БИОСЕНСОРЫ ОРГАНОВ ЧУВСТВ
Доктор биологических наук Ф. ГРИБАКИН (Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН, Санкт-Петербург).
СЕНСОРНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ И СИСТЕМЫ
Критически настроенный читатель, а именно ему адресована эта статья, прочтя ее название, несомненно, упрекнет автора в терминологическом эклектизме. Действительно, словосочетание "биосенсоры органов чувств" интуитивно воспринимается неспециалистом как тавтология. Оно режет слух, колет глаз и раздражает чутье российского специалиста-физиолога, привычно использующего латинизированный термин "сенсорные системы", как-то незаметно пришедший на смену "анализаторам" И. П. Павлова.
Как же соотносятся понятия "органы чувств", "сенсорные системы" и "биосенсоры"? Несомненно, наш глаз - это орган зрения, ухо - орган слуха, нос - орган обоняния, а язык - орган вкуса. Однако человека по его сенсорному оснащению вовсе не следует считать венцом творения. Он не видит ультрафиолетового излучения и поляризованного света, как насекомые; не слышит ультразвук и не пользуется им для эхолокации, как летучие мыши и дельфины; а как "выглядит", например, образ океанской электромагнитной погоды(!) для рыбы, обладающей системой электрорецепторов, человек даже и представить себе не может, так как не имеет нужных "биосенсоров". Да и наши названия органов чувств часто лишены смысла по отношению к беспозвоночным животным, явно доминирующим в биосфере по числу видов. Насекомые, например, лишены носа в нашем понимании, хотя чувствительность их хемосенсорных систем с обонятельными рецепторами на усиках-антеннах не уступает обонянию собаки. Но тем не менее миниатюрный мозг насекомого просто не в состоянии различать и идентифицировать такое громадное количество запахов, как на много порядков более мощный собачий мозг ("нос").
Итак, биосенсоры - датчики для получения информации о процессах, происходящих во внешней среде. Термин "биосенсоры" - скорее технический, чаще всего под ним подразумеваются прежде всего создаваемые современной биотехнологией на основе биомолекул искусственные датчики. Для физиологии "биосенсоры" - это просто рецепторные, или сенсорные, клетки. Они располагаются в органах чувств и предназначены для решения сложной диалектической задачи: изменяться под влиянием внешнего сигнала (иначе он не дойдет до нервной системы), оставаясь, однако, самими собой даже при очень сильных воздействиях. В качестве семантического курьеза стоит отметить, что по мере развития представлений о межклеточной и внутриклеточной сигнализации термин "рецепторы", широко применявшийся для обозначения рецепторных клеток органов чувств в 60-70-е годы, постепенно взяли на вооружение специалисты по молекулярной биологии. Теперь под словом "рецептор" они однозначно подразумевают белковую молекулу, избирательно взаимодействующую с гормоном, нейромедиатором или феромоном, то есть с сигнальным веществом.
Что же касается понятия "сенсорные системы", то оно включает в себя не только рецепторные клетки, но и всю систему обработки передаваемых ими сигналов, то есть мозг. Таким образом, например, оптические биосенсоры, или фоторецепторы, превращают видимое изображение в "нейроизображе ние". Чтобы почувствовать, как наш мозг "видит" и обрабатывает информацию, заключенную в нейроизображении, поставим простой эксперимент. (Этот опыт много лет назад продемонстрировали сотрудники Института проблем передачи информации РАН Г. М. Зенкин и А. П. Петров.) Войдем в хорошо затемненную комнату и, оставаясь там в течение 10-15 минут, привыкнем к темноте. Затем возьмем в правую руку заранее приготовленную импульсную фотовспышку, направим ее на ближайший предмет, скажем на собственную свободную руку, и нажмем спусковую кнопку. Вспышка длительностью около миллисекунды давно кончилась, свет уже не действует на сетчатку, но мы четко видим... нейроизоб ражение собственной руки. Уберем ее за спину: где же она на самом деле? Глаз (точнее, зрительная система!) говорит, что рука перед нашим лицом, а соматосенсорная система утверждает, что рука за спиной... В течение примерно 10 секунд мы еще видим так называемый последовательный образ. Смотрим глазом, а видим мозгом. Это давным-давно известное человечеству свойство сенсорных систем нашло отражение в языке: "смотреть" и "видеть", если речь идет о зрении, "слушать" и "слышать" - о слухе, "нюхать" и "чуять" - это уже об обонянии. Таким образом, в основе восприятия информации извне лежат сенсорные рецепторы, которые "понимают" язык внешней среды. За ними располагаются более или менее совершенные звенья анализа информации, но они общаются и друг с другом, и с сенсорными рецепторами исключительно на языке нервных сигналов.
В зависимости от физической природы воспринимаемых стимулов известные рецепторные клетки включают в себя: фоторецепторы (зрительная система), хеморецепторы (обонятельная и вкусовая системы), механорецепторы (фонорецепторы в слуховой системе, рецепторы органов равновесия, рецепторы наружных покровов тела), терморецепторы, гигро- и электрорецепторы. Возможно, в будущем этот список пополнится. С разными стимулами работают разные сенсорные системы: со светом - зрительная, с механическими колебаниями в среде - слуховая и акустико-латеральная (органы боковой линии у некоторых водных животных), с идентификацией пищевых веществ - вкусовая, с пахучими сигналами - обонятельная; положение организма в пространстве и установку тела определяет система органов равновесия; механические, температурные и ряд иных характеристик внешней среды оценивает соматосенсорная система ("осязание"), а электрическую "погоду" в водоемах - электросенсорная. Как уже говорилось, этими системами в том или ином сочетании снабжены живые организмы, но не все они представлены у человека.
МОРФОЛОГИЯ, ФИЗИОЛОГИЯ, БИОХИМИЯ...
Любому путешественнику нужна географическая или топографическая карта, показывающая расположение и характеристики населенных пунктов, водоемов, естественных препятствий и, конечно же, связи между этими объектами - от тропинок до магистралей. Точно так же и исследователю сенсорных систем необходимо иметь описание структурной организации органов чувств и их связей. Без этого любое физиологическое или биохимическое исследование не стоит даже предпринимать. В отношении "конструкции" морфологи всегда выступают в роли путешественников-первопроходцев. Решительный прорыв в изучении нервной системы в целом и сенсорных систем в частности стал возможным только после классических работ нейроморфологов, нобелевских лауреатов 1906 года - С. Рамон-Кахаля (Испания) и К. Гольджи (Италия). Из отечественных специалистов наиболее значителен вклад академика А. А. Заварзина (1886-1945). В любой биологический процесс (физиология) вовлекаются клеточные структуры (морфология), в которых и взаимодействуют биомолекулы (биохимия). Поэтому сегодня, чтобы добиться успеха, специалист-биолог должен в равной степени владеть представлениями морфологии, физиологии, биохимии, генетики и иммунологии.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ
В ходе эволюции у многих животных чувствительность сенсорных рецепторов достигла физического предела. Так, фоторецепторы способны регистрировать акты поглощения единичных световых квантов и сигнализировать о них зрительным центрам. Именно в таком режиме работает зрение человека при очень слабом освещении, в сумерках или ночью, когда "все кошки серы". Наша слуховая система также находится на высшей грани чувствительности - будь наше ухо на порядок чувствительнее, оно бы воспринимало броуновский шум молекул окружающего воздуха. Электросенсорные системы таких животных, как скаты, замечают изменения напряженности электрических полей всего 0,01-0,10 мкВ/см, а обонятельные системы позвоночных обнаруживают 10-100 молекул сигнального химического вещества, например полового феромона, примерно среди 2,7.1019 молекул, составляющих 1 см3 воздуха.
Диапазон естественных стимулов (его называют динамическим), в котором работают сенсорные системы, чрезвычайно широк. Так, человек пользуется зрением в диапазоне девяти порядков освещенности (от безлунной ночи до солнечных пляжей или горнолыжных курортов). Наша слуховая система, воспринимая акустические колебания между слуховым порогом чувствительности и болевым ощущением, перекрывает 12 порядков. Естественно, что для использования сенсорных систем в столь широких пределах организмам пришлось "изобрести" способы сужения динамического диапазона. Это позволяет приводить внешний сигнал к уровню, доступному для обработки. Одни приспособления (например, линзовая система глаза, ушная раковина) используются для усиления сигнала с целью выделить его из шума, создаваемого средой и самой нервной системой, другие (зрачок глаза позвоночных животных и головоногих моллюсков), наоборот, - для его ослабления. Однако помимо этих устройств сенсорные системы снабжены весьма изощренными способами фильтрации биологически важной информации, которые работают и на уровне одиночной рецепторной клетки, и на уровне сенсорных систем. Изучением принципов детектирования внешних сигналов и обработки полученной информации и занимается сенсорная физиология.
УСТРОЙСТВО СЕНСОРНЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Необходимость воспринимать внешние сигналы предопределяет и положение сенсорных клеток в организме: как правило, они располагаются на границе с внешней средой, что для весьма чувствительных клеток небезопасно. В наиболее трудных условиях оказываются хеморецепторные клетки - вкусовые и обонятельные. Правда, высшие животные предпочитают периодически отбирать для анализа небольшие отдельные пробы (например, слегка принюхиваясь), а также защищать чувствительную поверхность с помощью специальной защитной смазки (обонятельной слизи у позвоночных, рецепторной лимфы у насекомых), проницаемой для сигнальных молекул. Другие рецепторы защищены иначе. Фоторецепторы, например, изолированы от воздействия химических и механических стимулов прозрачными барьерами (свето-преломляющим аппаратом). Рецепторы же органов равновесия и слуха размещаются внутри специальных сложно устроенных органов. Электрорецепторы ската тоже не имеют прямого контакта со средой, а соединяются с ней открывающимися наружу специальными каналами, которые заполнены желе, хорошо проводящим электрический ток, а стенки этих каналов выстланы слоем клеток-изоляторов. Вся система напоминает хорошо известный портативный тестер, состоящий из измерительного прибора и двух проводов со щупами.
Обычно у сенсорной клетки различают входное устройство, преобразователь и выходной механизм. На входе специализированный аппарат избирательно воспринимает стимулы извне; задача преобразователя, то есть цепочки биохимических процессов, - усиливать поступивший сигнал и переводить его на язык внутриклеточных сигналов. И, наконец, уже закодированный внутриклеточный сигнал передается на выходе в нервную систему.
Рецепторная клетка напоминает айсберг и, подобно ему, имеет надводную и подводную части. Подводная часть взаимодействует с другими клетками, обеспечивая жизнедеятельность своей хозяйки, а также передачу сигнала в нервную систему. Рецепторная клетка, как и любая другая, ограничена мембраной , и естественно, что любое возмущение во внешней среде будет воздействовать прежде всего на надводную часть айсберга - так называемый сенсорный домен. Его мембрана и есть биосенсор органов чувств.
Детальное изучение сенсорного домена связано с работами доктора биологических наук Я. А. Винникова (1910-1997) и коллектива, который он в 60-70-е годы возглавлял в нашем институте. Именно эти исследования показали, что биосенсор, как правило, оснащен специализированным органоидом - жгутиком. Сенсорные жгутики, часто 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 еще и микроворсинки. Эти исследования, признанные во всем 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 не менее замечательно. Их наружный сегмент образован плотно упакованными волокнами, плазматическая мембрана которых тоже содержит зрительный пигмент. По сути, 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; и тогда возникает различие в поглощении света в зависимости 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. Как правило, 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 образом 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, то есть 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, с помощью которого активность ионных каналов меняется в зависимости 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, во многом 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, как правило, 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 образом, 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 сих пор. 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. Быть может, 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 зависит 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 нам, но 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 конечном 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 с помощью весьма ограниченного набора базовых принципов, природных биотехнологических механизмов и нейронных сетей. В этом отношении 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 внешнего мира и общими принципами переработки информации или оно в основном 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 есть еще 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.
Читайте в любое время
