5.2. Физико-химические и биологические основы сложного поведения

Человек имеет вполне определенные отличительные физические, биохимические и биологические особенности. Но главной особенностью является значительно более сложное пове­дение. Сложность поведения определяется способностью различать в окружающей обстановке громадное количество разнообразных явлений, многие из которых не доступны для восприятия даже наиболее совершенным животным. Превосходство в этом отношении не являет­ся абсолютным, поскольку есть факторы окружающей среды, которые человеком не воспринимаются или воспринимаются хуже, чем некото­рыми животными. Например, человек не слышит ультразвук, который хорошо улавливается собаками и летучими мышами. Некоторые домашние животные ощущают слабые колебания земной коры (инфразвуки), предшествующие землетрясению. Инфракрасное электромагнитное излучение воспринимают змеи. Запахи очень хорошо распознают собаки. Хищные птицы обладают очень острым зрением и т.д.

Уступая в некоторых отдельных компонентах восприятия среды, че­ловек превосходит животных по способности осуществлять комплексный анализ всего мно­гообразия поступающих природных сигналов и совершать на ос­нове этого анализа строго скоординированные сложные действия. Со­вокупность всех сложных поведенческих реакций обеспечивается мышлением и проявляется в виде психической деятельности. В свою очередь на основе мышления и психической деятельности формируется еще более сложный тип поведения – совместная трудовая и социальная деятельность. Из этого следует, что эволюция человека шла в направлении не столько совершенствования биологических и биохимических особенностей, сколько в направлении совершенствования поведения.

Восприятие сигналов, их анализ и управление поведением осу­ществляется специальным органом – нервной системой, которая состо­ит из особого типа клеток, называемых нейронами. Нейроны сильно от­личаются по внешнему виду от клеток всех остальных тканей.

Основным отличием является наличие отростков, представляющих собой тонкие выросты цитоплазмы. Существуют короткие отростки – дендриты. Их у одной клетки может быть несколько, но не менее одного. И имеется всегда один длинный отросток – аксон. Концы дендритов и аксо­нов сильно ветвятся, и каждое из многочисленных нервных ответвлений образует на своём конце небольшое расширение, плотно примыкающее к соседней клетке. Место такого контакта называется синапсом.

Основной функцией нейрона является генерирование нервных импульсов и передача их от клетки к клетке по нервным отросткам. Природа биоэлектрического импульса отличается от элек­трического тока в металлических проводниках. Нервный импульс формируется на основе мембранного потенциала плазмалеммы, нормальная величина которого составляет минус 60 мВ. Потенциал поддерживается за счет работы ионных насосов, использующих для работы энергию дыхания (АТФ из митохондрий) (см. п.3.11). При воздействии раздражителя (физическое или химическое воздействие) на мембрану, ее структура нарушается. Мембрана теряет способность изо­лировать разделенные ионы, они устремляются по градиенту электри­ческого поля, и возникает электрический ток (рис.5.1, а). Электрический потенциал мембраны уменьшается до нуля (рис.5.1, б). Процесс самосборки быстро восстанавливает структуру мембраны, и за счёт работы ионных насосов, создающих обратный электрический ток, восстанавливается электрический потенциал. Время с момента действия раздражителя до возвращения потенциала к прежнему состоянию составляет около 3 миллисекунд. Возникший таким образом круговой ток является раздражителем для соседнего участка мембраны, в котором также возникает прямой и обратный ток. В результате круговой ток быстро распространяется вдоль мембраны, что и представляет собой нервный импульс.

Скорость распространения импульса зависит от типа нервного волокна и измеряется величиной несколько метров в секунду, а в особо ответственных волокнах превышает 100 м/с.

Когда импульс достигает синапса, в синаптическую щель выбрасывается определённое количество биохимически активного ве­щества ацетилхолина. Это вещество в норме накапливается в синаптическом расширении нервного отростка в виде большого количества мелких ваку­олей. Ацетилхолин вызывает возбуждение плазмалеммы соседней клетки и начинается распространение нового электрического импульса. Вещества, подобные ацетилхолину и исполняющие роль посредников между нервными клетками, называются медиаторами.

Синапсы могут быть тормозящими и возбуждающими. Все синапсы, контактирующие с дендритами или непосредственно с телом клетки, являются возбуждающими, а контактирующие с аксоном – тормозящими (рис 5.2). Медиаторы тормозящих и возбуждающих синапсов имеют различное химическое строение.

Многие природные вещества, являющиеся ядами или наркотиками, по своей химической структуре близки к медиаторам. При попадании в организм они оказывают на синапсы чрезмерно тормозящий или чрезмерно возбужда­ющий эффекты и при длительном действии приводят к истощению и разру­шению нервных клеток. Примером чрезмерно возбуждающего вещества является токсин столбнячной бактерии, который вызывает до такой степени сильное сокращение мускулатуры (судороги), что могут произойти разрывы сухожилий и вывихи суставов. Противоположным действием обладают яды многих змей, например кураре, которые полностью блокируют проведение импульсов, в результате чего наступает общий паралич, прекращается работа всех мышц, в том числе дыхательных и сердечных.

Наличие сильно разветвлённых отростков позволяет одной клетке одновременно контактировать с тысячами других клеток. Возникает сложная система взаимодействий, которая и обеспечивает крайне разнообразное поведение всего организма в целом.

В упрощенном варианте можно считать, что нервная клетка имеет всего два рабочих состояния. Она либо молчит, либо генерирует импульсы (в действительности, импульсы могут быть разной частоты). В таком случае требуется объяснить, каким образом система, состоящая из примитивных элементов с двумя рабочими состояниями, может обеспечить очень сложное поведение, включающее мышление и разум?

Детальное объяснение природы сложных явлений будет дано в следующей главе. Здесь же ограничимся рассмотрением аналогии между мозгом и современным компьютером. Основным рабочим элементом компьютера является простейшее устройство – транзистор, который также характеризуется двумя возможными состояниями: он либо проводит ток (открыт), либо не проводит (закрыт), а состояние транзистора в данный момент зависит от того, подано или отсутствует электрическое напряжение на один из его трёх контактов, называемый базой. Как видим, работа транзистора даже проще, чем нервной клетки, но, соединяя много таких простых элементов в систему, можно создать машину с практически неограниченными возможностями поведения.