Животное электричество

В этой небольшой главе мы впервые столкнемся с тем, чем занимается сегодня бионика. Мы несколько подробнее поговорим о роли электричества в живых организмах и попутно узнаем о нервных клетках, нейронах. Эти клетки до недавнего времени изучали только биологи. Теперь к ним присоединились и бионики. На основе полученных знаний они уже создали множество бионных моделей нейронов. Но пока ни одна из них не удовлетворяет биоников полностью. Все такие модели - лишь грубое подобие живых нейронов. Но неудачи не обескураживают биоников, они понимают, что создать точную бионную модель нейрона можно будет только после того, как наши знания о нервных клетках станут исчерпывающими. Без этих знаний создание многих бионных автоматов вообще невозможно.

Но прежде чем рассказать о нейронах, об электрофизиологии и изучении нервной системы, я упомяну о второй причине, по которой Гальвани не сумел доказать свою правоту. Дело в том, что многие ученые не были в состоянии исследовать "животное электричество" с таким же экспериментальным мастерством, как это делал Гальвани; в их опытах сила действия "металлического электричества" маскировала силу действия "животного электричества".

Токи, идущие по нервам, очень малы. Они в тысячи и миллионы раз слабее тех, которые можно получить с помощью вольтова столба. Не напрасно и по сей день приборы, предназначенные для измерения очень слабых токов, называются гальванометрами.

Мы знаем, что открытие Гальвани намного опередило свое время и в ту пору не могло иметь практического значения. Глубокое изучение "животного электричества" с помощью примитивных приборов того времени было невозможно^*.

^* (Лягушачьи лапки явились первыми электрическими "приборами" в лабораториях физиков, изучавших электрический ток. Других приборов тогда еще не изобрели.)

Потребовались многие годы, чтобы благодаря открытию "металлического электричества" развилась электротехника, радиотехника и электроника. Нужны были гигантские усилия ученых и инженеров, чтобы прийти к созданию волшебных приборов - электронного усилителя и электронного осциллографа, на экране которого зеленый луч рисует картину любого электрического процесса. Только появление этих приборов позволило приступить к глубокому изучению "животного электричества", или, как говорят теперь, биопотенциалов, или биотоков.

Разумеется, открытие Гальвани никогда не пребывало в полном забвении. Во все времена находились энтузиасты, понимавшие или предчувствовавшие великое значение этого открытия. С помощью весьма несовершенных приборов они пытались вести исследования, углубляя знания в одной из увлекательнейших областей физиологии. И в какой-то мере им удавалось это, хотя важных открытий сделать они не могли. Зато, проводя свои опыты, они создавали все более совершенные методы экспериментов, отрабатывали технику и тем самым подготовили почву для нынешних исследователей - электрофизиологов, вооруженных совершенными электронными приборами.

В наши дни изучением электрической активности нервной системы - удивительной и необыкновенно сложной системы связи и обработки информации в организме - занимается множество электрофизиологов. Они уже добились огромных успехов, но главные открытия, которые по-настоящему позволят понять ее действие, еще впереди.

Тело человека и любого животного пронизывает множество нервов, своеобразных многопроводных кабелей, в которых роль отдельных проводов играют нервные волокна. Все ткани, все органы тела соединяются этими волокнами-проводами с центральной нервной системой - спинным и головным мозгом. По одним волокнам к нервным центрам непрерывно бегут электрические импульсы-донесения о состоянии внешней среды, о состоянии всех органов и тканей; по другим волокнам нервные центры посылают свои приказы рабочим органам - мышцам и железам.

Как мы знаем, телеграфные и телефонные сообщения передаются по одному и тому же проводу в обоих направлениях. И в этом смысле нервная сеть не имеет сходства с телефонной. Зато во многих электрических и электронных автоматах для передачи сигналов к управляющим центрам и для передачи команд от управляющих центров к исполнительным органам автоматов используют раздельные и строго определенные провода. Назначение нервных волокон тоже разделено: одни волокна всегда передают в центральную нервную систему сообщения о состоянии внешней среды, органов тела, тканей, а другие волокна всегда передают команды центральной нервной системы рабочим органам. Иными словами, по одним волокнам сообщения всегда идут от периферии к центру, а по другим - от центра к периферии.

Эта аналогия между системой связей в организме и в автомате явно не случайна. Открытие ее было важным этапом в жизни науки, техники и философии. Факт сходства и даже не просто сходства, а общности механизмов управления в живой природе и в автоматах явился одной из самых главных причин возникновения и бурного развития кибернетики. Зная, что аналогия не случайна, мы можем исследовать процессы управления в живых автоматах, основываясь на том, что хорошо известно об автоматах неживых, и наоборот, изучая процессы управления в живой природе, мы можем с успехом применять новые знания при создании автоматов. Второй путь и есть путь бионики.

И все-таки никогда не надо забывать, что между техническими устройствами, созданными руками человека, и тем, что создала природа, есть не только общее, но и большие различия.

Так, нервные волокна, проводники "животного электричества", совсем не похожи на проводники "электричества металлического" - медные провода. Скорость передачи по проводам равна скорости света, самой большой из всех возможных скоростей. Скорость передачи импульса по нервному волокну в миллионы раз меньше. У беспозвоночных животных она не более нескольких сантиметров в секунду, у лягушек достигает 47 метров в секунду, а у некоторых теплокровных животных и человека - 120 метров в секунду. Правда, длина нервных волокон такова, что даже по самому длинному из них нервный импульс пробегает за очень малое время. Нервное волокно отличается от провода еще и тем, что оно не просто некая электропроводная "нить", соединяющая две какие-либо точки организма; нервное волокно - это всего лишь отросток нервной клетки, в которой протекают тончайшие химические процессы, отросток нейрона, основы основ нервной системы. Именно нейронам обязана нервная система своими замечательными свойствами. Нейроны входят в состав головного и спинного мозга человека. Приблизительные подсчеты показывают, что в центральной нервной системе содержится буквально астрономическое количество нейронов - десятки миллиардов.

Тела нейронов (у чело века их размеры колеблются от 0,005 до 0,15 миллиметра) сосредоточены в головном и спинном мозге и в нервных узлах. Нейроны бывают разных типов. Они различаются по своему на значению, по внутреннему строению и по размерам. Тело нервной клетки имеет два вида отростков; одни, древовидно разветвляющиеся, называются дендриты (от греческого слова "дендрон" - дерево), другим видом является аксон, или нервное волокно. У человека длина нервных волокон одних нейронов достигает метра, длина волокон других нейронов не больше долей миллиметра. С помощью нервных волокон и дендритов нейроны соединяются между собой, с тканями, с рабочими органами.

Очень важную роль играют нервные окончания волокон. Те из них, по которым передаются импульсы-приказы из центральной нервной системы, соединяются с рабочими органами тела - мышцами и железами - и переводят электрические сигналы на "язык", понятный тем или иным мышцам, тем или иным железам.

Нейрон

Особенно интересны нервные окончания волокон, по которым центральная нервная система получает сообщения о состоянии внешней среды, о воздействиях ее на организм, о состоянии органов и тканей тела. Они воспринимают самые разнообразные раздражения: и механические, и химические, и тепловые. Но независимо от физической природы раздражений, от вида энергии, вызвавшей раздражение, они всегда преобразуют их в понятные мозгу электрические сигналы.

эти нервные окончания называются рецепторными^*. Одни рецепторные окончания преобразуют в электрические импульсы механические воздействия, другие - тепловые, третьи - химические. Поэтому строение рецепторных окончаний различно и зависит, в частности, от того, какой вид энергии приходится преобразовывать в электрические импульсы-сигналы.

^* (От латинского слова "реципере" - получать, воспринимать.)

Однако рецепторные окончания не всегда являются теми "микрофонами", которые позволяют различным органам и тканям общаться со своим "главнокомандующим" - центральной нервной системой. В наиболее сложных случаях рецепторные окончания снабжены специальными приспособлениями, например специфическими рецепторными клетками органов чувств - зрения, слуха, обоняния, вкуса.

Строение нервной системы многих животных и человека изучалось еще в прошлом веке. Подробные "атласы" нервных систем, составленные уже к концу Х!Х века, имели для физиологов не меньшее значение, чем географические атласы для мореплавателей. Сперва атласы нервных систем были не очень точны: на них почти не было названий, белели пятна различных неисследованных участков мозга, ветвились и переплетались нервы неизвестного назначения. Но постепенно, изучая анатомию животных и человека, исследуя различные заболевания, разрушая или раздражая электрическим током те или иные участки нервной системы подопытных животных, ученые сумели нанести на свои карты названия, указывающие назначение различных нервов, нервных узлов и нервных центров. И все же до объяснения работы нервной системы в целом, работы мозга было еще очень далеко.

На рубеже XIX и XX столетий, почти через сто лет после опубликования "Трактата" Гальвани, в физиологии нервной системы началась подлинная революция. В 1897 году Иван Петрович Павлов на основании опытов доказал, что головной мозг управляет процессами пищеварения. До Павлова они считались "низшими", протекающими без участия головного мозга. Работы Павлова оказали такое же огромное влияние на физиологию, как работы Фарадея на физику.

Успехи физиологов прошлого века, составивших довольно подробные атласы нервной системы, труды Павлова и его последователей, разработавших новые методы исследований нервной деятельности, и, конечно, успехи радиоэлектроники позволили ученым начать обширные исследования электрической активности нервной системы. Почти все, что известно теперь в этой области, было открыто за последние тридцать - сорок лет. За эти годы ученые исследовали электрические явления в клетках моллюсков, земноводных, теплокровных животных и человека.

Особенно удобными для исследований оказались гигантские волокна кальмаров и нервы лягушки - излюбленного объекта физиологических исследований с самых давних времен. Сначала изучали нервные волокна, изолированные от организма, но затем электрофизиология перешла к более сложным объектам - к нервным тканям в живом организме, к мозгу.

Электрические импульсы в нервных рецепторных волокнах были обнаружены в конце двадцатых годов нашего столетия. Ученые не сомневались в их роли. Они были уверены, что эти импульсы и есть те сигналы центральной нервной системе, без которых она не могла бы знать, что происходит в организме и во внешней среде, не смогла бы отдавать правильных приказов. Ученые установили, что залпы нервных импульсов подчиняются определенным закономерностям. Пожалуй, самая замечательная из них заключается в том, что нерв реагирует не на всякое раздражение. Если раздражение не достигло определенной силы, по нерву не идут сигналы.

Электрические импульсы в нервных рецепторных волокнах

Но стоит силе раздражения хотя бы чуточку превысить некоторую величину, перейти порог, как по нерву тотчас пойдет целый залп импульсов. Данный принцип работы нервных волокон был назван "все или ничего". Это странное, на первый взгляд, название вполне оправдано. Дело в том, что величина нервного импульса не зависит от силы раздражения; если раздражение ниже порога, импульсы не возникают, но стоит раздражению на ничтожную величину превысить порог, как появляются импульсы, и как бы ни увеличивалась затем сила раздражения, величина импульсов будет оставаться неизменной.

Кстати, по этому же принципу работают и многие электронные схемы, в частности те, которые выполняют логические и арифметические операции в электронных вычислительных машинах. Кибернетика и бионика придают очень большое значение аналогии между возникновением импульсов в нервном волокне, в нейроне, и возникновением импульсов в логических электронных схемах вычислительных машин.

У вас, вероятно, возник вопрос: как же передается в мозг информация, если величина нервных импульсов не зависит от силы раздражения? Ведь мы по опыту знаем, что всегда можем различить по весу два разных груза, по яркости две звезды, по громкости два разных звука...

Вопрос вполне законный. Вам уже известно, что, в отличие от других видов энергии, электрическая имеет много параметров. Одним из них является частота. Именно этот параметр и изменяется при изменении силы раздражения. Когда эта сила только-только превысит порог, импульсы возникают довольно редко, но с увеличением силы раздражения частота возникновения импульсов возрастает. Значит, о силе раздражения мозг судит по частоте нервных импульсов. Правда, если раздражение станет слишком большим, частота импульсов уже не будет возрастать. Но в нормальных условиях этого, как правило, не случается, и мозг вполне удовлетворяется информацией, передаваемой за счет изменения частоты импульсов.

В технике связи метод передачи информации путем изменения частоты импульсов теперь широко используется. Он имеет ряд преимуществ по сравнению с более старым методом, при котором информация передается с помощью соответствующих изменений величин импульсов, следующих друг за другом с неизменной частотой. В условиях различных помех - грозовых разрядов или намеренных помех, создаваемых противником во время военных действий, - передача информации путем изменения частоты импульсов, а не их величины значительно надежнее.