5 курс / ОЗИЗО Общественное здоровье и здравоохранение / Бионика Жерарден Л
..pdfкоторые при помощи нескольких реле и моторов ими
тируют довольно сложное поведение животного. Ки
бернетик использует эти действующие i\юдели для объ яснеНIIЯ функций живой системы.
Знакомясь с предметом БИОНIIКИ, l\lbI уже И:VlеЛI! случай сравнить бионику и кибернетику. Теперь МОЖНО добавить еще несколько отличительных признако!3, учитывая неодинаковый подход этих наук к соотноше нию модели и живой системы. Кибернетический под
ход кажется противоположным БИОНIIческому, но пр!!
ЭТОМ обе стороны тесно связаны. Грей Уолтер выразил
это так: «Бионика И кибернетика - ЭТО две стороны
ОДIIОЙ и той же медали». Та же пара «реальная си стема - модель» может служить как бионику, так и
I<ибернетику. Это показзно на рис. 13. Каждый уче
Ный подходит к этой паре со СlJоей точки зрения. Ки
бернетик, наблюдая функционирование модели, де
лает выводы, объясняющие свойства живых систем,
и подает биологам идеи новых экспериментов; бионик
для конструирования машины пользуется характерlI
стика"IИ естественной системы, применяет новые идеIl,
возникшие во время работы с моделью, или новые зна
ния о функцнях организмов.
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
Перех8аm Ран8ье ---- |
I~~~ |
дКСОН
МI.l8ЛШт'оВая
оlJолочна
р н с. 14. Схема строеНIIЯ нейрона.
НеЙРОl1 СОСТОИТ из тЕ!да н веТВЯЩIIХСЯ отростков, дендритов; длинный
отросток, отходящий от тела, называется аксоном, ОН проводит неРВllые
ИМПУЛЬСЫ. Аксон покрыт мие.1111!ОВОЙ защнтной оболочкой, которая выде ляется wваННОВСКИ~1II клетками. На оболочке видиы перемычки - так на-
зываемые персхваты Ранвье.
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.
3 л. )Керардеи |
65 |
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
IIСХОДИТ в оболочкс аксона. |
|
|
|
Нейрон - ЖIIВая клстка, |
и |
поэтому он |
!lJШОГд3 не |
бывает статичньш, I!нертныы; |
для него |
характерна |
|
дн на ы и ка, ПО,J.ВJ[Ж ность. Эта |
подвнж ность |
проявляет |
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
хлористого натрия; удается обн.аружить !! неыного |
|
хлористого кал!!н. Иными ОlOваы!!, там ;\ШОГО натрия |
|
I! illало кашiя. Внутр!! аксона, П3ПрОТI!В, lIIало натрия |
|
и гораз-до бо.1ЬШС калия. По закону химического рав |
|
новесия - это ОД!Ш НЗ основных законов |
природы - |
натрий стрешпся диффундировать внутрь |
аксона из |
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.
3* |
67 |
|
|
|
|
Зона |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
{Jеполйрuзацuu |
|
|
|
|
Зона, где Вот-Вот |
|
|
|||||||||
Зона |
|
• |
|
Na+ |
|
|
|
|
|
проuзоu8еm |
|
|
|
|||||
покой |
|
. |
|
|
р•• -- ......, |
|
оеполярuзацu/'l |
|
|
|||||||||
+ |
+ |
, |
|
|
- |
,, |
~ |
: |
+ ~ |
-1- |
+ + |
|
+ |
+ |
+ |
|||
|
|
|
|
, |
|
|
|
|||||||||||
|
|
+ |
|
+ |
+ |
: |
+ |
~+ |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
|
|
............ ,11 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
К+· |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l1МПУЛlJС ••••• |
_~ |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
+ |
|
+ |
+ |
~ |
+ |
|
,""""" |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
11+ |
- " |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
- |
|
- |
|
|
|
i |
.- |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
+ |
|
|
|
|
|
+~ + + |
+ |
+ + + |
|||||||||
|
|
f |
|
|
|
|
|
|
" |
|
" |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
........ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Na+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Деполйрuзо8аннаfl |
|
|
|
|
НапраВлен'!е |
|
|
|
Зона |
|||||||||
|
|
Зона |
|
|
|
|
|
|
|
|
me"eHU/'l тока |
|
|
|
пока;} |
|||
|
|
1:'..··..·....------........··--·..--------···: I |
|
|
||||||||||||||
~-f-~+;+~ |
||||||||||||||||||
l1мпульс + : + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-1- импульс |
|||||||
...... |
|
..... _". __ .................. _.. -. ..... .............. ..... |
|
...~ |
||||||||||||||
|
|
|
|
._ ...... а····--··················с·········. |
|
|
||||||||||||
|
|
+;+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-1- |
|
|
|||
|
--...., _~+:+~i |
|||||||||||||||||
~ |
|
\ |
.......-- ...............-- •• ------ ....... |
: |
|
|
||||||||||||
Мuелuно8аfl |
|
|
|
|
||||||||||||||
оболоцка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Р II С. |
17. |
Диагралнra, |
показывающая |
прохождение |
lIыпульса |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
по II2РВУ. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
НсраВlIомерное распредеЛСllпе ВОВОВ создает |
|
разность |
потенциалов по обе |
|||||||||||||||
стороны мембраны аксона. |
Когда нерв возбуждается. потенциал меняется |
|||||||||||||||||
от -70.мв до +40.нв. |
Под |
ВЛШ1iшем |
ЭТого скачка потенциала НОНЫ сосеД4 |
|||||||||||||||
II их областей в CBOiO |
очередь IIРllХОДЯ'Г в ДВИЖСННС; возникает течение тока. |
|||||||||||||||||
На ШIжней днаграмме - IIЗОJш,рующая миелиновая оболочка усиливает этот |
||||||||||||||||||
эффект |
течения |
|
тока |
вuдазп перехватов Ранвье; такиы |
образоы |
умень |
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