есть ли у червей мозги
Ученые оцифровали мозг червя и загрузили его в робота
Мозг – это не только набор электрических сигналов. Ученые считают, что если мы сможем узнать абсолютно все о том, как он работает, то, по крайней мере в теории, сможем оцифровать чей-нибудь разум, а затем загрузить его в компьютер, тем самым создав фактически бессмертную цифровую личность, как это было, например, показано в фильме «Превосходство» с Джонни Деппом. Звучит фантастически, безусловно, но ученые движутся в этом направлении. Если говорить о мозге человека, то мы даже близко к такому уровню не подобрались, однако некоторые успехи продемонстрировала команда международных ученых, которая оцифровала мозг круглого червя Caenorhabditis elegans.
Ученые очень хорошо изучили крошечную нематоду Caenorhabditis elegans. Нам известны все ее гены, а также особенность ее нервной системы. Поэтому в 2014 году исследователи в рамках проекта OpenWorm смогли составить карту соединений между всеми 302 нейронами червя и на основе полученных данных создать цифровую версию системы его нейронов. Основная задача проекта заключалась в полной репликации Caenorhabditis elegans в виде цифрового организма, однако исследователи решили пойти дальше и не только создали цифровую версию мозга нематоды, но еще и загрузили ее в простого робота, созданного из конструктора Lego.
Этот робот фактически является физическим воплощением червя и имеет все необходимые эквивалентные части тела нематоды: сонарный датчик, который действует в качестве обонятельной системы, и набор моторчиков, которые выполняют функцию моторных нейронов червя, с каждой стороны его тела. Удивительно, но без каких-либо заранее внесенных запрограммированных инструкций оцифрованная версия нейронной системы Caenorhabditis elegans действительно способна управлять роботом.
«Заявляется, что робот способен вести себя аналогично поведению, демонстрируемому живым червем Caenorhabditis elegans. Внешняя стимуляция датчика, симулирующая его орган обоняния, заставляет робота остановиться. Прикосновение к передним и задним сенсорным датчикам, а также стимуляция сенсора, отвечающего за пищевую систему, заставляет его двигаться вперед или назад», — пишет сайт I-Programmer.info.
Тимоти Бусбице, учредитель проекта OpenWorm, в свою очередь, выложил на YouTube видео, в котором показана «жизнедеятельность» Lego-червя. Он двигается вперед-назад, останавливается и снова двигается.
Исследователи отмечают, что цифровая симуляция работы мозга червя неидеальна и в некоторых моментах упрощена. Например, ученым пришлось упростить процесс, выступающий триггером для активации искусственных нейронов. Но факт того, что робот действительно двигается сам по себе, может останавливаться перед препятствием, а затем пятиться назад, используя для этого ничего более, чем просто оцифрованный код, имитирующий работу нейронов мозга червя — выглядит довольно впечатляюще.
Проект OpenWorm продолжает свою работу и является полностью открытым. На его официальном сайте имеются симуляционные модели и визуализация цифровой нематоды. Сейчас исследователи хотят восстановить работу некогда созданного ими iOS-приложения, позволяющего следить за деятельностью цифрового червя (этакий аналог «Тамагочи», только без прямого управления), поэтому ищут людей, готовых им помочь в этом деле.
И все же цифровые черви – это так, забава. Ключевая цель проекта заключается в создании коннектома — описания всех нейронных связей человеческого мозга. В итоге даже если мы не сможем загрузить наши мозги в компьютеры, а всего лишь научимся создавать их симуляционные модели, то даже это внесет существенный вклад в развитие искусственного интеллекта и в целом компьютерных систем.
Цифровую модель мозга червя-нематоды загрузили в робота из Lego
Моделирование работы мозга человека — задача, выполнить которую ученые смогут только в отдаленном будушем (если вообще смогут). Отобразить в цифровой модели все эти миллиарды соединений между нейронами, а также смоделировать обмен информацией пока никому не под силу.
Но это касается мозга человека. А вот упрощенную модель мозга простейшего червя-нематоды уже создали. На Гиках уже публиковалась статья о проекте OpenWorm, участники которого стараются создать цифровую модель червя, как мозг, так и все тело.
Дело в том, что нематода — очень простой организм, состоящий всего из 900 с лишним клеток. Нервная система червя состоит из 302 нейронов. Взаимодействие между отдельными клетками и системами давно описано, поэтому создать цифровую копию относительно несложно (по сравнению со сложностью моделирования в цифре более сложных организмов).
Как бы там ни было, ученым все же удалось описать работу и связи между всеми 302 нейронами мозга червя, а также симулировать работу мозга в цифровой модели. Цифровую модель ученые поместили в робота из Lego Mindstorms EV3 (обзор его на Гиках), все элементы которого имеют свои аналоги в теле реального червя. Так, сонар здесь заменил нос червя, а сервоприводы — двигательные нейроны в каждой части тела червя.
Удивительно, но без всяких дополнительных инструкций робот смог самостоятельно передвигаться, причем поведенческие паттерны робота схожи с аналогичными паттернами обычного червя. Так, активизация «пищевого сенсора» заставила робота двигаться вперед, а прикосновение к переднему или заднему сенсору приводило к движению робота вперед или назад.
Стоит отметить, что симуляция мозга все же не является полной — ученые использовали некоторые упрощения и приближения для запуска цифровой копии в обозримое время. Но фактом является то, что даже такая, упрощенная копия, смогла защитить робота от столкновения с препятствиями (без дополнительных инструкций в программе). Кроме того, робот смог самостоятельно выбирать направление движения, что также можно назвать значительным достижением.
Черви могут регенерировать утраченную голову вместе с воспоминаниями
Некоторые воспоминания никогда не стираются из памяти. Более того, они могут перекочевать на совершенно другой мозг. Об этом заявили ученые из Университета Тафтса, которые уже на протяжении долгого времени изучают мелких желтых червей, известных как планарии. Интерес к данным червям вызван их высокой способностью к регенерации. Их организм способен восстанавливать не только целые потерянные органы, но и части тела. После потери головы и шеи организму червяка под силу вырастить новый мозг, который в кратчайшие сроки восстанавливает утраченные навыки.
Ученые проверяли память червей методом измерения времени, которое понадобится червям, чтобы найти еду в лабораторных условиях. Мелкие черви любят открытое пространство и яркий свет, но в лабораторных условиях им приходилось игнорировать его в обмен на еду. После обезглавливания обученные черви смогли преодолеть свои страхи и начать питаться намного быстрее, чем их необученные родственники. Правда, стоит отметить, что на восстановление воспоминаний нужно было некоторое время. Они не возвращались молниеносно.
К сожалению, почему это происходит, ученые пока не выяснили. Именно мозги червей контролируют тело. Ученые предполагают, что некоторые воспоминания могут храниться не только в голове, но и в других частях тела. Они также предполагают, что мозг изначально модифицирует нервную систему, которая позже оказывает влияние на новый мозг в ходе его регенерации.
Результаты проведенного исследования будут опубликованы в британском научном журнале The Journal of Experimental Biology. В будущем данная особенность памяти у червей может быть использована в ходе изучения механизма работы памяти. Это может показаться глупостью, но множество ученых по всему миру работают в этом направлении с целью найти эффективный способ для лечения зависимости от наркотиков и абстинентного синдрома.
Если бы человеческий организм отличался такой же высокой способностью к регенерации, не нужно было бы пересаживать голову.
Могут ли паразиты контролировать ваш разум?
Некоторые паразиты обладают способностью изменять поведение своих хозяев. Они делают это, захватывая нервную систему хозяина путем выделения нейромедиаторов.
Сегодня мы обнаружили безумные способы, которыми микроорганизмы могут обмануть своих хозяев, чтобы выжить. Самой причудливой из этих способностей является контроль сознания. Некоторые микробы разработали специальные методы для манипулирования поведением своего хозяина. Их контроль над разумом настолько силен, что носители могут в конечном итоге потерять свои жизни из-за своих микробных повелителей.
Их преступление? Управляя разумом своих хозяев в самопожертвование.
Эти бактерии, ласково называемые Toxo, могут быть причиной, по которой вы так любите свою кошку. Этот простейший паразит использует кошек для спаривания и откладывания яиц. Яйца уходят через кошачью корму, ожидая попадания в промежуточного хозяина, где они могут вылупиться и вырасти. Как только они все вырастут, токсо возвращается к кошкам, перезапуская цикл.
Как они возвращаются к коту? Управляя разумом, промежуточный хозяин, конечно же, должен принести себя в жертву кошке.
Наиболее распространенными промежуточными хозяевами являются грызуны, естественная добыча кошки. Токсо захватывает разум крысы, заставляя ее забыть бояться кошек. Исследователи обнаружили, что крысы, зараженные токсо, не убегают от кошек, как их неинфицированные пушистые особи. На самом деле, их реакция на другие страшные вещи также притуплена.
Эти факты слегка беспокоят крыс, но очень страшны, когда то же самое возможно у людей. Одна треть населения имеет токсоплазмоз, что делает его одной из самых распространенных паразитарных инфекций среди людей. Токсо может сделать эту треть менее напуганной и более подверженной риску. Исследование, опубликованное в 2002 году, показало, что люди с токсоплазмозом попадают в автомобильные аварии. Ученые даже исследуют связь между токсо и шизофренией.
Ведущая теория о том, как токсо контролирует своих жертв, основана на допамине. Дофамин является нейротрансмиттером, химическим веществом, которое помогает нейронам передавать информацию между собой, особенно тем, кто связан со страхом, передвижением и центрами вознаграждения мозга. Особенности использования Toxo допамина остаются нерешенными.
Преступление? Создание муравьев зомби
В популярной приключенческой видеоигре ужасов «Последний из нас» мир страдает от мозговой инфекции, вызванной не кем иным, как грибами кордицепса. Кордицепс также послужил причиной зомби в книге «Девушка со всеми дарами» и в популярном веб-комиксе под названием «Парень мертвых». Эти популярные культуры используют все соответствующие, учитывая, как эти паразиты функционируют.
L. unilateralis, или грибок зомби-муравьев, становится кукловодом, контролирующим каждое действие своего порабощенного муравья. Бедный муравей, который заражается спорами гриба, может вскоре начать проявлять странные симптомы. Они начинают пренебрегать своей работой и вместо этого начинают карабкаться по стеблям. Оказавшись там, они свисают вверх ногами с листа. Вскоре кордицепс вырывается из тела муравья, разрывая свои споры, чтобы заразить другие муравьиные дома.
Каким образом кордицепс осуществляет этот ментальный захват, остается загадкой. Спора гриба начинается как единая клетка, а затем делится. Эти клетки собираются вместе, образуя сеть трубок, которые проходят через тело муравья. Одним из объяснений контроля над разумом является кукловодство, например, как хозяин кукол дергает за отдельные струны, чтобы перемещать куклу; аналогичным образом гриб контролирует отдельные муравьиные мышцы. Тем не менее это не все объясняет, и постоянно проводятся дополнительные исследования.
Преступление? Поедание хозяина изнутри
Черви конского волоса или гордиевы питаются определенными насекомыми, полностью опустошая их хозяев. Эти тонкие, похожие на волосы черви превращая своих хозяев в свой личный дом. Существует более 300 видов известных конских волосяных червей, которые паразитируют на разных насекомых. Самыми жуткими из них являются паразиты, которые заражают кузнечиков, сверчков и катидидов.
Яйца Paragordius varius оседают на дне водоемов, где они ждут, чтобы их съела личинка сверчка. Личинка растет, претерпевает метаморфозы и покидает свои водные жилища. На суше она живет своей обычной жизнью, по крайней мере, черви хотят, чтобы вы верили. Внутри, однако, эти черви меняют бедного сверчка. Они начинают с того, что заставляют его прекратить свое щебетание. Вскоре черви заставляют сверчка желать плавать, прыгая в воду при виде ее. После черви покидают свой выеденный дом, чтобы спариваться и откладывать яйца.
Что касается того, как они достигают этого контроля сознания, как и вышеупомянутые два (и множество других паразитов), исследователи не нашли все части головоломки, не говоря уже о том, чтобы поставить их на надлежащее место.
Преступление? Глаза гусеницы
Червь попадает в улитку, когда улитка съедает какую-то птичий помёт. Он вторгается в глаза улитки, образуя ее выводной мешок и наполняя его яйцами. Это расположение похоже на пульсирующие и завораживающие гусеницы, все это предназначено, чтобы соблазнить птицу съесть улитку. Однако этой красоты недостаточно. Улитки любят темные и влажные места, места, которые птицы не часто посещают. Вот тут-то и появляется контроль над разумом!
Черви выталкивают улиток на открытое место, где птицы могут легко их обнаружить. Они делают это, подавляя отвращение улитки к свету. Предположение о том, как именно это делается, опять же, к сожалению, не является точным.
Тем не менее бедная улитка заканчивает свою жизнь как корм для птиц, оставляя в ней яйца червя, чтобы потом вылупиться внутри птицы, расти и кормиться.
Преступление? Двойной обман
Бакуловирусы являются окончательными вирусами. У них не один, а два хозяина. Вирус заражает некоторых видов паразитоидных ос, которые в свою очередь используют гусениц в качестве хозяев для своей личинки. Вирус попадает в гусеницу вместе с маленькими осами.
Вирус больше всего интересует ос. Они ведь его главные хозяева. В конце концов, они-его главные хозяева. Поэтому, чтобы гарантировать, что ребенок Осы в гусенице выживет, он берет на себя разум и тело гусеницы. У гусеницы развивается ненасытный аппетит, она ест все, что может. Все это время личинки растут из этого постоянного пиршества. После того, как они все выросли, личинки вырываются из тела гусеницы.
Однако на этом история не заканчивается. Гусеница может просто уйти, чтобы прожить оставшуюся маленькую жизнь, но она останется для защиты преобразующейся молодежи. Ученые считают, что это странное поведение из-за вируса. В конце концов, вирус приобретает нового хозяина, и гусеница делает это возможным.
СОДЕРЖАНИЕ
Анатомия
Форма и функция
Многие дождевые черви могут выбрасывать целомическую жидкость через поры в спине в ответ на стресс; Австралийский Didymogaster sylvaticus (известный как «синий дождевой червь-сквиртер») может разбрызгивать жидкость на высоту до 30 см (12 дюймов ).
Нервная система
Центральная нервная система
Пара окологлоточных соединительных элементов головного мозга окружает глотку, а затем соединяется с парой подглоточных ганглиев, расположенных ниже глотки в четвертом сегменте. Такое расположение означает, что мозг, подглоточные ганглии и окологлоточные соединительные элементы образуют нервное кольцо вокруг глотки.
Периферическая нервная система
Движение
На поверхности скорость ползания варьируется как внутри, так и среди людей. Дождевые черви ползают быстрее, прежде всего, делая более длинные «шаги» и более частые шаги. Более крупные черви Lumbricus terrestris ползают с большей абсолютной скоростью, чем более мелкие черви. Они достигают этого, делая шаги немного длиннее, но с немного меньшей частотой шагов.
Прикосновение к дождевому червю, которое вызывает реакцию «давления», а также (часто) реакцию на обезвоживающую способность соли на коже человека (токсичную для дождевых червей), стимулирует субэпидермальное нервное сплетение, которое соединяется с межмышечным сплетением и вызывает продольное мышцы сокращаются. Это вызывает извивающиеся движения, наблюдаемые, когда человек берет в руки дождевого червя. Такое поведение является рефлексом и не требует ЦНС; это происходит даже при удалении нервного шнура. Каждый сегмент дождевого червя имеет собственное нервное сплетение. Сплетение одного сегмента не связано напрямую со сплетением соседних сегментов. Нервный шнур необходим для соединения нервной системы сегментов.
Гигантские аксоны несут самые быстрые сигналы по нервному шнуру. Это аварийные сигналы, которые запускают рефлекторное побегание. Более крупный дорсальный гигантский аксон передает сигналы быстрее всего, от задней части к передней части животного. При прикосновении к задней части червя вперед быстро посылается сигнал, заставляющий сокращаться продольные мышцы каждого сегмента. Это приводит к тому, что червь очень быстро укорачивается при попытке убежать от хищника или другой потенциальной угрозы. Два медиальных гигантских аксона соединяются друг с другом и посылают сигналы спереди назад. Их раздражение заставляет дождевого червя очень быстро отступать (возможно, он сжимается в своей норе, чтобы спастись от птицы).
Сенсорный прием
Светочувствительность
Эпидермальный рецептор (орган чувств)
Буккальный рецептор (орган чувств)
Эти рецепторы расположены только в эпителии щечной камеры. Эти рецепторы являются вкусовыми и обонятельными (связаны со вкусом и запахом). Они также реагируют на химические раздражители. (Хеморецептор)
Пищеварительная система
Сердечно-сосудистая система
Дождевые черви имеют двойную систему кровообращения, в которой как целомическая жидкость, так и закрытая система кровообращения переносят пищу, отходы и дыхательные газы. Замкнутая кровеносная система имеет пять основных кровеносных сосудов: спинной (верхний) сосуд, который проходит над пищеварительным трактом; брюшной (нижний) сосуд, идущий ниже пищеварительного тракта; субневральный сосуд, который проходит ниже брюшного нервного канатика; и два латероневральных сосуда по обе стороны от нервного канатика.
Насосное действие на спинной сосуд перемещает кровь вперед, в то время как другие четыре продольных сосуда несут кровь назад. В сегментах седьмого по одиннадцатый пара дуг аорты окружает целому и действует как сердце, перекачивая кровь к вентральному сосуду, который действует как аорта. Кровь состоит из амебоидных клеток и растворенного в плазме гемоглобина. Вторая система кровообращения происходит от клеток пищеварительной системы, выстилающих целом. Когда пищеварительные клетки наполняются, они высвобождают неживые клетки жира в заполненный жидкостью целом, где они свободно плавают, но могут проходить через стенки, разделяющие каждый сегмент, перемещая пищу в другие части и способствуя заживлению ран.
Выделительная система
Дыхание
Особых органов дыхания у дождевых червей нет. Обмен газов происходит через влажную кожу и капилляры, где кислород улавливается гемоглобином, растворенным в плазме крови, и выделяется углекислый газ. Вода, как и соли, также может перемещаться через кожу посредством активного транспорта.
Жизнь и физиология
При рождении дождевые черви появляются небольшими, но полностью сформированными, не имея только половых структур, которые развиваются примерно за 60-90 дней. Они достигают полного размера примерно за год. Ученые прогнозируют, что средняя продолжительность жизни в полевых условиях составляет от четырех до восьми лет, в то время как большинство садовых сортов живут всего один-два года.
Размножение
Передвижение
Дождевые черви перемещаются под землей с помощью волн мышечных сокращений, которые попеременно укорачивают и удлиняют тело ( перистальтика ). Укороченная часть прикреплена к окружающей почве крошечными когтеобразными щетинками ( щетинками ), расположенными вдоль ее сегментированной длины. Во всех сегментах тела, кроме первого, последнего и клитора, имеется кольцо из S-образных щетинок, внедренное в эпидермальную ямку каждого сегмента (перихетин). Весь процесс закапывания поддерживается секрецией смазывающей слизи. В результате своего движения по смазанным туннелям черви могут издавать булькающие звуки под землей, если их потревожить. Дождевые черви перемещаются по почве, с силой расширяя щели; когда силы измеряются в соответствии с массой тела, детеныши могут толкаться в 500 раз больше своего собственного веса, тогда как крупные взрослые особи могут толкать только в 10 раз больше собственного веса.
Регенерация
Дождевые черви обладают способностью восстанавливать потерянные сегменты, но эта способность варьируется между видами и зависит от степени повреждения. Стивенсон (1930) посвятил этой теме главу своей монографии, в то время как Г.Е. Гейтс потратил 20 лет на изучение регенерации у множества видов, но «из-за того, что был проявлен небольшой интерес», Гейтс (1972) опубликовал лишь некоторые из своих выводов, которые: тем не менее, показать, что у определенных видов теоретически возможно вырастить двух целых червей из разделенного пополам экземпляра.
Отчеты Гейтса включали:
Сообщается о неопознанном тасманском дождевом черве, у которого растет новая голова.
Таксономия и распространение
Семьи с их известным распределением или происхождением:
Как инвазивный вид
Из в общей сложности около 7000 видов только около 150 широко распространены по всему миру. Это сапсаны или космополитические дождевые черви.
Экология
Воздействие на окружающую среду
Основные преимущества деятельности дождевых червей для плодородия почв для сельского хозяйства можно резюмировать следующим образом:
Способность разрушать органические материалы и выделять концентрированные питательные вещества делает дождевого червя функциональным участником проектов восстановления. В ответ на нарушения экосистем некоторые участки использовали дождевых червей для подготовки почвы для возвращения местной флоры. Исследование Station d’écologie Tropicale de Lamto утверждает, что дождевые черви положительно влияют на скорость образования макроагрегатов, что является важной характеристикой структуры почвы. Также было обнаружено, что устойчивость агрегатов к воздействию воды улучшается при их построении дождевыми червями.
Хотя это еще не полностью определено количественно, выбросы парниковых газов дождевых червей, вероятно, способствуют глобальному потеплению, особенно потому, что дождевые черви, обитающие наверху, увеличивают скорость углеродных циклов и были распространены людьми во многих новых географических регионах.
Экономическое влияние
