ЭВМ и живой организм

Драбкин Александр Семенович

Нужно сказать, что летучие мыши способны обнаружить свою жертву во время полета в полной темноте. Эти ночные хищники испускают серию ультразвуковых сигналов и по характеру их отражения от предметов («ультразвуковая локация») определяют местоположение, направление полета и расстояние до возможного объекта нападения.

Механизм «ультразвуковой локации» мыши настолько совершенен, что она может обнаружить насекомое много меньше москита.

Некоторые ночные мотыльки имеют уши, способные различать ультразвуковые сигналы мыши. Эти насекомые, услышав приближение врага, резко меняют направление своего полета, начинают петлять или взмывают вверх с огромной

скоростью, удаляясь от источника ультразвука. Любопытно отметить, что такое насекомое меняет направление своего полета раньше, чем ультразвуковой сигнал, отразившийся от его тельца, возвращается обратно к мыши.

Слуховые органы мотылька размещены на задней части его грудной клетки и имеют выходные отверстия в районе сужения между брюшком и грудной клеткой. Каждое ухо выглядит, как маленькая раковина, внутри которой ясно видна барабанная перепонка, закрывающая воздушную полость. Внешние сигналы, воспринимаемые барабанной перепонкой через воздушную полость, передаются в центральную нервную систему мотылька к нервным волокнам, поддерживающим скелет, по тончайшему каналу. Внутри этого канала размещаются два акустических нервных волокна, известные, как А-волокна. Они-то и передают «волну ощущений» от барабанной перепонки к скелетным нервным волокнам. (Используя техническую терминологию, можно сказать, что два А-волокна собирают всю информацию о звуках и передают ее в центральную нервную систему.) Рядом с двумя А-волокнами в том же канале расположено неакустическое В-волокно. Все эти волокна продолжаются как «барабанный нерв» внутри центральной нервной системы.

Нервные импульсы в простом нервном волокне проявляются как электрическая «разность потенциалов» в несколько милливольт, возникающая на доли миллисекунды последовательно между отдельными точками волокна.

Скорость распространения этих сигналов может быть охарактеризована одной цифрой: по А-волокну от чувствительного органа до центральной нервной системы сигнал проходит менее чем за 2 миллисекунды.

Продвижение электрического сигнала по нервному волокну может быть воспринято специальным тончайшим электродом и передано затем на осциллограф, на экране которого возникает при этом характерная «пика».

Делается это следующим образом. Одна из мышц мотылька рассекается под микроскопом, и из нее выделяется «барабанный нерв». Тончайшие серебряные электроды соединяются с нервом. Они передают электрические сигналы, проходящие по нервным волокнам, на осциллограф. С мотыльками, подготовленными таким образом, и проводили эксперименты в импровизированной лаборатории на открытом воздухе.

Чтобы сделать точные измерения электрических явлений в нервах, был нужен контрольный источник ультразвуковых импульсов, подобных сигналам летучих мышей. Искусственный ультразвуковой электронный стимулятор в точности воспроизводил такие сигналы.

Используя электронную аппаратуру для выявления последующих ответных реакций А-волокон, удалось определить, какая акустическая информация доступна мотыльку. Ухо мотылька передавало к осциллографу такие импульсы, которые оно обычно посылает в центральную систему. А именно это интересовало исследователей.

Оказалось, что чувствительность слуховых органов мотылька примерно в 100 раз выше, чем у человека. Так, например, на расстоянии более 200 метров мотылек может слышать ультразвуковые сигналы мыши, чего человек не может вовсе.

Ухо мотылька принимает сигналы с частотой 10 килоциклов так же хорошо, как с частотой 100 килоциклов, одинаково хорошо воспринимает звуковые и ультразвуковые колебания.

И еще: мотылек обладает свойством воспринимать чрезвычайно короткие звуковые сигналы, подлинные взрывы звуков.

Реакция А-волокна на искусственный или естественный сигнал-раздражитель отражалась на экране осциллографа в виде кривой с пиками, характеризующей электрический поток в нервных волокнах. Анализ кривых позволил установить, что насекомые пользуются четырьмя видами акустической информации.

Первый вид. Возникновение «пик» на экране осциллографа, что свидетельствует о наличии источника звука. Этот вид информации нельзя признать достаточным, так как пики, возникающие от длинных «вялых» криков далеко летящей, и потому безопасной мыши, могут быть похожи на пики коротких сильных сигналов приблизившегося хищника.

Поэтому мотылек должен «учитывать» и второй вид информации – частоту «пик». Чем чаще эти «пики», тем ближе мышь к мотыльку, ибо по мере их сближения на орган слуха насекомого действуют уже не только слышимые, но и «неслышимые» ультразвуковые колебания.

Третий вид информации характеризует непосредственную опасность. Если раньше в обоих рассмотренных случаях работало только одно А-волокно в каждом ухе, то после «опасного» сближения мотылька и мыши интенсивность сигналов становится так велика, что их воспринимают уже оба А-волокна.

И наконец, четвертый вид информации указывает, откуда приближается опасность: «пики», возникающие от действия звуков в одном ухе, появляются раньше, нежели подобные «пики» от звуков в другом ухе.

Эти выводы требовали экспериментальной проверки. Исследователи совместили «атаку звуками» от громкоговорителя со специальной фотографией, которая позволила зафиксировать, как мотылек в поле меняет направление полета в момент подачи сигнала.

Было установлено, например, что мотыльки, которые летели на большой высоте над источником звука, после подачи сигнала, меняли направление своего полета в горизонтальной плоскости. Те же, которые двигались непосредственно над источником звука, взмывали прямо вверх или резко поворачивались под острым углом к первоначальному пути. (Изменение полета в горизонтальной плоскости, очевидно, было связано с тем, что одно ухо мотылька воспринимало сигнал раньше другого).

Однако оставался нерешенным вопрос: как мотылек, имеющий только четыре А-волокна, то есть обладая очень примитивными органами чувств, точно ориентируется и по горизонтальным, и по вертикальным осям в зависимости от сигнала опасности?

Результаты опытов позволяют предположить, что существует взаимосвязь между положением крыльев мотылька и раздражением А-волокон акустическими сигналами. В зависимости от того, в каком положении находятся крылья мотылька – горизонтальном или вертикальном, – изменяется и степень «легкости» получения звуковой информации. Звук доходит до слуховых органов насекомого, преодолевая большие или меньшие помехи, создаваемые крыльями. А это, в свою очередь, определяет вертикальное направление его полета. Так, отсутствие различий между акустической информацией левого и правого уха, наличие четких колебаний в левом и правом «барабанных нервах» в момент взмаха крыльев сигнализируют мотыльку, что мышь – над ним. Если же различия в восприятии звуковых сигналов обоими ушами нет – значит, мышь ниже или сзади мотылька (заметим, что мотылек делает крыльями 30–40 взмахов в секунду; следовательно, информация о необходимости изменить или сохранить прежним направление полета по вертикали поступает в его нервную систему практически непрерывно).