Käyttäytymistä ilman hermostoa?
Sivusin aiemmassa tekstissäni näköohjattua käyttäytymistä ilman hermostoa. Käyttäytyminen ilman hermostoa kuulostaa äkkiseltään anarkistipunkbändin nimeltä. Ehkäpä aihe kaipaa vähän lähempää tarkastelua!
Liikkuvalla eläimellä on yleisesti ottaen jonkinlainen hermosto, joka kuljettaa aistien kautta saapuneen tiedon kehoa liikuttaville värekarvoille tai lihaksille. Hermokudos on energiamielessä kallista rakentaa, ylläpitää ja käyttää, joten turhanpäiten sitä ei kannata kasvattaa. Hyödyn on oltava suurempi kuin kustannusten. Yksisoluisten eliöiden keho koostuu nimensä mukaisesti vain yhdestä solusta, jonka on toimittava niin aistimena kuin liikuttimena. Yksisoluisilla siis ei missään nimessä ole hermostoa, eivätkä kaikki monisoluisetkaan sitä tarvitse.
Hermotonta menoa
Löytämäni artikkelin (Jékely 2011) nimi suomentuu vaikkapa näin: Värekarvoilla liikkumista ohjaavien hermoratojen alkuperä ja varhainen evoluutio. Artikkelissa esitetään mahdollisia evolutiivisiä reittejä hermoston kehittymiseen vertailemalla keskenään yksisoluisia alkueliöitä ja eläimiä. En referoi tässä artikkelia kokonaan, vaan haluan esimerkein näyttää, että näköohjattuun käyttäytymiseen ei tosiaankaan tarvita hermostoa.
Fototaksis on tällainen ilman hermostoa toimiva näköohjattu käyttäytymismalli. Fototaksis tarkoittaa liikettä kohti valoa (positiivinen fototaksis) tai valosta poispäin (negatiivinen fototaksis). Jékelyn (2011) esimerkkeinä fototaktisista yksisoluisista alkueliöistä ovat viherlevä Chlamydomonas, silmälevä Euglena, nielulevä Cryptomonas sekä Allomyces-sieni, joka taitaa kuulua vesihomeisiin. Ilman hermostoa fototaktisia monisoluisia ovat ainakin viherleväpallukka Volvox, sekä värekarvoin liikkuvat polttiaiseläinten (joihin aiemman postaukseni esimerkki meduusa kuuluu) ja sienieläinten toukat. Näyttäisi olevan laajalle levinnyttä touhua tuo hermostoton fototaksis!
Fototaksis onnistuu siis näppärästi niin hermoston kanssa kuin sitä ilman. Eroja hermostottomien ja hermostollisten välillä kuitenkin löytyy tehokkuudesta, jolla näköaistimus muutetaan liikkeeksi. Jos värekarva on suoraan kiinni valoaistimessa, sen saa liikkumaan ainoastaan, kun kyseiseinen aistin reagoi valoon. Yhden silmäpisteen aktivoituminen Volvox-pallossa ei hirveästi vaikuta pallon kulkusuuntaan, vaan suunnanmuutokseen tarvitaan jopa satojen silmäpisteiden aistimus.
Hermoyhteys valoaistimen ja värekarvallisten solujen välillä mahdollistaa signaalin vahvistamisen, jolloin yhden valoaistimen reagointi riittää käynnistämään ison joukon "liikuntaelimiä". Näköärsykkeen muuttaminen käyttäytymisreaktioksi on siis tehostunut hermoston keksimisen myötä.
Volvox-viherlevä ja Platynereis-nivelmadon toukka: käyttäytymistä ilman hermostoa ja yksinkertaisen hermoyhteyden avulla.
Volvoxilla (b) on toimiva silmäpiste noin puolessa kaikista värekarvallisista soluistaan (merkitty punaisella). Useiden silmäpisteiden on aktivoiduttava ennen kuin valoaistimus muuttaa Volvoxin kulkusuuntaa.
Platynereis-madon toukalla (d) on kaksi punaisella merkittyä valoaistinsolua, joista kumpainenkin käynnistää tuhatkunta värekarvaa. Toukan reaktio valoon on tehokkaampaa kuin Volvoxin, koska yhden aistimen ärsytys riittää muuttamaan sen kulkusuuntaa. Kuva artikkelista Jékely 2011.
Hyvä hyvä, sanoivat meduusan toukat ja räpyttivät karvaisia silmiään
Etsin ihan mielenkiinnon vuoksi artikkelin (Nordström et al. 2003) myös niistä aiemmin mainituista kuutiomeduusan planula-toukista karvaisine pistesilmineen. Tripedalia cystophora viihtyy Väli- ja Etelä-Amerikan merivesissä. Toukka etenee vedessä pyörimällä korkkiruuvin lailla pituusakselinsa ympäri. Pyörimisen aikana toukan eteenpäin osoittavat silmäpisteet (ks. alla oleva kuva) skannaavat lähiympäristoä. Silmäpisteen valoa aistiva osa ovat mikrovillukset, jotka täyttävät pigmenttikupin sisustan. Mikrovillukset joko venyvät tai rentoutuvat valon osuessa niihin, mikä saa niiden keskellä olevan värekarvan seisomaan muista värekarvoista poikkeavalla tavalla. Sojottavan värekarvan aikaan saama vastus muuttaa toukan kulkusuuntaa.
Tripedalia cystophora -kuutiomeduusan planulavaiheen toukka ja sen silmäpisteen anatomia.
a) Kuutiomeduusan toukalla on peräpuolellaan 10-15 silmäpistettä (c-kirjaimen näköisiä mustia kohoumia), jotka katsovat toukan kulkusuuntaan.
b) Silmäpisteen poikkileikkaus. C:n muotoinen kuppi muodostuu pigmentistä, joka varjostaa keskellään olevia valoherkkiä mikrovilluksia. Tällaisella silmäpisteellä voi aistia paitsi valon läsnäolon, myös sen tulosuunnan. Silmäpisteestä kasvaa värekarva, jonka asento muuttuu mikrovillusten reagoidessa valoon. Pigmenttikupin vasemmalla puolella on kuvattu tuma ja toistakymmentä mitokondriota. Kuva: Nordström et al. 2003.
Tällainen hermoton käyttäytyminen voi tuntua kummalliselta. Kuinka käyttäytyminen voi olla mahdollista ilman aivoja? Tätä mietti aikanaan myös kybernetikko Valentino Braitenberg. Hänen ajatuskokeensa yksinkertaisista, sensorein varustetuista liikkuvista kojeista julkaistiin ihastuttavana pikku kirjana, joka on yksi suosikeistani (Braitenberg 1984). Suosittelen tutustumaan Braitenbergin koneisiin, jos tilaisuus sallii!
Lähteet:
Braitenberg, V. (1984). Vehicles: Experiments in synthetic psychology. Cambridge, MA: MIT Press.
Jékely, G. (2011) Origin and early evolution of neural circuits for the control of ciliary locomotion. Proc. R. Soc. B 278: 914-922.
Nordström, K., Wallén, R., Seymour, J. & Nilsson, D. (2003) A simple visual system without neurons in jellyfish larvae. Proc. R. Soc. Lond. B 270: 2349-2354.
