5 курс / ОЗИЗО Общественное здоровье и здравоохранение / Бионика Жерарден Л

ГЛАВА 4

связи внутри ОРГАНИЗМА

ЭНЕРГИЯ И ИНФОРМАUИЯ

Итак, БIIоника, согласно определению, - наука о системах, функции которых копируют функции ПРИ­

родных систем, !1Л!1 о системах, которые являются ана­

логами природных систем. Обмен информацией - не­

пременное условие существования системы. Разъяснив

понятия «информация» И «система», звучащие, надо

сказать, несколько абстрактно, пора перейти к кон­ кретным пример.ам, поясншощиы, что такое бионика. Обратимся к нескольким темам, которые служат пред­

IIlетом размышления биоников.

Каждая биологическая система, точнее, каждое

живое существо, получает питание из внешнего мира

в виде пищи или солнечного излучения. Эта энергин

перерабатывается и потребляется на поддержание

жизнедеятельности орг.анизма. Но мало-помалу стано­

вится ясно, что, как бы важна ни была энергетическая

сторона жизни, все же она не самая главная 11 усту­

пает первое место информации. Поэтому нам придется

сначала заняться информ.ационными процессами, что­ бы уже на более высоком уровне вернуться к явле­

ниям жизни и энергетическим процессам.

Итак, рассмотрим систему «живое существо»

с точки зрения обмена информацией. В первую оче­ редь в живом существе, как и во всякой системе,

можно найти входы; это органы чувств. Затем 1I1Ы об­

наружим целую сеть I<оммуникаций, направляющих

полученные ощущения по пути простых ответных ре­

акций (так называемых «рефлексов») * ил!! по пути

более сложных действий, требующих участия голов­

пого мозга. Определенные действия осуществляются органами на выходе (мышцами). Конечно, не следует

забывать особенностей реакций на входе и выходе:

произведенное действие всегда автоматически оцени­ вается, сознательно или бессознательно, - это такое

* Очевидно, имеются в виду СПЧННО~IОЗГОВbJе реф,IJеКСbJ.

61

же ощущение, как и все ост.альные, и воспринимается

оно точно так же. l(аза.'lОСЬ бы, при изучении системы

«живое существо» логично начать, так сказат,,-,

сначала, то есть с органов чувств на входе, а потом

уже проникнуть в глубины организма вдоль его ком­ муникационных линий. На деле этот логически обосно­

ванный путь оказывается не самым удобным: го­ раздо лучше начать именно с коммуникационной сети,

Х арактеРИС1ИКИ сигналов,'ЦИРКУЛИРУЮЩИХ в этой сети,

неопровержимо доказывают глубокое единство~ скры­

тое за видимым разнообразием органов чувств. Имен­ но это принципи.альное единство необходимо раскрыть

в первую очередь; да и само слово «система» наводит

на мысль, что сначала нужно определить общие зако­

номерности, а потом уже заниматься частностями.

Связи внутри организма осуществляются на раз­ личных уровнях. Легче всего нач.ать с самого элемен­

тарного уровня - с клетки. Но и она представляет

собой сложнеЙшее химическое производство, где одно­

временно идет множество высокоспециализированных

реакций. Четкость работы всего комплекса требует постоянного циркулирования информации, обмена ин­ формацией со средой. Однако пока что клеточные ме­ ханизмы не нашли применения в бионике. А вот ки­

бернетика может сыгр.ать в этом вопросе важную роль,

объяснив при помощи моделей сложные функции

этого миниатюрного химического комбината. Поднявшись на следующую ступень иерархической

лестницы, мы переходим к специализированным си­

стемам связи; их можно найти в каждом живом су­

ществе. Дальнейшее развитие химической связи между

клетками - эндокринная, или гормональная, система.

Эт.а система действует сравнительно медл_енно, но

очень широко, выделяя в кровь химические вещества,

называемые гормонами. Гормоны разносятся по орга­ низму током крови. Так, перед неожиданной опас­ ностью нас охватывает страх - в кровь выбрасывается большое количество адреналина, который вызыв.ает

дрожь, учащенное сердцебиение, а иногда и полную

неподвижность. Эти реакции порой эффективны, но

они не обладают достаточной гибкостью и разнообра­ зием. И здесь бионика пока не 'нашла для себя ничего

интереСНОГQ.

62

СВЯЗИ В НЕРВНОИ СИСТЕМЕ

НО все меняется, когда мы переходим на следую­

щую ступень - на уровень нервной системы. Эта си­

стема - настоящее чудо эволюции; она постепенно

достигла высокого совершенства. Степень развития

нервной системы определяет положение вида на древе

эволюции.

На микроскопическом уровне нервная систем а со­

стоит из клеток, называемых нейронами; что же ка­

сается макроскопического уровня, то разговор уже

пойдет о нервах, г.англиях, спинном мозге, мозжечке,

больших полушариях. Каждый из этих, органов под­

разделяется анатомами на такое множество состав­

ных частей, что все их здесь просто невозможно рас­ смотреть. Чтобы понять важнейшие особенности свя­

зей в нервной системе, которые интересуют бионика,

достаточно вспомнить строение нейрона. Как видно на рис. 14, нейрон состоит из тела, внутри которого, ка!,

и в любой другой живой клетке, находится ядро, управляющее всеми его функциями. Тело нейрона из­

меряется сотыми и десятыми долями миллиметра. От

него отходят многочисленные ветвистые отростки­

дендриты. Один из отростков резко отличается от

остальных - он значительно длиннее и кончается мел­

кими бляшками, «синапсами». Этот отросток назы­ вается аксоном и служит проводником информации.

При диаметре, не превышающем у человека сотой доли миллиметра, он может достигать метровой дли­

ны; например, аксоны клеток, расположенных в голов­

ном мозге, заканчиваются у основания спинного мозга.

Аксон обычно одет слоем белого изолирующего веще­

ства - миелина. В нервной ткани аксоны не изолиро­ ваны, они образуют сложное переплетение, настоящую сеть проводников. Но это не непрерывные ПРОВОДНИКII,

как, например, сосуды кровеносной системы. Несмотря

на очень тесное переплетение, концев~rе синапсы аксо­

нов не соединяются с телами или дендритами других

нейронов. Нервный импульс мог бы распространяться

по цепи взаимосвязанных нейронов двумя путями:

Тело клетки ~ Аксон ~ Синапсы -* Тело клеТК!I

или

Тело клетки ~ Синапсы ~ Аксон ~ Тело клетки.

63

Но n действительности осущеСТВI!l\! лишь первый

путь, ПОТОilIУ что синапсы пропускают нервный ИМ­

пульс ТОЛЬКО в одном напраВJlеНlIИ (рис. 15). Почему? Еще в 1788 году Гальвани в опытах с лапкаl\lИ

лягушек обнаружил, а позже (в 1848 году) немецкий ученый Дюбуа-Реймон подтвеРДИJl своиыи экспери­

ментами, что с феноменаl\I1I нервной ПРОВОДИЫОСТ!!

тесно СI3язаны явления электрическш"r аКТИВНОСТII.

В 1923 году, применяя катодный осциллограф, Эрлан­

гер и Гассер показали, что эта активность проявля­

ется в виде ЦИрКУЛЯЦИИ нервных импульсов в нервных

••••

р н с. 15. В цеПII нейронов связь между нейронами осущест­ влпется Прll помощи синапсов, но без их непосредствеН!iОГО со­

единения с мембраноii те"1а клетки.

волокнах. Совре~lенный уровень технического про­

гресса позволяет детально изучить эти импульсы при

помощи микроэлектроДов, представляющих собой тон­ чайшие (диаметром менее тысячной дол!! l\IИллиметра)

капилляры, заполненные проводящей электричество

жидкостью. Хотя эти электроды сравнительно прочны, онн требуют деликатного обращения; их вводят в нервную сеть не вручную, а при помощи тончайших

инструментов и при этом с такой точностью, что можно одновременно наблюдать, ](ак показа~ю на

рис. 16, возникновение IiМПУЛЬс.ов в те.'1е нейрона А, а также 13 aKCOIIe Б, который является выростом

тела неЙрона,.!I в пространстве В, непосредственно

примьшаlOщеi\I к телу нейрона. ЗаыеТИJ\I кстати, что rvlногочисленные сигналы Тllпа В передают в окружаю­

щую среду суммарную электрическую активность

мозга, которую можно наблюдать при ПОМОЩИ элек­

троэнцефалографа. Нас интересуют чисто нервные

сигналы типа А или Б. Они имеют форму импульсов

силой в одну десятую вольта и продолжительностыо около тысячной доли секунды.

Рис. 16. Прохожден'ие электрических сигналов в нервах.

Сигиалы ОТDОДЯТСЯ с помощью электродов, помещенных в тело 1Jейрона (А),

D аксон (Б) !I в межклеточное пространство (В).

Эти импульсы передаются весьма своеобразным путем. В обычных проводниках, например в линиях электропередач, сигналы, проходя по кабелю, осл.аб­

ляются, поэтому вдоль линии приходится располагать

подстанщш, усиливающие сигнал. Но импульс, прохо­

дящий по аксонам нервных клеток, вопреки этому за­

кону не затухает, а сохраняет постояннуювеличину

от начала и до конц.а пути. Кроме того, любое элек­

тронное реле, .ТJампа или траНЗIIСТОР всегда, даже

в нерабочем состоянии, потребляет некоторое количе­

ство энергии. А нейрон расходует энергию практически только на передачу импульса. Свойства нейрона по­

истине удивительны. Но не торопитесь копировать их - нужно сначал.а узнать, как работает нейрон.

Сейчас на1\! уже многое известно, Для ·начала заме-

66

ТИМ, что, ес.1И на нейрон подействовать анестезирую­ ЩIIМ вещеСТВО1\I, он вообще теряет способность прово­ дить что бы то НИ было. ПослаННЫII ПрJ[ поыощи l\IИК­ роэлектрода искусственный СlIгнал'~ угасает ]ЮЧТI1 мгновенно. Значит, в аксоне должны быть усилители,

пеРllодичеСКIJ поддерживающие сигнал на опреде:lен­

HO~1 уровне. Долгас вре:\IЯ ученые обращаJ1I! внимание только на электрическую активность нервной с!!стеIlIЫ.

Но в послеДНJ[е годы положение резко изменилось, I!

теперь стало ясно, насколько важны ХИl\шческие ыеха­

Н!IЗI\IЫ, действующ[[с на уропне СШlаПСQВ и оболочек

аксонов. Это открытие - результат тончаlIШИХ экспе­

риментов. Их невероятную сложность трудно даже

вообразить. Всдь все ЭТИ процессы протекают или

в ~Iембране .аксона, !IЛИ в промежут[(е ~Iежду !юнце­

IsbIM синаПСО~1 ][ теЛО~I следующего нейрона - в ТОМ !!

Вдругоы случас на расстояниях, IIЗi\[еряеыых стоты­

сячными доляш[ Ш!J1Л!l;\!етра! ПОСМОТРШII, что }!,е про­

ся в разности концентраций некоторых химических ве­ ществ ВНУТРII J[ снару;.!\![ тела нейрона. И саы нейрон

иОl(ружающая его среда состоят нз оргаШ!']ССI(ИХ ве­

щсств II водных растворов солсй" по составу напоми­ нающих плаЗ:\IУ I(рОП!!. Вне клетю! довольно много

внешней среды, а каЛI:Й - наоборот. Но хлориды нат­

рия '! калия находятся в водном растворе, !! поэтому

они частично ДIIССОЦlшрованы на ионы, или, как гово­

рят, ионизированы. В результате ионизацИl! натрий 11

калий, с одной стороны, и хлор, с другой, несут элек­ трические заряды. Эти заряженные ч.астицы, называе-

1I1ые нонами, реагируют Ю:l изменение элеКТРlIческого

* -ПодраЗУ~lевается раздражение Hei"lpOII<l ОДIШОЧВЫ:lllI I1M-

ПУ.lьсаШI эnектрнческого то!<а.

шаются ПОТСРII н создаются блаГОIIРИЯТIIые УСЛОВIIЯ для передачи ИМПУ.rIьса от Одl!ОГО УЧnСТКJ аксона к другому (скачко,,).

поля, или раЗIIОСТИ потенциалов. Таким обраЗОi\1, раз­

ность потенциалов между внутренней и внешне]"] сре­

дой нейронз должна уравновешивать электрические

заряды или некоторую разность концентраций внутри

и снаружи неЙрон.а. ИНЫМИ словами, тело нейрона

поляризовано по отношению к окружающей среде.

Эксперименты показали, что в состоянии покоя раз­

ность потенциалов между внутренней и внешней сре­ дой клетки, или поляризация, составляет примерно

70 J\1ИЛ.тJИВОЛЫ. Чтобы сохранялось равновесие КОII-

68

центраций ИОНОВ хлора внутр,! 11 снаРУЖII клеТКI!, не­

оБХОДИI\Iа именно такая разность потенциалов; при

это!\! внутри клепш обнаруживается отрицательный

заряд, а снаружи - rЮЛОЖIIТеЛЬНЫII (рис. 17). Но при

разности потенциалов и концентраций ионов натрия

и ка.'IИЯ, наблюдае~IOЙ в покое, избыток натрия будет

частично ПРОНIшать из внешней среды в клетку, а из­

иыток калия - IIЗ клетки наружу. Ме~lбрана аксона,

IIМея толщину всего около С-JОТЫСЯЧНОII ДОЛ!! :ш10'1 Л и­ метра, обнаР)")l\Iшает под элеКТРОНIIЫ~I l\I!I!-:РОСI\ОПО:\I

очень сложную струюуру. Еще lIе выясненный ХИi\IИ­

ческий ыехаНИЗl\I обеспеЧIIfзает ПРОНl!1шовение обратно

во внешнюю среду ионов натрия, l\Iедленно диффун­

дировавших внутрь клетки, и возвращает внутрь ак­

сона ионы каЛIIЯ, диффундировавшие Н2РУЖУ. Такиы

обраЗО~j в СОСТОЯНIIИ покоя по обе стороны клеточной JIIембраны поддеРЖIIвается тончайшее Д!!На~I!Iческое

равновесие концентраций lIOIIOB.

Что же происходит, когда какое-либо раздражение

нарушает это равновесие? На pIIC. 17 такое наруше­

ние представлено в внде участка с обратной ПОЛЯРII­

зациеЙ. ВОЗIIIIкающий ток распространяется в обе сто­

роны от :\IccTa раздражеНИ51, что схемат!!чеСКlI пока­

заllО стрелками, окружающим!! участок, которыС!

вот,вот будет дегюлнризоваll. Влияние возбужденного

участка выражается в У"lеньшешш разности потен­

циалов по обе стороны l\lеi\lбраны вБJJIlЗИ него. Раз­ ШlЦа в 30 МIl.l.lИВОЛЬТ кажется НИЧТОЖНОЙ, 110 она со­

средоточена на поверхности, чрезвычаI"fIЮ малой по

сравнению с ТОЛЩИНО!I самой lI1е~lбраны. Ппэтому

здесь па()людается МГlювеllныt"I эффект ОГРОi\1!IOЙ силы.

Этой СIIЛЫ цполне достаточно, чтобы пустнть 13 ход хн­

J\IIIчеСКJlе ре3IЩIШ. lvlеыбрана, которая была ПОЧТ!!

IIеПРОНIIцае~lа дЛЯ I!ОIЮП натрия, внезапно наЧIIнает

1IХ пропуск2.ТЬ. Скорость процесса нарастает, n очеIlЬ короткий проыежуток Bpe~!eHH знак зарядов меняется

на обратный, н возникает новый нервный IIЫПjЛI>С

впереДI! предыдущего. Этот процесс нельзя назвать

передачей электрического заряда, это скорее продви­ жен не вдоль нерва возбуждения, возникшего при л()­ кально!"! сыене знака зарядов на ПРОТИВОПОЛОЖНЫf!.

Но почему ШlПульс передастся только направо, .а не

Ha,'IeBO, не в тоы папраВJlеНИII, откуда он пришел?

69