра, а в колбочках - конуса. Внутри его плазматическая мембрана образует многочисленные и регулярно расположенные диски, поставленные перпендикуляр но ходу светового луча. Чем длиннее наружный сегмент - тем больше дисков должен пересечь луч и тем выше вероятность поглощения кванта (или, что то же самое, - коэффициент поглощения фоторецептора). Фоторецепторы членистоногих животных (насекомых, ракообразных, пауков) и головоногих моллюсков устроены более замечательно. Их наружный сегмент образован плотно упакованными волокнами, плазматическая мембрана которых тоже содержит зрительный пигмент. На самом деле, это - оптический световод, изобретенный животными задолго до того, как появились слово "оптика" и даже сам человек.

Основа фоторецепции - мембранный белок родопсин. Его белковый компонент - опсин - не поглощает свет. Эту способность и окраску он приобретает при взаимодействии со светочувстви тельным веществом (альдегидом витамина А - ретинола) - так получается родопсин. Максимумы спектров поглощения родопсина у разных животных различны и могут располагаться как в видимой, так и в невидимой (для нас!) ультрафиолетовой части спектра. В отдельных случаях молекулы родопсина ориентированы в фоторецепторной мембране в одном направлении; тогда и возникает различие в поглощении света зависимо от направления его распространения (дихроизм). Некоторые группы животных (членистоногие, высшие моллюски) используют это свойство для анализа естественно го поляризованного света (голубое небо, отражение от водных поверхностей, поляризация света в воде). Работы нашей лаборатории показали, что зрительные пигменты насекомых имеют более узкую, чем у позвоночных, полосу поглощения и что в некоторых случаях молекулы их пигмента обладают однородной ориентацией в фоторецепторной мембране.

Что касается обонятельных рецепторов, у самых разных животных мембрана жгутиков и ворсинок обонятельных клеток содержит рецепторные белки, способные взаимодействовать с летучими (и даже малолетучими!) пахучими веществами - одорантами. Обычно, в каждой клетке обонятельного эпителия синтезируется набор из нескольких таких белков. В результате связывания молекул одоранта с различными белками рецепторы возбуждаются в разной степени, и на поверхности эпителия "рисуется" обонятельное "изображение", свое для каждого одоранта.

В механорецепторах - так называемых волосковых клетках внутреннего уха и органов равновесия позвоночных животных - механическое воздействие, вызванное звуковой волной или силами инерции, отклоняет пучок тесно прилегающих друг к другу ворсинок плазматической мембраны, связанных между собой особыми мостиками. При отклонении пучка ворсинки скользят одна вдоль другой, мостики натягиваются и открывают белковые конструкции - ионные каналы в мембранах для проведения электрического импульса.

Таким макаром любая рецепторная клетка настроена на восприятие определенных физических изменений во внешней среде, и детектирование сигнала происходит на молекулярном уровне.

ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ И УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

Внутриклеточным сигналом, передаваемым на выходное устройство сенсорного рецептора, другими словами в нервную систему, служит изменение разности потенциалов на плазматической мембране клетки. Потенциал покоя клетки отрицателен (обычно в пределах от -40 до -60 мВ) и под воздействием стимула может или увеличиваться по абсолютному значению, становясь более отрицательным, тогда клетка гиперполяризует ся, или уменьшаться, тогда клетка деполяризуется. На молекулярном уровне эти события обусловлены изменением проницаемости клеточной мембраны для катионов (натрия, кальция и калия) или анионов (обычно хлора) за счет активации (открывания) или инактивации (закрывания) ионных каналов.

Итак, в сенсорной клетке существует механизм преобразования, при помощи которого активность ионных каналов меняется зависимо от состояния рецепторных белков. Этот механизм переводит сигнал с языка физического воздействия на универсальный язык электрического импульса, понятный нервной системе. В сенсорных рецепторах осуществляется, как мы видим, процесс, преобразующий единичное физическое микроскопическое воздействие (квант света, молекула одоранта) в макроскопическое явление - рецепторный потенциал. Такое преобразование получило общее название сенсорной передачи - трансдукции (частные случаи - фото-, хемо-, механопередача).

Изучение передачи сигнала с биосенсора в нервную систему стало поистине одной из "горячих" точек современной биологии. Оказалось, что в сенсорной передаче действуют механизмы, почти во всем сходные с действием гормонов и нейромедиаторов (веществ, участвующих в проведении сигнала с одного нейрона на другой). В известном смысле биосенсоры можно рассматривать как удобную модель для изучения общих принципов внутриклеточной и межклеточной сигнализации. Конкретным механизмам внутриклеточной передачи сигнала посвящена обширная специальная литература, поток ее стремительно нарастает. Но мы не будем останавливаться на этом, а наметим лишь основные вехи, которыми, обычно, отмечен путь преобразования внешнего сигнала.

Входной сигнал на рецептор в клеточной мембране "усиливается": рецепторный белок при взаимодействии с сигнальной молекулой или квантом света изменяет свою конформацию и становится доступным для взаимодействия с так называемым G-белком. За время своей активации рецепторный белок переводит в активное состояние несколько десятков молекул G-белка. Каждая молекула из них в свою очередь успевает "возбудить" молекулу фермента, который либо синтезирует, либо разрушает молекулы вещества, непосредственно регулирующего состояние ионных каналов. Таким макаром, единичное микрособытие на входе сенсорного рецептора приводит к массовому изменению состояния ионных каналов. Это изменение на выходе регистрируется нервной системой в виде тоже единичного, но уже макрособытия - рецепторного сигнала.

Исследования механизмов сенсорной передачи основаны на передовых технологиях и тонких методах молекулярной биологии: выделении генов, их клонировании, получении трансгенных животных, химер и т. д. Стоимость таких работ чрезвычайно высока. Понятно, что эта область почти недоступна отечественным специалистам, и у нас нет крупных достижений. Правда, в 1985 году в лаборатории Е. Е. Фесенко (Институт биологичес кой физики АН СССР в Пущино) были впервые обнаружены цГМФ - чувствительные каналы плазматической мембраны наружных сегментов фоторецепторов позвоночных, и на эту работу, опубликованную в журнале "Nature", исследователи ссылаются до сего времени. В Институте биохимической физики РАН под руководством академика М. А. Островского успешно изучаются естественные биохимические механизмы защиты фоторецепторов от повреждающего действия света. В лаборатории академика В. Е. Соколова (Институт проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН) Э. П. Зинкевич и Е. В. Аронов впервые синтезировали фрагменты молекулы феромона, которые, будучи предъявленными животному в определенном соотношении, вызывали у него характерную поведенческую реакцию. Роль цГМФ как посредника передачи сигнала в фоторецепторах позвоночных изучается под руководством В. И. Говардовского в рамках российско-американского проекта по программе CRDF (US Civilian Research and Development Foundation, Американский фонд гражданских исследований и развития).

ВЫХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА

В обонятельных рецепторах позвоночных и многих беспозвоночных, механорецепторах насекомых имеется специальный механизм, кодирующий интенсивность возбуждения сенсорных клеток в виде нервных импульсов, которые распространяются по отростку клетки - аксону. Чем сильнее внешнее воздействие на сенсорный рецептор, тем больше степень его возбуждения и тем выше частота следования импульсов.

В некоторых сенсорных клетках такого механизма нет, аксон играет роль обычного электрического провода и сигнал передается постоянным электрическим током. Такая передача на большие расстояния неэффективна из-за сильного затухания и сглаживания формы сигнала, поскольку удельное сопротивление цитоплазмы аксона велико (около 100 Ом/см), а его изоляция неидеальна. В сенсорных системах можно найти все варианты таких "линий передачи". Кажется парадоксальным, что для всех исследованных к настоящему времени фоторецепторных клеток характерна безымпульсная передача сигнала. Ее предельная дальность достигает 10 мм (глаза некоторых видов "неторопливого" рачка-балянуса), и многие животные располагают все звенья безымпульсной передачи и первичной обработки фоторецепторного сигнала как можно ближе к фоторецепторам, вероятно, чтобы избежать его затухания и искажения, неизбежных при передаче постоянным током. Так устроена, например, сетчатка позвоночных животных. Подобно позвоночным, насекомые тоже не используют импульсную передачу в двух первых звеньях обработки зрительного сигнала. Вспомним, однако, что фоторецепторы высших животных умеют воспринимать одиночные кванты света, генерируя в качестве рецепторного сигнала о единичном событии короткий одиночный электрический сигнал. Может быть, такие дискретные ответы играют в зрительной системе роль нервных импульсов? Так это или нет, но в любом случае фоторецепторы давным-давно знают, что свет имеет дискретную, квантовую природу.

Итак, в центральные отделы сенсорных систем поступает импульсная информация. На вопрос, одинаков ли импульсный язык в разных сенсорных системах, пока точного ответа нет.

***

Мы хорошо знаем, что энергия передается по высоковольтным линиям, а по телеграфным и телефонным проводам идут только сообщения. Передача сенсорного сигнала - сообщение. Информационная ценность телеграммы и телефонного сообщения не находится в зависимости от размера и начертания шрифта или тембра и громкости голоса собеседника. Нервной системе энергия как таковая нужна только для поддержания ее элементов и механизмов в рабочем состоянии. Энергия же посланного сообщения, единственно, должна быть достаточной для его надежного приема на следующем уровне. Эти азы теории информации хорошо известны не только лишь нам, да и нашим биосенсорам. Так, если в процессе фотосинтеза у растений энергия потока световых квантов тщательно утилизируется и используется для обеспечения всех жизненно важных функций своего хозяина, то энергия кванта, поглощенного фоторецепторной клеткой, в итоге рассеивается в виде тепла. Для фоторецептора важен только сам факт прибытия кванта, а его энергия практически не используется.

***

В век бурного расцвета и поголовного увлечения молекулярной биологией нельзя не вспомнить имена двух академиков-классиков - А. А. Заварзина и Л. А. Орбели (1882-1958). Заварзин в свое время обратил внимание на удивительное анатомическое сходство в построении цепей передачи информации в зрительной системе позвоночных, насекомых и головоногих моллюсков. Такое сходство, по мнению академика Заварзина, трудно приписать происхождению от общего предка, поскольку в эволюции эти линии разошлись довольно давно и развивались параллельно. Замеченное сходство Заварзин считал следствием "какого-то принципа, мало еще учтенного современной биологией".

Уже в наше время обнаружено столь же удивительное сходство и обонятельных систем позвоночных, насекомых и моллюсков. По-видимому, каждый тип внешнего воздействия - свет, звук, запах - может анализироваться при помощи весьма ограниченного набора базовых принципов, природных биотехнологических механизмов и нейронных сетей. Тут полезную для физиологии методологическую основу представляет идея Орбели о функциональной эволюции систем: почему конкретная система, в том числе и сенсорная, развивается именно по данному пути, а не по какому-нибудь иному. Сегодня трудно разрешим вопрос: идет ли развитие соответствующих сенсорных систем по сходному плану под давлением естественного отбора в соответствии с физическими свойствами окружающего мира и общими положениями переработки информации или оно в главном запрограммировано в давно существующих генах и только развертывается в более или менее совершенной форме у животных разного уровня? Такая постановка вопроса сегодня уже не выглядит крамольной и имеет под собой некоторые молекулярно-биологические основания. Так, совсем недавно было обнаружено удивительное сходство структуры генов, определяющих развитие зрительной системы у неродственных животных: позвоночных и насекомых.

***

Исследования сенсорных систем в России имеют крепкие корни, хорошие традиции и признанные достижения. "Глядя в прошлое - сними шляпу, глядя в будущее - засучи рукава", - сказал кто-то. В России еще есть люди, способные засучить рукава, но современную сенсорную биологию голыми руками уже не возьмешь!

Редакция журнала "Наука и жизнь" выражает благодарность заведующему лабораторией эволюции рецепторов Института эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН доктору биологических наук В. И. Говардовскому за помощь в подготовке данной статьи к публикации.