С появлением информации разобраться было несложно. Но после появились уже более сложные вопросы. Например, как информация передается с каждой колбочки. Обычно при решении каких-либо вопросов, связанных с устройством чего-либо, люди привыкли обращаться к аналогам. А так как на тот период уже использовалась электронно-лучевая трубка, то невольно представлялось, что каждая точка изображения передается в мозг и обрабатывается, одновременно происходит и запоминание информации. Но после весьма строгих подсчетов было выяснено, при таком способе хранения и передачи информации, что за всю жизнь мозг должен обработать и запомнить огромное количество данных, при этом каждый из нейронов мозга должен был бы хранить 6 млн. бит информации, что даже по нашим временам является невозможным. Был проведен опыт, доказывающий неверность этого суждения. Хирургическим путем было удалено около ¾ толщины зрительного нерва. Оказалось, что даже при таком повреждении собака способна была различать предметы, что было бы невозможно, если бы «картинка» строилась точечным способом. Тогда после дальнейших исследований было установлено, что уже при съеме информации происходит частичная обработка информации. На один передающий нейрон приходит несколько тысяч отводящих. Затем они поступают к следующей точке – модуляторе. Там показания различных точек сравниваются и значения подаются в кору головного мозга. К особенностям нашего органа зрения следует отнести: глаз уже на момент передачи информации в мозг уже способен четко определять границу между элементами геометрического слияния объектов; благодаря его особому устройству, глаз способен реагировать только на переменные по освещенности и подвижности объекты, так, например, если особым способом закрепить на глазном яблоке какой либо мелкий предмет, он моментально становится «невидимым» для глаза, огромная способность к адаптации по уровню освещенности (примерно на 6 порядков). Достигается это таким образом: в глазу существуют разные виды палочек и колбочек, отличающихся по избирательной способности (первые реагируют на освещенность, вторые на прямые определенной длины, третьи на окружности и комбинации волнистых линий и прямых). Затем, очень многие считают, что человек, читая, водит глазами по странице, но это не так, ученые установили, что глаз практически неподвижен, он только совершает колебательные движения, описывая сложную «звездочку». В третьих, зрачок – или отверстие для света, может очень сильно изменять свою пропускную способность посредством мышц. Эти свойства и делают глаз сверхсложной и сверхточной системой, которой не существует аналогов в технике.
Периферическая нервная система
Нервная система. Это понятие состоит из двух основных частей – центральная и периферическая системы. Рассмотрим периферическую нервную систему. Она состоит из нервных волокон или нервов. Вообще нервная система – очень сложная и, тем не менее, эффективная система. Ведь именно благодаря ей все процессы контролируются и управляются, благодаря ей проходят серии импульсов, «докладывающих» о состоянии органов, а также внешней среды, обеспечивается приток информации, необходимой для дальнейшего развития.
В машинах и приборах человек использует провода, изготовленные из металлов, природа же использует органические материалы, причем «проводники» - нервы – ничего от этого не теряют, а наоборот, выигрывают. Нервы настолько совершенны, что имеют способность к самообновлению, чем не обладают проводники, созданные человеком.
У человека имеется несколько сотен разновидностей сенсорных устройств, сигнализаторов, это часто затрудняет выбор и универсальность этих приборов. У живых существ их всего несколько, но, тем не менее, они высокочувствительны при малых размерах и практически универсальны.
Рассмотрим строение «проводников» - нервов.
Нервы имеют сложное строение, но в целом его можно представить как кабель связи, собственно для того он и служит. При этом как провода с изоляцией бывают нервные волокна с оболочкой – миелиновым покрытием, так и провода без изоляции – волокна без покрытия. Но есть и некоторые различия: при передаче энергетического импульса по проволочке, материал, из которого изготовлен проводник, остается целым, в случае же прохождения импульса по нервному волокну, оно начинает последовательно разрушаться и восстанавливаться по пути следования импульса. Примерно представить себе это можно, если провести такой эксперимент. Если стальную проволочку натянуть в сосуде с 60 – 70% азотной кислотой, то очень скоро она покроется слоем окиси. Если после этого каким-либо «раздражителем» (электрическим током, например) нарушить целостность пленки окиси, то от места раздражения по «нерву» пробежит «волна возбуждения», о чем свидетельствует выделение пузырьков и почернение проволочки. После этого «нерв» возвращается в первоначальное состояние. Но для того чтобы по нерву пробежала волна импульсов, необходимо получить эти самые импульсы. Поэтому необходимо рассмотреть также и строение нервных клеток – нейронов.
Строение подробно описано в учебнике по биологии, так что не буду останавливаться на этом. Перейду сразу к функциям.
При возбуждении нерва изменяется обмен веществ: возрастает потребление кислорода и выделение углекислого газа и аммиака, увеличивается распад углеводов и богатых энергией молекул АТФ. Растет также и выделение тепловой энергии. Последнее очень невелико – одиночный импульс вызывает выделение тепла в количестве 2*10-10 кал/см2.
Но наиболее ярким проявлением процессов возбуждения в протоплазме являются изменения электрохимической активности.
Как описывалось выше, клетки способны вырабатывать энергию, в данном случае это связывается с различной концентрацией положительных и отрицательных ионов (калия и натрия). Ток покоя (или разность потенциалов между внешней и внутренней стороной мембраны) обычно равен 50 – 90 мВ. При возбуждении в мембране открывается проход, и ионы натрия поступают в клетку, что изменяет ее заряд на положительный. При генерации импульса все происходит наоборот. Амплитуда тока действия тела нейрона достигает обычно 80 – 110 мВ. После генерации тока действия наступает период полной невозбудимости, или иначе абсолютная рефрактерная фаза. Хотя и правильность этого вывода довольно сомнительна, его используют в науке, хотя все более устанавливается позиция электронная теория биопотенциалов.
Вернемся к нервам. Природа для увеличения скорости передачи импульса использует различные способы.
У нервов, не покрытых оболочкой, это осуществляется увеличением диаметра.
У покрытых же нервов, обладающих высоким сопротивлением, работает, кроме того, очень интересный механизм. Миелиновая оболочка не сплошная, она через определенные промежутки прерывается так называемыми перехватами Ранвье. Оказывается, возбуждение возникает только в этих перехватах и перебрасывается, скачет от перехвата к перехвату. Таким образом, сигнал в аксонах проводиться без затухания или, как говорят, бездекрементно.
Все время говорят: «Импульс передается к тому-то, импульс происходит в результате того-то и того-то», но ведь по нерву очень редко передаются одиночные импульсы, гораздо чаще информация передается пачками импульсов, причем различных как по частоте, так и по временному интервалу. Поэтому все импульсы различны и легко мозгу обнаружить и анализировать ощущения, в результате которых был подан сигнал. Таким же образом информация передается в различные участки нашего организма.
Нервные клетки обладают способностью «отвечать» на раздражение с постоянным ритмом. Поэтому вводится понятие лабильности, или физиологической подвижности, под которой понимается большая или меньшая скорость элементарных реакций, составляющих суть функциональной активности. За меру лабильности принимают наибольшее количество токов действия, которое данное возбудимое образование может воспроизводить в единицу времени синхронно с ритмом раздражения. В ходе экспериментов было выявлено очень интересное явление, при очень высокой частоте, нервные клетки сначала не успевают за ритмом, но постепенно они подтягиваются к нему и вскоре снова появляется синхронность. Все это очень напоминает работу некоторых электронных схем, или релаксационных генераторов, простейший из которых может быть выполнен на неоновой лампе, включенной последовательно конденсатору через понижающее сопротивление. Конденсатор периодически заряжается. В ходе разрядки ток через сопротивление попадает на неоновую лампу и заставляет ее вспыхивать.
Была высказана гипотеза о том, что торможение нервных реакций является последствием релаксационных колебаний таких генераторов, появляющихся в результате перегрузки нервных клеток высокоэнергетическими веществами. Таким образом нервная система действует наподобие компьютера: импульсы регуляции и импульсы-информаторы поступают не постоянно, а с некоей определенной частотой, которая, вполне может изменяться в зависимости от конкретных условий. Как было проверено на опытах, клетка, на которую было подано предварительное низкое напряжение, начинает гораздо быстрее (в 3 и более раз) воспринимать импульсы, поступающие извне.