Эволюционные предшественники нервных клеток – одноклеточные организмы, как прокариоты, так и эукариоты, со времени своего появления жили группами – колониями. Микроорганизмы одного биологического вида, находясь рядом, всегда образуют между собой связи. Количество связей у каждого организма и их назначение различаются у разных биологических видов и внутри видов у колоний с разной численностью организмов. Уже у прокариот существует распознавание «своего» и «чужого» через систему рецепторов при контактах для передачи генетического материала. В таком распознавании участвуют молекулярные комплексы внутри микроорганизмов[1].
Колонии бактерий – прокариот представляют собой объединения «общающихся» между собой микроорганизмов. Между цианобактериями возникают иерархические отношения. В бактериальной колонии имеется сложная иерархия, которая определяет в т. ч. и расположение клеток внутри колонии[2]. Общение между одноклеточными организмами происходит на основе внутриклеточных химических сигнальных систем. Такие системы имеются и у прокариот, и у эукариот. Одноклеточные объединяются благодаря своим свойствам или, лучше сказать, в результате проявления свойств организмов. Каждая колония одноклеточных – это своеобразное «социальное» образование организмов одного биологического вида, с присущими только ему иерархической структурой, численностью членов, количеством и назначением связей между ними.
Клетки нервных систем организмов всех биологических видов – нейроны разных типов – микроорганизмы-эукариоты, и каждая нервная система (НС) представляет собой объединение – «социальное» образование – таких организмов. Поскольку в это объединение входят клетки, различающиеся и формой тела, и проявляемыми в контактах друг с другом качествами, то его можно назвать сообществом нервных клеток. Все явления – ощущения, эмоции, чувства, мышление, реакции, движения, – через которые обнаруживается жизнь, возникают как результат совместной жизнедеятельности нервных клеток, т. е. в итоге проявления свойств сообщества нейронов. Каждый нейрон может существовать до тех пор, пока может удовлетворять потребности собственного метаболизма, а такое удовлетворение возможно только в составе сообщества нейронов. Совместное удовлетворение потребностей нейронов создаёт у организма ощущение жизни.
НС существует в окружающей среде – внутриорганизменной и внешней, из которой она получает вещества для поддержания метаболизма нейронов. Внутриорганизменная среда состоит из органов, тканей и систем организма, окружающих НС и функционирующих под влиянием воздействий из НС. Организм любого вида, обладающий НС, обитает в природной среде, которая является внешней средой для НС и для организма в целом. Внешняя среда включает в себя и социальную среду – организмы того же вида. В процессе эволюции для НС некоторых биологических видов, в т. ч. для НС человека, внешняя среда изменяется в результате создания и присоединения к ней техносферы. НС не формировалась и не действует в качестве функциональной, подчинённой целям извне системы организма. Наоборот, все составные части организма обеспечивают существование НС. При этом сама НС регулирует функционирование всех систем организма для такого обеспечения. Используя ткани и системы организма, НС способствует преобразованию веществ, поступающих из внешней среды, в формы, пригодные для метаболизма нейронов. Находясь в большей своей части в окружении тканей организма, НС защищена, за исключением рецепторов, от непосредственных воздействий из внешней среды.
В каждом нейроне непрерывно происходят химические превращения: синтез, разложение и изомеризация молекул. Для всех этих процессов требуется поступление в клетку извне каких-либо химических веществ после исчерпания потребных веществ внутри клетки и удаления лишних. Даже в состоянии относительного покоя, т. е. при отсутствии внешних воздействий, медленные реакции продолжаются. На основе этого формируются потребности клетки. Эти потребности меняются как под влиянием суточных ритмов нейронов, которые изменяют количество и скорость реакций метаболизма, так и в результате внешних воздействий, вызывающих ускорение и рост количества превращений. Изменения потребностей нейронов в течение суток во многом определяют свойства, проявляемые НС в разное время суток.
Все «действия» каждого нейрона в составе НС – восприятие воздействий извне, приём и передача возбуждений, обмен веществами с окружающей средой – происходят в результате его внутренних химических превращений. Совокупность одновременно реализующихся превращений в любой промежуток времени направлена на сохранение или восстановление такого соотношения сил между внутриклеточными молекулярными структурами, при котором количество и скорость этих превращений и реакций обмена веществами с окружающей средой минимальны. Такое состояние метаболизма нейрона можно назвать состоянием относительного покоя. В этом смысле можно говорить, что нейрон «стремится» к состоянию покоя. Таким образом, «действия» нейрона внутри НС постоянно направлены на удовлетворение собственных потребностей, которое позволяет ему сохранять или возвращаться в состояние относительного покоя.
Поскольку все нейроны «действуют» исходя исключительно из собственных потребностей, то всякая НС является сообществом «эгоистических» микроорганизмов. Существование НС в качестве единого целого есть результат непрерывного соперничества между нейронами за вещества и прекращение собственного возбуждения. При этом для получения преимущества в конкуренции нейроны соединяются в группы (узлы) различной численности и структуры. Нейроны соперничают друг с другом внутри групп и в составе групп. Под влиянием этого соперничества формируются иерархические отношения между нейронами. НС как сообщество функционирует в интересах своих членов – нейронов.
Ткани и системы организма защищают НС снаружи и создают условия для удовлетворения потребностей нейронов. Например, сердце и система кровообращения снабжают нервные клетки необходимыми для метаболизма веществами. Возбуждение нейронов головного мозга при умственной деятельности сопровождается быстрым повышением активности миокарда, тонуса кровеносных сосудов, показателей кровотока в сосудах головного мозга. Причём изменения количества и структуры возбуждённых нейронов, определяющие смену этапов умственной деятельности, вызывают немедленные изменения в работе сердца, состоянии сосудов и кровотока. Чем меньше тренирован организм, тем сильнее интенсификация работы сердца и кровотока[3].
Эволюционные изменения НС каждого биологического вида организмов – это следствие изменений его генома. Геном вида изменяется в результате изменений генотипов организмов. Химические превращения, происходящие в сложных молекулах, как правило, локальны, т. е. затрагивают небольшую часть молекулы[4]. Это относится и к молекулам ДНК. Локальные изменения ДНК определяют соответствующие изменения НС и организма в целом по сравнению с родительскими организмами. Воплощённые в новых элементах и свойствах НС изменения ДНК вначале подвергаются отбору внутри НС, а изменившиеся и новые органы и системы организма – отбору самой НС. Затем или одновременно осуществляется естественный отбор условиями внешней среды. В случае гибели организма гибнет и вариант ДНК. Однако такой же или близкий к нему вариант ДНК может через другую НС и организм приспособиться к изменившимся условиям внешней среды.
Локальные изменения ДНК дают возможность проявиться и поддерживают много вариантов изменений НС и организмов, потому что небольшие изменения, во-первых, более вероятны для реализации в строении и внутренних связях НС и организма; во-вторых, легче преодолевают внутриорганизменный отбор и не требуют резкой смены условий внешней среды; в-третьих, позволяют появляться большому количеству мало различающихся генотипов и, значит, НС и организмов одного вида.
Химические превращения в молекулах ДНК обусловлены в первую очередь свойствами самих молекул. Окружающая внутриклеточная среда влияет на проявление тех или иных свойств ДНК, однако не может их изменить[5]. Изменения ДНК не направлены на какие-либо определённые трансформации строения и свойств НС и организма. Такая направленность возникает под влиянием естественного отбора изменившихся и новых элементов и свойств внутри организма и в условиях внешней среды. Эволюция генома любого биологического вида обусловлена его внутренними свойствами и является самодостаточной. Именно поэтому количество рождающихся при образовании НС нервных клеток значительно превышает то, которое может адаптироваться в составе НС, и большое число нейронов гибнет. Процесс формирования из поколения в поколение организмов направления изменений их ДНК можно назвать «самостроительством» ДНК и, соответственно, генома биологического вида. Генотип содержит всю генетическую информацию, которую унаследовал организм. Активность генов, которая выражается в свойствах НС и организма, зависит как от самих молекул ДНК, так и от окружающей их среды. Эта среда влияет на вероятность экспрессии определённых генов, что выражается в формировании конкретных свойств НС и организма в целом и проявлении этих свойств в поведении.
Изменения ДНК и генома вызывают в первую очередь изменения НС: количества и структуры нервных клеток, строения НС, состава и соотношения синтезируемых клетками нейромедиаторов и гормонов, количества и размеров нейронных узлов, количества и конфигурации межклеточных связей. Прежде адаптации НС к условиям внешней среды новые и трансформированные клетки, узлы, связи, нейромедиаторы и гормоны адаптируются внутри НС. Поскольку НС регулирует функционирование органов и систем организма исходя из собственных, клеточного сообщества, потребностей, то вызванные изменением ДНК изменения органов и систем, а также вновь образованные органы первым делом приспосабливаются НС к своим потребностям. В этом состоит их, изменившихся и новых органов и систем, адаптация внутри организма. Таким способом изменения ДНК, несущие с собой трансформацию НС, органов и систем организма, проходят первичный – внутриорганизменный – отбор и могут оказаться нежизнеспособными по его результатам. Эволюция геномов видов организмов, обладающих НС, направляется свойствами молекул ДНК и внутриорганизменным отбором, который осуществляет НС, а затем естественным отбором среды обитания организмов.
Отношения между организмами, в т. ч. одноклеточными, по сути, являются отношениями между их генотипами, а межвидовые – между геномами. У организмов, имеющих даже элементарную НС, контакты с окружающей средой осуществляются посредством НС, т. е. отношения между генотипами (геномами) опосредованы взаимодействием НС. В итоге отношения между генотипами сводятся к отношениям между НС.
Количество и структура нервных клеток и клеточных узлов, их связей, состав синтезируемых нейронами нейромедиаторов и гормонов не влияют непосредственно на вероятность будущих изменений молекул ДНК. Только структура и порождаемые ею свойства ДНК определяют вероятность и реализацию этих изменений. По этой причине трансформации НС дочерних организмов носят случайный характер относительно НС родительских организмов. Случайные изменения состава и структуры нейронов и нейромедиаторов, количества и конфигурации межклеточных связей не зависят от направления эволюции НС предшествующих поколений. Возможность влияния таких изменений на направление эволюции появляется в процессе жизнедеятельности дочерних НС и реализуется в ходе соперничества клеток и групп клеток между собой. В результате того, что молекула ДНК сама себя «строит», количество рождающихся нервных клеток и образующихся связей между ними и с органами и тканями организма значительно больше того, которое сможет существовать внутри НС. Конкурируя между собой за вещества, необходимые им для метаболизма, многие нейроны погибают в процессе и после установления связей. Существование клеток в составе сообщества ограничивает влияние случайных изменений на свойства НС. Это ограничение, а также то, что разовые изменения незначительны относительно масштабов сообщества, создают условия для постепенного изменения из поколения в поколение направления эволюции НС биологического вида.
Любые изменения количества нервных клеток, узлов и межклеточных связей, а также состава нейромедиаторов и гормонов, обусловленные изменением генотипа по сравнению с родительскими организмами, станут препятствием для адаптации НС к окружающей среде, как внутриорганизменной, так и внешней, если не произойдут изменения межклеточных отношений внутри НС по сравнению с родительскими НС. В процессе этих изменений новые клетки и узлы приспосабливаются к условиям сообщества, т. е. подвергаются отбору этими условиями. Направляя через новые клетки и узлы возбуждения, используя новые нейромедиаторы и межклеточные связи, сообщество создаёт ранее не применявшиеся способы прекращения возбуждений. Тем самым новые клетки, узлы, нейромедиаторы и связи обеспечивают образование таких способов и оказывают пользу сообществу. Так НС отбирает полезные ей изменения. Часть новых клеток, через которые не проходили возбуждения, получают из окружающей их среды, в т. ч. от других нейронов, вещества, потребные им для метаболизма функционально не специализированных клеток. Эти клетки являются резервом для формирования новых способов, их использование возможно в будущих поколениях НС. Часть новых клеток погибают либо в первом, либо в последующих поколениях НС.
Каждое возбуждение внутри НС связано с её приспособлением к внутриорганизменным условиям. Сообразуясь сама с возможностями органов, тканей и систем, НС одновременно изменяет их внутренний и внешний обмен веществ в пределах генетически обусловленного диапазона, приспосабливая тем самым внутриорганизменную среду к собственным потребностям. Большая часть возбуждений вызвана контактами НС в оболочке организма с внешней средой. В ходе этих контактов происходит «поиск» НС среды, пригодной для обитания, т. е. соответствующей свойствам НС, её возможностям. Течение обоих процессов – внутриорганизменного и «поиска» среды обитания – совмещены, и большинство возбуждений участвуют в обоих процессах. Изменения органов, тканей и систем организма, произошедшие в результате изменений ДНК, проверяются НС во внутриорганизменном процессе и пригодные используются при «поиске» среды. В такой форме происходит отбор НС изменений организма.
Во всякий период адаптации НС к окружающей среде и отбора изменений внутри НС у сообщества нервных клеток образуются определённые свойства. Базовые свойства сообщества непосредственно заданы генами (общее количество и вероятная функциональная специализация клеток, количество и структура специализированных узлов, вероятные маршруты межклеточных связей – коммуникаций, состав нейромедиаторов и гормонов, готовность клеток к функциональной специализиции, «обучению» и образованию связей) и изменяются в пределах диапазонов, прямо зависимых от активности генов. Конкретные проявления этих свойств вызывают образование остальных – производных свойств сообщества (иерархическая структура возбуждений, количество функционально специализированных клеток и соотношение клеток разной специализации, количество межклеточных связей – коммуникаций, конфигурация их маршрутов и частота использования, количество и структура ассоциаций памяти, структура способов прекращения возбуждений). Под влиянием внутренних событий в НС, в т. ч. обусловленных её развитием во времени, приспособления НС к внутриорганизменной среде и «поиска» ею благоприятных условий среды обитания генетически обусловленные, а затем производные свойства НС непрерывно изменяются. Каждая НС самостоятельно отбирает через возбуждения и «поиск» среды обитания те вновь образовавшиеся клетки, узлы, связи, гормоны и нейромедиаторы, которые могут быть использованы для создания новых способов прекращения возбуждений. И в этом смысле НС организмов каждого биологического вида сама себя «строит» в процессе эволюции. Необходимо отметить, что «поиск» благоприятных условий среды обитания, которые сообразуются со свойствами НС, – это её приспособление к этой среде. Отсутствие таких условий не означает, что конкретная НС нежизнеспособна, но это сигнал к расширению границ «поиска», если не этим, то будущими поколениями НС с изменёнными свойствами. Каждая НС – сообщество нервных клеток – осуществляет внутриорганизменный отбор и отбор через «поиск» среды обитания изменившихся и новых органов, тканей и систем организма, и поэтому можно сказать, что НС «строит» организм определённого биологического вида. То, что каждая нервная система «строит» и себя, и организм позволяет говорить о биологических видах нервных систем, которые являются основой видов организмов.
Активность генов в нейронах основана на свойствах молекул ДНК, т. е. активность вызвана причинно-следственными связями, которые определяют особенности контактов молекул ДНК с окружающими атомами и молекулами. В свою очередь, активность генов является причиной всех событий клеточного метаболизма и, значит, обмена веществ между нейронами и с окружающей средой. Все процессы в сообществе нервных клеток (клеточном сообществе – КС) – рождение клеток, их возбуждение и торможение, функциональная специализация и формирование в них устойчивых молекулярных структур, синтез в клетках нейромедиаторов и образование у них аксонов, дендритов и шипиков, образование и разрыв межклеточных связей, распространение и прекращение возбуждений в сообществе, гибель клеток – это детерминистские процессы. Так у нейронов в течение суток изменяются параметры метаболизма: количество и соотношение синтезируемых и разлагающихся веществ, в т. ч. количество синтезируемых нейромедиаторов и гормонов. У нейронов, как и у всех организмов, имеются суточные ритмы. В соответствии с этими ритмами в продолжение суток изменяются состав и количество клеток, возбуждающихся от воздействий окружающей среды и следов таких воздействий, результаты конкуренции клеток и узлов за прекращение своего возбуждения, используемые возбуждениями маршруты связей между клетками, конфигурация формирующихся способов прекращения возбуждений, распространяющихся из одних и тех же узлов.
Регулярное действие причинно-следственных связей предопределяет регулярное возбуждение от воздействий извне определённых клеточных узлов и ассоциаций, перемещение возбуждений по определённым маршрутам межклеточных связей. Детерминизм событий вызывает формирование сходных способов прекращения возбуждений и связь всех способов между собой через общие маршруты распространения возбуждений. Под влиянием регулярного проявления внутри КС ограниченного количества причинно-следственных связей адаптация КС к формам воздействия извне, разнообразие которых не ограничено для любого КС, сводится к формированию ограниченного количества наборов способов прекращения возбуждений. При этом в каждый набор входят способы, которые формируются в результате перемещения возбуждений по совпадающим в большей своей части маршрутам. Таким образом, детерминистские процессы в КС предполагают образование у сообществ устойчивых приёмов адаптации к окружающей среде – внутриорганизменной и внешней.
Возбуждения в КС начинаются с воздействий на рецепторы из органов и систем организма и внешней среды. Так в нейронные узлы, генерирующие ритм дыхания, возбуждение приходит от рецепторов, воспринимающих изменение концентрации кислорода и углекислого газа в крови. Ритм генераторов движения зависит от возбуждений, поступающих от рецепторов, которые контактируют с мышцами. Посредством возбуждения рецепторов регулируется сердечный ритм[6]. Обонятельные, тактильные, зрения, слуха, вкуса и рецепторы других типов контактируют с внешней средой и возбуждаются от её воздействий.
Без воздействий извне КС находилось бы в состоянии относительного покоя. Воздействия из окружающей среды изменяют метаболизм в клетках-рецепторах, возбуждая их. Благодаря переходу возбуждения от клетки к клетке нарушается состояние покоя определённого числа клеток, связанных между собой. Чем продолжительнее воздействие на рецепторы, тем больше нейронов возбуждается. Возбуждения от рецепторов могут усиливаться следами о подобных воздействиях, которые проявляются через воссоздание в клетках устойчивых молекулярных структур в ответ на возбуждения из определённых узлов. Клетки, в которых одновременно или последовательно происходит воссоздание таких структур под влиянием возбуждения, связаны между собой и составляют во время возбуждения нейронную ассоциацию.
Все возбуждённые клетки «стремятся» вернуться к состоянию, в котором они находились до возбуждения. В результате этого совокупность возбудившихся нейронов, связанных между собой, часть сообщества, «стремится» вернуться в исходное состояние. А поскольку возбуждённые клетки многими связями соединены с другими частями сообщества – клетками и узлами, – то возбуждение, в зависимости от его силы и продолжительности, в той или иной степени влияет на всё КС. В итоге изменения метаболизма происходят в значительно большем количестве клеток, чем то, из которого состоит возбуждённая совокупность. Можно говорить, что при сильном и длительном воздействии извне всё КС «стремится» к его прекращению и возвращению в исходное состояние.