40억년이 걸렸습니다. 인간의 두뇌가 생각하고 느끼는 것이 진화하는 데는 이렇게 오랜 시간이 걸렸습니다. 그리고 상상할 수 없을 정도로 오래 전에 살았던 가장 단순한 단세포 유기체조차도 오늘날 우리가 직면해야 하는 동일한 문제를 해결해야 했기 때문입니다. 믿기 힘들겠지만 우리의 신경계는 스펀지 덕분에 만들어졌습니다. 이 과정은 어떻게 진행됐나요?
대부분의 진화 사건과 마찬가지로 뉴런의 출현도 갑자기 발생하지 않았습니다. 그들은 해면동물에서 쏘는 새로 변하는 동안 일어난 작은 변화를 통해 점진적으로 발전했습니다.
태초에는… 스펀지가 있었습니다
성체 해면은 ... 일반적으로 단단한 바닥에 붙어 있는 채로 앉아 있는 생물입니다. 그러나 그들은 젊었을 때 자유롭게 헤엄칠 수 있었고 많이 움직일 수 있었습니다. 해면 유충의 몸 바깥 표면은 어린 몸이 돌아다니는 데 사용하는 섬모라고 불리는 돌기로 덮여 있습니다. 섬모는 세포(소위 섬모세포당 하나씩)에 부착됩니다. 그들은 편모 세포와 유사합니다.
어린 해면에는 서로 다른 위치에 두 가지 유형의 섬모 세포가 있습니다. 짧은 섬모는 유충의 몸 표면 대부분을 덮고 있는 수영 세포에서 발견됩니다. 이러한 섬모의 지속적인 박동으로 인해 유충이 이리저리 움직이게 만드는 무작위적이고 초점이 맞지 않는 움직임이 발생합니다. . 반면에 긴 섬모는 몸의 한쪽 끝에 집중된 대조 세포에 들어 있습니다. 그들은 빛에 민감합니다(…). 섬모는 스펀지가 성년이 되면 사라집니다.
위의 텍스트는 Copernicus Center Press에서 최근 출판된 Joseph LeDoux의 최신 저서 "우리 의식의 역사"에서 발췌한 것입니다.
Gaspar Jekely는 어떻게 해면 유충의 섬모 기반 수영이 쏘는 딱정벌레의 뉴런 출현의 길을 열었는지에 대한 흥미로운 가설을 제안했습니다. Jekely에 따르면 뉴런은 감각운동 통합을 개선하기 위해 먼저 진화했습니다.
해면의 원생생물 조상과 밀접한 관련이 있는 와편모충은 단 하나의 세포로 빛을 감지하고, 헤엄치고, 움직임을 제어(먹고 번식하는 것 포함)해야 한다는 점을 기억하십시오. 해면 유충은 세포가 많다는 장점이 있으며, 이들의 유전자는 개별 세포 간에 작업을 분배할 수 있습니다.
일반적인 동작 제어에서 빛 감지를 분리함으로써 해면 유충은 수영 기능에서 감각 기능을 분리했습니다. 그러나 문제가 발생했습니다. 감각 세포는 신체의 다른 곳에 위치하며 화학적 전달이 너무 느리기 때문에 수영 세포에 빠르게 영향을 미칠 수 없습니다. 해결책은 짧은 섬모를 가진 세포가 유충을 지속적으로 혼란스러운 움직임으로 유지하고, 긴 섬모를 가진 감각 세포는 자극을 감지하는 것 외에도 수영보다 덜 까다로운 작업인 조종을 담당한다는 것입니다.
뉴런은 하루아침에 만들어지지 않았습니다
그러나 이는 뉴런이 궁극적으로 가능하게 한 것에 비해 비효율적인 것으로 판명되었습니다. 그렇다면 뉴런과 시냅스는 어떻게 발달했는가?
Jekely의 가설에 따르면 변형은 몇 단계로 이루어졌습니다. 첫 번째 가설적 변화는 감각 세포와 운동 세포가 서로 가까이 모여 있다는 것이었습니다 신체의 다른 부분 대신에(빛 감지/제어 세포 및 수영 세포에서와 같이). 감각 세포에서 분비되는 화학 물질은 인접한 운동 세포체로 확산되어 짧은 거리에서 작동하는 활동을 조정할 수 있습니다.
그런 다음 감각 세포의 몸체에는 부속기가 발달하여 분비된 화학 물질이 더 멀리 있는 운동 세포에 영향을 미칠 수 있었습니다. 이는 세포 간 화학적 확산의 공간적 한계를 어느 정도 극복하는 데 도움이 되었지만 스파이크가 확장되면서 추가적인 한계가 나타났습니다. 즉, 의사소통은 여전히 감각 세포 부속기의 느린 화학적 확산을 기반으로 했습니다.
해결책은 축색돌기가 되는 부속지 내에서 빠른 전기 통신을 사용하고 감각 세포와 운동 세포 사이의 짧은 간격을 연결하기 위해 느린 화학적 통신을 사용하는 것이었습니다. 그 결과, 감각 세포와 운동 세포 사이의 거리가 덜 중요해졌고 신경계의 한 부분에 있는 세포가 신체의 다른 부분에 있는 세포와 통신할 수 있게 되었습니다 거리에 관계없이.
액션:돌연변이
우리는 일반적으로 진화가 성인의 신체에 어떤 영향을 미치는지에 관해 생각합니다. 그러므로 히드라와 원반이 해면에서 어떻게 발전했는지 상상하기 어렵습니다. 해면동물과 노랑가오리 모두 섬모 유충 단계를 거쳐 투수 폴립으로 발전한다는 사실을 알면 그 과정을 더 쉽게 이해할 수 있습니다. 즉, 자연선택에 의해 해면발달 패턴의 유전적 변형이 폴립의 형태로 성숙한 유충으로 발달할 수 있었고, 이것이 곧 노랑가오리 진화의 출발점이 되었다는 것이다.
삶의 초기 단계는 성인 개체의 신체 형태보다 종과 진화 조상의 관계를 더 잘 반영하는 경향이 있습니다. 이는 자연 선택이 유전자가 유기체를 구성하는 방식을 변경하기 때문입니다 개인 발달 중. 발달상의 돌연변이가 유리한 경우 인구 집단에서 더 흔해지고 특정 형질이 충분히 많은 수의 개인에 의해 획득되면 Bauplan 너무 많이 변해서 새로운 종이나 심지어 유형이 생겨납니다. 초기 발달과 진화의 긴밀한 관계는 소위 evo-devo 라고 불리는 발달의 진화생물학의 관심을 끌고 있습니다. .
자연 선택은 개체가 발달하는 동안 유전자가 유기체를 구성하는 방식을 변경합니다.
해면이 우리에게 신경계를 제공한 방법 에 대한 역사에는 또 다른 중요한 이야기가 있습니다. . 음, 스펀지 자체에는 뉴런이 없지만 세스 그랜트(Seth Grant)가 기본 프로토시냅스 요소라고 부르는 것을 가지고 있습니다. 더 구체적으로 말하면, 후기 동물에서는 시냅스 전 부위(예:시냅스 틈으로 방출되기 전에 신경 전달 물질을 패키지에 저장하는 구조를 구성하는 단백질을 코딩하는 유전자)와 시냅스 후 부위를 담당하는 유전자(예:예를 들어, 방출된 신경전달물질에 결합하는 수용체를 코딩하는 유전자)뿐만 아니라 형성된 시냅스 접합을 안정화하는 데 사용되는 접착 분자를 코딩하는 유전자도 있습니다.
이러한 주요 성분이 있음에도 불구하고 해면이 시냅스를 발달시키지 못한 이유는 무엇입니까? 이들에게는 발달 초기 단계에서 조화로운 방식으로 유전자 발현을 유발하여 신경계가 발생할 수 있는 분자 신호가 부족한 것 같습니다.
시냅스 전 요소와 시냅스 후 요소의 조합을 안내하는 유전적으로 암호화된 발달 프로그램이 없으면 감각 정보에 반응하여 행동을 정확하게 제어하는 것이 불가능합니다. 단순히 인접한 세포를 연결하고 붙이는 것만으로는 동물의 뇌를 만드는 데 충분하지 않습니다. 시각, 촉각 또는 미각 신호를 전달하는 데 특화된 시냅스를 개발하거나 특정 자극에 대해 신체의 특정 부분이나 신체 전체의 움직임을 지시할 수 있는 능력을 개발하려면 세포 간 연결의 정밀한 구조가 필요합니다.
신경을 건드리다
이러한 기본적인 원시냅스 요소 중 일부가 플랜지 편모에서도 발견된다는 점은 특히 매력적입니다. 이들 원생생물이나 해면 모두 뉴런과 시냅스를 형성하는 데 사용되는 유휴 시간이 없었지만 다른 목적으로 사용되었습니다. 신체의 서로 다른 부분 사이의 의사소통 문제를 해결하기 위해 뉴런 사이에 시냅스를 생성해야 할 때가 되었을 때 기존 요소가 이를 위해 사용되었습니다. . 그리고 일단 이 요소들이 노린재에 의해 시냅스 전달을 위해 활용되면 이후의 모든 동물에서도 이 역할을 유지하게 됩니다.
노린재의 신경계는 기본적이며 주로 단순한 신경망, 즉 피부와 같은 조직의 바깥층 전체에 흩어져 있는 뉴런의 집합체로 구성되어 있습니다. (흥미로운 세부 사항:발달 중인 배아의 외배엽층에서 뉴런과 피부 세포가 모두 발달하는 피부와 뉴런 사이의 관계가 우리와 같은 척추동물에서 보존되었습니다.)
모든 후속 신경계와 마찬가지로 스팅어의 신경 네트워크는 본질적으로 세 가지 기본 작업을 수행하는 감각운동 통합 시스템입니다. 첫째, 빛, 촉각, 중력 또는 화학 물질에 민감한 감각 수용체로부터 메시지를 받습니다. 둘째, 감각 메시지를 선택하고 처리합니다. 셋째, 근육 활동을 제어하는 운동 명령을 생성합니다.
믿기 힘들겠지만 우리의 신경계는… 스펀지 덕분에 만들어졌습니다.
이를 통해 신체의 여러 부분이 단일 개체로 반응할 수 있습니다. 그러나 신경망은 운동 반응의 정확한 위치 파악을 허용하지 않습니다. 히드라는 신체의 어느 부분이 자극에 접촉하든 상관없이 동일한 방식으로 반응합니다.
수국과 같은 폴립 모양의 스튜에는 일반적으로 분산된 신경 네트워크만 있는 반면, 해파리 모양의 디스크에서는 뉴런도 클러스터로 모입니다. 예를 들어, 일부 뉴런은 해파리의 우산 주위에 신경 고리를 형성하여 빠르게 수영하는 동안 움직임을 제어합니다. 다른 것들은 더듬이에 집중되어 있으며 자유롭게 수영하고 먹이를 포획하고 성적 재생산 중에 정자 이동을 제어합니다. 따라서 이러한 서로 다른 로컬 뉴런 세트는 신경망 자체보다 자극에 대해 더 정확한 반응을 가능하게 합니다.
과학은 숲으로 가지 않았습니다
Detlev Arendt와 동료들에 따르면, 유전적 발견은 원반의 우산과 입에 있는 뉴런 집단이 쏘는 딱정벌레에서 진화한 양측 대칭 동물의 특징인 더 복잡한 신체 및 뇌 계획의 전구체임을 나타냅니다. 우산 다발은 대부분의 후생동물 의 머리 부분에 나타나는 특수 뉴런 세트의 전구체인 것으로 보입니다. (즉, 우리가 두뇌라고 알고 있는 것의 전조입니다). 입과 더듬이 주위에 위치한 또 다른 클러스터는 뇌를 신체의 나머지 부분(척추동물에서는 척수)에 연결하는 후기 신경 줄기로 연장되었을 수 있습니다.
여기에 설명된 과정은 감각 세포와 운동 세포 사이의 통신에 대한 필요성으로 인해 뉴런이 탄생했음을 보여줍니다 . 우리는 이전에 신경계를 감각과 운동 측면을 결합한 장치로 정의했지만 이제는 신체의 감각 세포와 운동 세포 사이에 있고 신체의 근육 움직임을 조정하는 세포 모음이라고 말함으로써 이 정의를 확장할 수 있습니다. 감각 자극에 반응하여. 일부 유기체에서는 신경 매개가 상대적으로 간단하지만(가오리 신경 네트워크 등) 다른 유기체에서는 매우 복잡합니다(척추동물 뇌 등). 신경생물학의 위대한 선구자인 찰스 스콧 셰링턴(Charles Scott Sherrington) 경은 다음과 같이 말했습니다. "뇌는 움직이는 동물에게 전달되는 신경 활동의 줄기인 것 같습니다."
그러나 신경계가 A 지점에서 B 지점으로 정보를 전달하기 위해서만 존재한다면 행동은 단순한 타고난 반응으로 제한될 것입니다. 신경계의 가장 큰 장점 중 하나는 유기체가 환경과 상호 작용할 때 뉴런을 쉽게 수정할 수 있다는 것입니다. 시냅스 가소성이라고 불리는 이 능력은 학습의 기초입니다.
캄브리아기 동물 신체 폭발의 핵심 요인은 신경계 기반 학습의 출현이었다고 제안되었습니다. 신경계가 없는 유기체도 학습할 수 있지만(단세포 미생물을 학습하는 능력을 기억하세요) 학습이 훨씬 더 복잡하고 유연해진 것은 신경계 덕분입니다. .
위의 텍스트는 Copernicus Center Press에서 최근 출판된 Joseph LeDoux의 최신 저서 "우리 의식의 역사"에서 발췌한 것입니다.
그리고 이러한 생존 툴킷의 현대화에는 다양한 보디빌딩 계획이 있을 수 있습니다. 예를 들어, 신경 학습은 새로운 틈새를 획득하는 능력을 향상시켰을 수 있으며 이로 인해 생존에 필수적인 신체 특징이 변경될 수 있습니다. 또한 포식자와 먹이 모두 학습할 수 있기 때문에 진화적인 군비 경쟁을 가속화하여 전례 없는 신체적 특성의 변화를 가져올 것입니다. 그리고 신체 계획이 더욱 다양해지면서 시간이 지남에 따라 생존 기술 학습의 역할이 증가했습니다.출처:
위의 텍스트는 Copernicus Center Press에서 최근 출판된 Joseph LeDoux의 최신 저서 "우리 의식의 역사"에서 발췌한 것입니다.
