Занимательная биология
Шрифт:
Нервная морзянка
Все, что мы знаем о мире, о его красках, запахах, звуках, о форме, твердости, вкусе и тепле всех предметов вокруг, мы знаем благодаря нашим чувствам. Это единственные каналы, единственные «входные устройства», по которым мозг получает информацию обо всем вокруг нас и обо всем внутри нас.
Сотни тысяч лет обслуживают людей их чувства. Но только недавно узнали исследователи, как работают они, как устроены в самых интимных своих деталях и какая энергия приводит их в действие. Первый значительный шаг наука об органах чувств сделала, когда первые инженеры изобрели аппаратуру, которой можно было измерять
А теперь инженеры, создавая приборы, ищут новые идеи в физиологических исследованиях. И конечно, бионика, развивая и совершенствую свои методы, поможет сделать второй большой шаг вперед науке, изучающей чувствующие механизмы природы.
Наши органы чувств работают приблизительно так, как телевизор. Мир бомбардирует их градом механических, химических, электромагнитных и всяких других сигналов. Они переводят информацию, которую несут эти сигналы в стандартный для всех нервных клеток на Земле язык электрических импульсов и посылают их по нервам в мозг. В этих импульсах, в их переменной частоте методом, похожим на азбуку Морзе, закодирован смысл каждого сигнала [33] .
33
По-видимому, кодирование заключается не только в частоте бегущих по нервам импульсов, но и в том, по каким волокнам, с какой частотой (по каждому из них) и в каком числе они бегут, а также в комбинации импульсов, посылаемых разными волокнами от одного органа в мозг.
Мозг принимает электрическую шифровку и преобразует ее в образы осознанного ощущения.
Органы чувств, которыми владеет животный мир, природой разделены на механические (осязание, слух и тепловые рецепторы) и химические (вкус, обоняние и зрение). Но о чем бы ни сообщали они мозгу: о цвете, о звуке, о тепле или боли — всю свою информацию они преобразуют сначала в электричество. Но не в постоянный ток, а в отдельные разряды одинаковой примерно силы и продолжительности (около тысячной секунды!). Не сила электрических импульсов, а лишь частота, с которой они следуют друг за другом, несет в мозг специфическую информацию. Они очень спешат, когда сигнал, побудивший чувствующий орган к действию, достаточно силен. И совсем не торопятся, когда он слабый.
Если кто-нибудь слегка коснется вашей руки карандашом, мозг узнает об этом, получив от кожных рецепторов около десяти электрических разрядов в секунду. Но если толчок карандашом будет очень сильный, в ту же секунду сразу сто импульсов ринутся по нервам в мозг.
Чтобы первый из них побежал по нервной трассе от органа чувств к мозгу, принятый этим органом сигнал, или, как говорят физиологи, раздражитель, должен превысить некоторый минимальный предел — «порог ощущения» [34] .
34
Многие органы человека и животных невероятно чувствительные инструменты: порог ощущения у них очень мал. Например, у нашего глаза он равен 6 · 10 – 17ватта (человек может увидеть с расстояния в один километр, если атмосфера прозрачна, источник света в тысячу раз более слабый, чем огонек свечи). Некоторые опыты показали, что привыкший к темноте глаз может обнаружить всего 6–10 фотонов света. А наше ухо воспринимает удары звуковых волн в миллиард раз менее значительные, чем атмосферное давление. «Ухо» кузнечика, которое он прячет в своих ножках, слышит звуки мощностью всего лишь в 5 стоквадрильонных ватта!
Усилим раздражитель (сильнее прижмем карандаш к руке!), чаще станут импульсы. Нажмем сильнее, еще чаще! Но наступит момент — «предел насыщения», когда никакое добавочное раздражение не сможет увеличить их частоту.
Больше 100 лет назад немецкий исследователь Эрнст Вебер решил узнать, какую минимальную дозу добавочного раздражителя способны уловить наши чувства. Он взял в каждую руку сначала по одинаковому грузу. Потом понемножку увеличивал его в одной руке, пока не почувствовал, что груз в ней стал тяжелее, чем в другой.
Так он установил, что к первоначальному весу (каким
Возможно, чувство, которое Вебер исследовал на себе, было у него не очень развито. Потому что позднее ученые, экспериментируя с другими людьми, получили иные цифры: по-видимому, предел чувствительности к изменению нагрузки лежит не около одной семнадцатой, а у одной пятидесятой первоначального веса. Более дробные различия наша нервная система не воспринимает.
Но закон, названный именем Вебера, остается в силе: у каждого раздражителя есть своя определенная и постоянная (во всяком случае, при раздражениях средней силы) добавочная доза, которая вызывает в наших чувствах соответствующие ощущения.
Энергия для наших чувств
Итак, мы чувствуем с помощью электричества. Нервная система — это сложное переплетение электрических проводников. Но проводников, устроенных очень своеобразно: ток не бежит по нервам, как по проводам [35] .
35
Нервы были бы просто бесполезны, если бы их использовали как электрические провода: их сопротивление примерно в 100 миллионов раз выше, чем медной проволоки, а «изолированы» они в миллион раз хуже, чем обычный электропровод!
Для электронов в нерве приготовлено не ровное шоссе. Нет, их путь природа превратила в скачку с препятствиями.
Скачка начинается приблизительно так.
Нервная клетка, или нейрон, несколько похожа на вырванное с корнем дерево. «Корни» — тело клетки, взъерошенное исходящими из него отростками — дендритами. «Ствол» — аксон, длинное нервное волокно, растущее из тела клетки. На конце аксон ветвится — это «ветви» дерева, на которое похожа нервная клетка.
Аксон бывает и длинным и коротким. На некоторых нервных путях, соединяющих мозг человека с кончиками пальцев на ногах, только три нейрона, последовательно соединившись, образуют цепь нервной передачи. У них аксоны длиной больше метра! (Хотя сам нейрон, наделенный столь длинным «хвостом» меньше двух сотых сантиметра в поперечнике.) Но аксоны нейронов головного мозга обычно не длиннее сотых долей миллиметра.
Аксон — это тот проводник, по которому бежит нервный импульс. По веточкам на конце, которые входят в контакт с входными «клеммами» других нейронов, он передает возбуждение следующим членам нервной цепи. Место соединения аксона с дендритом либо телом другого нейрона называют синапсом.
Оболочка клетки, мы уже это знаем, постоянно «выкачивает» ионы натрия наружу, вон из клетки, и «накачивает» в протоплазму ионы калия [36] .
Уже 100 лет, как известно, что протоплазма клетки заряжена отрицательно по отношению к окружающей клетку жидкости. По-видимому, активный и избирательный перенос ионов клеточной мембраной поддерживает электрическое напряжение на ее границах. В нервной клетке внутренний отрицательный потенциал равен приблизительно 70 милливольтам.
36
Концентрация ионов натрия снаружи в десять раз выше, чем внутри аксона, а калия — наоборот: внутри аксона в тридцать раз больше, чем снаружи.
В некоторых клетках минус 80–90 милливольт. Но когда нейрон получает через свои «клеммы» от других нейронов электрические импульсы, они несколько понижают его внутренний электрический потенциал.
Дальше происходит вот что: «это снижение потенциала, — пишет Дин Вулдридж в книге, которую каждый должен прочитать [37] , — распространяется на ближний участок основания аксона. Если деполяризация достигает достаточной величины, то аксон проявляет интересную, лишь ему свойственную особенность: происходит электрический „пробой“ его оболочки. Точнее говоря, уменьшение его внутреннего потенциала с 70 до 60 милливольт ведет к внезапному изменению проницаемости мембраны, отделяющей протоплазму аксона от окружающей жидкости».
37
«Механизмы мозга». Изд-во «Мир», 1965 год.