Металлический проводник и нерв

 

Конструкторское бюро природы неплохо поработало, создавая для нашей планеты миллионы живых существ, постоянно их переделывая и совершенствуя. За это время было сделано немало замечательных находок и изобретений. Какой бы новый принцип в управлении, в локации, ориентации в пространстве ни был предложен учеными, впоследствии всегда оказывается, что природа уже давным-давно его использует. Пожалуй, только с колесом природа оплошала. Колесо – единственное, что человек придумал сам.

Поэтому у нас издавна повелось сравнивать хитроумные творения природы с более простыми и более понятными выдумками человеческого гения. Такие сопоставления помогают ученым более наглядно представить многие сложнейшие явления. Хорошо известно, что танцевать легче всего от печки.

Не удивительно, что еще в прошлом веке, когда наука о мозге, главным образом о его строении, значительно продвинулась вперед, заметили аналогию между центральной нервной системой и телефонной сетью большого города. Действительно, известное сходство есть. В телефонную станцию – мозг с периферии, то есть со всех концов тела, бежит по нервам, как по проводам, беспрерывный поток информации. В глубинах мозга нужная информация отбирается, сортируется и направляется в строго определенные отделы, которые обмениваются между собой впечатлениями, обсуждают полученную информацию. После непродолжительных взаимных консультаций принимается решение, и вот уже по нервам на периферию к мышцам, железам, ко всем органам несутся приказы.

Сходство усиливается тем, что и по телефонным проводам и по нервам бежит электричество. В этом убедился еще Гальвани. С тех пор десятки тысяч опытов подтвердили, что раздражение любых органов чувств кодируется в электрические импульсы и в таком виде попадает в мозг. Да и в мозгу вся информация, циркулирующая между различными его отделами, передается в виде электрических импульсов.

Если бы работой такой телефонной сети заинтересовался инженер, его больше всего удивило бы, что электрические импульсы распространяются страшно медленно: в нервной сети млекопитающих всего со скоростью 0,5–100 метров в секунду.

Напомним, что электрический ток является упорядоченным движением электронов. И хотя сами электроны движутся со скоростью порядка одного миллиметра в секунду, электромагнитное поле, которое вызывает их движение, распространяется почти со скоростью света. Поэтому если в Москве на электрический кабель подать напряжение, на другом его конце во Владивостоке, за 10 тысяч километров от Москвы, электроны придут в движение уже через 1/30 секунды.

Еще больше изумился бы инженер, замерив сопротивление отдельных нервных волокон, составляющих нервный ствол. Оно очень велико. Один метр нервного волокна имеет такое же сопротивление, как 16 миллиардов километров обычного медного провода. Поразмыслив, инженер сделал бы вывод, что в такой телефонной сети сообщения могут передаваться только в том случае, если ее линии передачи оснащены усилительными подстанциями.

Такое утверждение недалеко от истины. Действительно, возбуждение распространяется не за счет энергии рецептора или нервного центра, а за счет энергии, вырабатываемой нервом.

Волокна, из которых складываются нервы, являются отростками нервных клеток. Диаметр их, равный 0,1–10 микрон, ничтожен в сравнении с длиной. В нервной сети млекопитающих встречается два вида нервных волокон: тонкие – голые, одетые лишь тончайшей, невидимой в оптический микроскоп оболочкой, и мякотные, покрытые толстой миелиновой оболочкой.

Целесообразность оболочки не вызывает сомнения, она является изолятором, отделяющим друг от друга волокна, тесно упакованные в нервном стволе. Миелиновая оболочка предотвращает переход возбуждения с одного волокна на другое и возникновение в связи с этим невообразимой путаницы. Единственно, чего не понимали ученые, почему верхняя изолирующая оболочка не сплошная, как рубашка у любого кабеля, а состоит из отдельных фрагментов около миллиметра длиной. Между ними есть небольшие промежутки, так называемые перехваты Ранвье, в которых нервное волокно остается оголенным.

Собственная тонкая оболочка нервного волокна избирательно проницаема для одних веществ и не пропускает другие. Через нее свободно проходят катионы калия и водорода, но она служит непреодолимой преградой для более крупных катионов, например катиона натрия, а кроме того, не пропускает анионы. (Как известно, катионы несут положительный заряд, анионы, наоборот, заряжены отрицательно.)

Обычно концентрация ионов по обе стороны оболочки не одинакова: ионов натрия и хлора внутри волокна в 10 раз меньше, чем в тканевых жидкостях, зато ионов калия в 20 раз больше. Поэтому катионы калия устремляются наружу и создают на внешней поверхности нервного волокна положительный заряд. Анионы не могут последовать за калием и, скапливаясь на внутренней поверхности волокна, создают здесь отрицательный заряд. Вот почему в покое внутренняя сторона мембраны всегда заряжена отрицательно, а наружная – положительно. Разность этих зарядов, или, иначе, потенциал покоя, равняется 50–70 милливольтам.

Потенциал покоя сохраняется лишь до тех пор, пока в нервном волокне не возникло возбуждение. Если какой-то раздражитель, падающий на нервную клетку, нервное окончание или на любой другой участок нервного волокна, вызвал в этом месте возбуждение, то проницаемость мембраны немедленно, хотя и на короткий срок, меняется. Она начинает пропускать ионы натрия, которые устремляются внутрь, благодаря чему оболочка волокна перезаряжается: становится электроотрицательной снаружи и электроположительной внутри. В результате два соседних участка протоплазмы волокна, ничем между собой не разделенные, окажутся противоположно заряженными.

Такое положение сохраняться не может, между соседними участками потечет электрический ток, возникнет электрический импульс. Электрический ток вызовет возбуждение соседнего, ранее отрицательно заряженного участка волокна, что тотчас же сделает его оболочку проницаемой для натрия и изменит заряд на положительный. А как только это произойдет, между вновь возбужденным и следующим участком волокна потечет электрический ток, и все повторится сначала. Из бесконечного повторения этого процесса и складывается прохождение по волокну нервного импульса.

Так распространяется возбуждение в тонких, не покрытых миелином волокнах. Там же, где есть миелиновая изоляция, возникновение таких коротеньких петель тока невозможно, и весь процесс развертывается лишь в перехватах Ранвье. (Вот, оказывается, для чего они существуют!) В миелиновых волокнах возбуждение распространяется скачками от одного перехвата к другому и движется поэтому гораздо быстрее, чем в тонких волокнах.

Таким образом, электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение электронов, практически сразу возникающее на всем его протяжении, а нервный импульс – это движение возбудительного процесса вдоль нервного волокна, которое сопровождается возникновением электрического тока, вызывающего, в свою очередь, возбуждение соседнего участка.

Такой способ распространения возбуждения объясняет две интересные особенности нервного импульса. Во-первых, проходя по длинному волокну, нервный импульс ничуть не затухает, оставаясь постоянным по величине в начале и в конце своего пути. Во-вторых, все импульсы, идущие по волокну, совершенно одинаковы. Они не отражают силы или особенностей раздражителя, вызвавшего нервный импульс, а зависят только от свойств нервного волокна, по которому распространяются.

Эти положения были однажды проиллюстрированы в очень интересном опыте. По краю купола у медуз проходит нервное кольцо. (По своему устройству оно существенно отличается от нерва, но в данном случае это не имеет значения.) Импульс по кольцу медузы, как по нерву, может распространяться в обе стороны. Если раздражать какой-то участок кольца, импульсы побегут в обе стороны и, встретившись на противоположной стороне купола, погасят друг друга.

Опыт, о котором идет речь, интересен тем, что ученым удалось, вызвав возбуждение на определенном участке кольца, блокировать соседний. Поэтому возбуждение могло распространяться лишь в одну сторону. А когда нервный импульс обежал кольцо, блокада была снята, и он беспрепятственно проследовал через это место, совершив второй, третий, четвертый виток. Целые сутки длился опыт, а импульс все бежал и бежал, не замедляя скорости, не уменьшаясь в величине. Опыт мог бы продолжаться и дольше, до тех пор, пока животное не погибло бы или не наступило полное его истощение.

 

Электростанция под водой

 

Европейцам от первого знакомства с электричеством до внедрения его в технику потребовалось почти две с половиной тысячи лет. Врачи начали использовать его в своей практике значительно раньше, хотя даже понятия об электричестве не имели. Многие выдающиеся врачи Римского государства, такие, как Клавдий Гален, лечили людей электричеством, пользуясь живыми электростанциями обитателей морских глубин – рыб.

В Средиземном и других морях земного шара водятся довольно крупные скаты. Римляне знали, каким удивительным образом добывают они себе пищу. Эти рыбы не гоняются за добычей, не выскакивают на нее из засады. Спокойно, не торопясь, плывут в толще воды, но, как только поблизости оказываются мелкие рыбы, крабы или осьминоги, с ними что-то происходит: начинаются судорожные конвульсии, миг-другой, и неосторожное животное мертво. Скат подбирает свою добычу и не торопясь отправляется дальше.

Римляне думали, что удивительные рыбы, увидев добычу, выделяют в воду какое-то ядовитое вещество. Яд действовал и на человека, причем прямо через кожу, но не был для него смертелен. Прикосновение к рыбе ощущалось как удар, рука невольно отдергивалась. Римские врачи считали яд скатов очень полезным лекарством. Ради него их отлавливали и содержали в морских садках.

Так думали две тысячи лет назад. Только сравнительно недавно была разгадана поистине удивительная тайна этих рыб. Опасные хищники оказались живой электростанцией, способной вызывать разряд такой силы, что находящиеся вблизи мелкие животные гибнут. То, что римляне приписывали действию яда, в действительности было электричеством. Впоследствии выяснилось, что существует немало «электрических» рыб и некоторые из них гораздо опаснее ската.

Весть о такой чудовищной электростанции дошла до европейцев значительно позже. Вскоре после открытия Америки туда хлынул поток жестоких и жадных до золота авантюристов. Им и довелось испытать на себе силу электрических разрядов этой интересной рыбы.

Еще первые завоеватели Америки – испанцы создали миф о затерянной в джунглях южного материка сказочно богатой стране Эльдорадо, где даже мостовые выложены булыжниками из чистого золота. На поиски загадочной страны снаряжался отряд за отрядом. Одному из таких отрядов под командованием Де Сикка удалось проникнуть в верховья Амазонки. Несколько месяцев плыли они вверх по реке, прежде чем достигли ее истоков. Огромная река, один из притоков Амазонки, превратилась здесь в небольшой ручеек. Дальше плыть по воде стало невозможно, и отряд двинулся в джунгли.

Дорогу преграждали непроходимые заросли, страшные топкие болота. Опасность подстерегала на каждом шагу: огромные крокодилы, ядовитые змеи и удавы, племена враждебно настроенных индейцев, уже знавших, что несут с собой белые завоеватели, и несметные тучи комаров и москитов, заражающих людей малярией, тропической лихорадкой и другими опасными болезнями. Каждый метр пути приходилось буквально прорубать в сплошной зеленой стене джунглей.

Однажды отряд Де Сикка вышел на окраину огромного болота. Был засушливый период года, и болото почти высохло. Лишь вдали, в самом центре, в лучах полуденного солнца поблескивали лужи еще сохранившейся воды. Европейцы свободно вздохнули: на несколько часов дорога обещала быть легкой.

Все шло хорошо, пока отряд не достиг цепочки соединенных между собой мелких луж в центре болота. Индейцы-носильщики категорически отказались войти в воду. В глазах их отражался ужас. Европейцы никак не могли понять, в чем дело. Лужи были такие мелкие, что в них не могли спрятаться ни крокодилы, ни гигантские анаконды. Гроза южноамериканских рек ужасные рыбы пирайи также не могли здесь оказаться.

Один из европейцев пошел вперед, чтобы подать пример испуганным носильщикам. Но едва он сделал несколько шагов, как с нечеловеческим криком рухнул навзничь, точно сбитый с ног могучим ударом. Два товарища, бросившиеся ему на помощь, через секунду оказались в грязи, опрокинутые все тем же невидимым противником.

Лишь через несколько часов их спутники отважились осторожно войти в воду и вынесли на сушу своих пострадавших товарищей. Все трое остались живы, но продолжать путь отряд уже не смог. У жертв невидимого врага ноги были парализованы. К вечеру движение ног начало восстанавливаться, но только через несколько дней больные окончательно выздоровели. Суеверный, как и все конкистадоры, Де Сикка решил вернуться назад.

Так впервые европейцы узнали еще об одной подводной электростанции, которая находится в теле довольно крупной рыбы – пресноводного электрического угря. Рыбы эти имеют внушительные размеры – 1,5–2 метра в длину и весят до 15–20 килограммов.

Электрические угри – ночные животные. Охотятся они только после наступления темноты. Сила электрического удара так велика, что рыба может оглушить даже крупных зверей. Мелкие животные погибают мгновенно. Южноамериканские индейцы очень хорошо знают опасную рыбу и не рискуют переходить вброд реки, где она обитает.

На языке индейцев-томанаков угри называются «арима», что значит «лишающий движения». Их мясо, а также вызываемые ими электрические разряды у многих местных племен считаются лечебными. Возможно даже, что электролечением в Америке начали заниматься значительно раньше, чем в Европе, но вряд ли точную дату его возникновения удастся когда-нибудь установить.

После того что было сказано в начале главы, вряд ли показалось бы странной способность рыб вырабатывать электрический ток, если бы речь шла лишь о слабых разрядах, а не о таких внушительных, какие способны генерировать подводные электростанции: африканский сом, американский угорь и морской скат.

Напряжение электрического тока, создаваемое сомами, достигает 400, а угрями 600 вольт! (Для сравнения напомним, что напряжение тока в бытовой электросети наших городов и сел всего 127–220 вольт.) При этом мощность электростанций угря равняется 1000 ватт. Высокое напряжение электрического тока угрю необходимо потому, что пресная вода является очень плохим проводником электричества. Ток меньшего напряжения был бы опасен только на очень близком расстоянии. Напряжение, создаваемое морским скатом, значительно меньше, не превышает 60 вольт (морская вода – прекрасный проводник), зато сила тока достигает 60 ампер. Все очень внушительные цифры!

Как же удалось природе создать свои живые электростанции? Что явилось их прообразом?

Самый значительный ток у обычных животных вырабатывается в крупных мышцах: в сердце и в двигательной мускулатуре. Вокруг некоторых плывущих рыб можно обнаружить электрическое поле. Оно особенно велико у круглоротых (миног и миксин) и древних, примитивных рыб, которые еще не научились экономно расходовать энергию. Вокруг головы плывущей миноги можно зарегистрировать электрические импульсы напряжением в несколько сот микровольт.

Было бы странно, если бы природа не смогла использовать это явление. Видимо, в тот период, когда на Земле появились рыбы, она увлеклась электротехникой. Она только что закончила вчерне создание мозга и периферических нервов (командно-коммуникационного органа с его сложным электрохозяйством) и теперь прикидывала, какую еще пользу можно извлечь из электричества. Нужно отдать должное, поиски не были напрасными. Во всяком случае, в жизни рыб электричество выполняет более разнообразные функции, чем у других животных.

Так называемые электрические рыбы пошли по пути создания мощных электростанций. Основой для них послужили мышцы и нервные окончания, так называемые концевые пластинки, которые превратились в пластинки электрического органа.

Электрические органы очень велики: их вес составляет 1/4–1/3 часть веса рыбы, у угря они достигают 4/5 длины рыбы, а у сома покрывают все тело. Орган состоит из огромного количества пластинок, собранных в столбики. Все пластинки в столбиках соединены последовательно, а сами столбики – параллельно.

Сокращение скелетных мышц, давших начало электрическим органам, вызывается нервным импульсом, который сопровождается электрическим разрядом. Когда импульс достигает нервных окончаний в мышечных тканях, здесь выделяется особое вещество – медиатор (переносчик), которое вызывает сокращение мышечных клеток, также сопровождающееся возникновением электрических разрядов. Создавая электрический орган, природа использовала концевые пластинки и видоизмененные мышечные клетки, лишив их способности сокращаться, но сохранив за ними функцию генерации электрического импульса.

Механизм возникновения электрического импульса в пластинках электрического органа ничем существенным не отличается от генерации его в нерве, концевой пластинке или мышечном волокне. Даже величина импульса – 150 милливольт является обычной для нервных и мышечных клеток. Однако благодаря тому, что у угря пластинки собраны в столбики по 6–10 тысяч, соединенные последовательно, общее напряжение может достигать 600 вольт. У скатов пластинок в каждом столбике немного, не больше 1000, зато столбиков, соединенных параллельно, около 200, поэтому напряжение тока оказывается небольшим, а его сила значительной.

Чтобы управлять таким сложно устроенным органом, понадобилось создать специальный командный пункт. Поэтому у электрических рыб появился особый отдел мозга – электрические доли и овальные ядра в продолговатом мозгу. Овальные ядра – верховный командный пункт, который принимает решение о применении грозного оружия и отдает приказ в электрические доли. Здесь совершается самая сложная работа по координации разряда. Ведь для того чтобы разряд достиг максимальной силы, все пластинки должны разрядиться строго одновременно. Этим и заняты электрические доли.

Чтобы одновременно дать разряд, все пластинки должны одновременно получить соответствующий приказ, нервный импульс. Вот в этом-то и состоит трудность. Нервный импульс распространяется относительно медленно, в спинном мозгу рыб со скоростью 30 метров в секунду. Поэтому пластинки, лежащие в начале органов, вблизи головы, получат приказ значительно раньше, чем в конце, расположенные на полтора метра дальше.

Как электрические рыбы добиваются, чтобы приказы приходили одновременно? Возможно, приказы к хвостовой части органа посылаются раньше, чем к головной, а может, рыбы регулируют скорость распространения нервного импульса. Характер управления в течение жизни меняется: рыбы растут, электрические органы у них становятся больше, и команды приходится посылать по-другому.

 

Локаторы и осциллографы

 

Угорь, скат и сом не единственные рыбы, имеющие электрические органы. В настоящее время известно около 300 других видов рыб, способных давать слабые электрические разряды напряжением от 0,2 до 2 вольт. Первоначально ученые думали, что эти рыбы убивают очень мелких животных. Но тщательные наблюдения не подтвердили этого предположения. Лишь недавно стало понятно, зачем нужны электрические органы, вырабатывающие очень слабый электрический ток.

Совершенствование электрооснащенности у этих рыб пошло не в сторону увеличения силы разрядов, а по пути усиления электрочувствительности. Было замечено, что многие из них живут в очень мутной воде и ведут ночной образ жизни, а некоторые, например нильский длиннорыл, постоянно разыскивают корм, засунув голову глубоко в ил. В мутной воде или ночью своевременно заметить опасного хищника очень трудно. У электрических рыб возникло удивительное приспособление, позволяющее обнаруживать приближение врага даже в полной темноте.

В отличие от рыб, использующих электричество для охоты, у нильского длиннорыла есть не только электростанция, но и специальный орган, очень чувствительный к электричеству. Электростанция генерирует 300 разрядов в секунду, создавая вокруг рыб слабое электрическое поле очень постоянной формы с силовыми линиями, сходящимися на уровне головы. Электрические рыбы в отличие от всех остальных даже плавают, не изгибая собственного тела, чтобы не нарушить окружающее их электрическое поле. Если же вблизи появится крупная рыба, однородность электрического поля нарушится. Тело рыбы более электропроводно, чем окружающая пресная вода, поэтому силовые линии сдвинутся в сторону приближающейся рыбы. Электрочувствительные приборы длиннорыла это сразу улавливают, и он бросается наутек.

Своеобразный локатор служит рыбам не только для того, чтобы спасаться от врагов. С его помощью они свободно обходят препятствия, так же как летучие мыши с помощью своего эхо-локатора. Большинство предметов, с которыми рыбы могут столкнуться в воде, плохо проводят электричество. Силовые линии от таких предметов отталкиваются, что позволяет длиннорылам отличать одушевленные предметы от неодушевленных.

С помощью электрической локации находят свою добычу морские и пресноводные миноги. В мутной воде пресноводных водоемов эта способность особенно необходима. Удивительное существо – рыба-нож, живущая у берегов Америки, в тропической части Атлантического океана, несет свой локатор на хвосте. Поэтому расселины между скал и проходы в подводной растительности она исследует, пятясь задом и засовывая хвост в каждую дырку. Такой способ очень удобен, он всегда позволяет рыбе вовремя удрать, если в засаде ждет враг.

Близкий родственник длиннорылов – гимнарк пользуется радаром во время охоты, точно определяя с его помощью местонахождение своей добычи. Чтобы радар длиннорылов и других рыб удовлетворял своим требованиям, воспринимающие ток органы, расположенные в коже, должны обладать очень тонкой чувствительностью. Действительно, гимнарк «замечает» изменения силы электрического тока всего в 0,000000000000003 ампера! Такая чувствительность дает возможность рыбе отличить нормального пескаря от наживки, в теле которой рыболовы спрятали крохотный стальной крючок. Можете быть уверенными, опасную приманку гимнарк обойдет стороной.

Высокой электрочувствительностью наделены многие рыбы и даже амфибии. Органом, воспринимающим электричество, служит у них боковая линия, а у скатов – ампулы Лоренцини.

Чемпионом, вероятно, является скат хвостокол, или морской кот, как его нередко у нас называют. Эта очень широко распространенная рыба обитает и в Черном море, хотя на прилавках магазинов вы ее не увидите. Морского кота у нас не едят, что в общем-то и не совсем заслуженно: мясо у ската действительно жестковато, но печень ничем не уступает тресковой.

Рыбаки не любят иметь дело с морским котом. Они с презрением выкидывают пойманных скатов обратно в море и нещадно проклинают их, когда приходится выпутывать из сетей злополучную рыбу. Проклятья отнюдь не случайны, морской кот умеет отлично «царапаться». Длинная, острая, вся в мелких зубчиках игла, которой украшен хвост ската, слегка ядовита, и глубокие резаные раны, нанесенные ударами хвоста, очень болезненны и нередко подолгу не заживают.

Морской кот не приносит ни большой пользы, ни большого вреда, видимо, поэтому мы мало интересуемся этой рыбой и не очень много о ней знаем. Между тем скат – одна из интереснейших рыб Советского Союза. Ампулы Лоренцини, расположенные на голове морского кота, способны воспринимать ничтожный ток. Устройство их несложно. Тоненькая трубочка, ведущая в глубь кожи, заканчивается небольшим вздутием, на дне которого лежат чувствительные клетки. Рецепторы настолько чувствительны, что не уступают лучшим осциллографам. С их помощью скат может улавливать биоэлектрические потенциалы, возникающие в теле других рыб. Это позволяет ему находить на песчаных пляжах ловко замаскированных молоденьких камбал, ориентируясь лишь по ритмическим электрическим разрядам, возникающим в мускулатуре во время дыхательных движений, и нападать на ничего не подозревающих рыб.

Подводный осциллограф – находка для парапсихологии. Тот, кому доводилось наблюдать в море за поведением типично стайных рыб: ставриды, скумбрии, зубариков, – вероятно, не раз восхищался слаженностью маневров стаи, когда десятки, сотни или даже тысячи рыб одновременно как по команде меняют направление движения. Кто дает эту команду, как она передается, ученые пока не знают. Возможно, для «передачи мыслей» на расстояние рыбы пользуются слабыми электросигналами. Ведь биотоки возникают во всех мышцах и нервах и еще раньше в мозгу, который посылает в рабочие органы свои приказы. Эти распоряжения могут передаваться и за пределы рыбы, ведь морская вода отличный электропроводник.

 

 

Служба информации

 

Универсальная антенна

 

Целый день в наш мозг по бесчисленным каналам связи поступает информация. В слуховом нерве 30 000 проводов-волокон, в зрительном нерве их еще больше, около 900 000. Объем информации, поступающей только из слухового аппарата, равен десяткам тысяч бит в секунду, информация глаз достигает миллионов бит! Мозг должен в ней разобраться, выявить главную, отделив ее от второстепенной или совсем ненужной. Ведь усвоить он способен всего 50 бит в секунду.

Утром, прежде чем проснувшийся мозг сможет заняться этой работой, ему необходимо наладить приемные устройства, чтобы обеспечить бесперебойное поступление важнейших сообщений. Дело это совсем не легкое. Организм человека и животных обладает множеством самых различных приемных устройств, каждое из которых способно воспринимать лишь определенным образом закодированную информацию.

Сколько же каналов связи у организма? Сколько способов извлечения информации ему известно?

Приемные устройства для извлечения информации, или рецепторы, в обыденной жизни принято называть органами чувств. Их много. Специалисты называют шесть основных: зрение, слух, равновесие, вкус, обоняние и кожную чувствительность.

Ну, а не основные просто невозможно перечислить. Только в коже находится масса рецепторов: одни реагируют на легкое прикосновение (они обеспечивают осязание), другие – на более сильное воздействие, и раздражение их воспринимается как боль. Третьи реагируют только на холод, четвертые ощущают только тепло. Это лишь начало списка кожных рецепторов, на самом деле их значительно больше.

А сколько рецепторов имеют внутренние органы: одни определяют качество пищи, попавшей в желудок, другие уровень кровяного давления, третьи количество растворенного в крови углекислого газа. Мы даже не осознаем их работу. До нашего сознания просто не доходит информация, которую рецепторы внутренних органов беспрерывно шлют мозгу.

Ученые давно изучают устройство и работу органов чувств. Особенно усилились эти исследования в последние годы, с тех пор как появился электронный микроскоп. Это понятно, ведь обычный увеличивает от силы в тысячу – полторы тысячи раз, зато электронному доступны громадные увеличения – в 20, 40, 60, а то и в 100 тысяч раз! Не удивительно, что он помог ученым подсмотреть много нового.

Выяснилась удивительная вещь: у всех живущих на Земле животных рецепторные клетки (они воспринимают раздражения) любых органов чувств обнаруживают огромное сходство в своем строении. Оказывается, любая из них обязательно снабжена подвижным волоском, или жгутиком. В устройстве жгутиков разных рецепторных клеток тоже много общего. Внутри проходят две центральные опорные фибриллы (волокна), окруженные кольцом из девяти пар подвижных фибрилл. Только в очень редких случаях этот жгутик бывает видоизменен.

Жгутики играют для рецепторной клетки такую же роль, как антенна для радиоприемника. Их так и называют рецепторными антеннами. При их помощи мы и воспринимаем окружающий мир. Антенны рецепторных клеток глаза реагируют на световую энергию – фотоны. В органе обоняния антенны воспринимают энергию молекул пахучих веществ. Антенны слуховых клеток реагируют на звук – энергию звуковой волны.

Чувствительность антенн поразительна. Достаточно энергии одного фотона, самой маленькой порции света, чтобы зрительная клетка возбудилась. Для антенны обонятельной клетки – одной молекулы пахучего вещества. Слуховая клетка возбуждается, когда колебания барабанной перепонки достигают размаха всего 0,0000000006 миллиметра. Это в десять раз меньше диаметра самого крохотного атома – атома водорода.

Антенны всю жизнь находятся в беспрерывном движении. Без этого нельзя воспринимать раздражения внешнего мира. Движущиеся антенны ведут активный поиск раздражителей.

Сходство между рецепторными клетками различных органов чувств, конечно, не полное. Есть и серьезные различия. В зрительных клетках, например, содержится особое вещество, называемое зрительным пурпуром, которое изменяется под действием света. Благодаря этой фотохимической реакции и происходит восприятие света. В рецепторных клетках других органов чувств пурпура нет. С помощью каких веществ они воспринимают раздражители, ученым пока неизвестно.

Почему так много сходства в строении различных рецепторных клеток, сказать трудно. Видимо, конструкция оказалась очень удачной, поэтому природа, создавая самые разнообразные органы чувств, и использовала типовые, стандартные детали.

Прошли миллионы лет, животный мир на нашей планете проделал огромный путь развития от примитивных одноклеточных существ, почти не воспринимающих раздражения окружающего мира, до современного человека с его многочисленными, очень совершенными и чрезвычайно чувствительными органами чувств. Кажется, между человеком и инфузорией не осталось ничего общего. Но нет! Рецепторные клетки человека и птиц, рыб и насекомых, моллюсков и других животных воспринимают окружающий мир, любые его раздражения, любыми органами чувств с помощью сходно устроенных подвижных антенн. Даже одноклеточные организмы, такие, как эвглена, и они используют все ту же подвижную антенну. Вот что значит удачная конструкция. Она проходит не только через века и тысячелетия. Для нее не страшны даже миллиарды лет. Живые организмы Земли пронесли подвижную антенну от самого зарождения жизни до наших дней.

 

Откуда все пошло

 

Из шести основных органов чувств наиболее важны три. Потеря вкуса, а тем более обоняния проходят для нас почти незаметно. Даже с потерей осязания можно было как-то мириться, но потеря зрения, слуха или чувства равновесия делает человека тяжелым инвалидом. Для нас это самые главные системы восприятия внешнего мира. Они не совсем совпадают с главными анализаторными системами животных. Многие представители животного царства обладают весьма слабым зрением или совсем лишены удовольствия видеть окружающий мир. Некоторые не воспринимают звуки или слышат очень плохо и прекрасно без этого обходятся.

Зато орган равновесия – очень важная анализаторная система. Она есть почти у всех многоклеточных животных. Даже у одноклеточных зоологи нашли какие-то образования, отдаленно напоминающие орган равновесия более высокоразвитых животных. Таким устройством снабжены паразитические инфузории. У них есть особая вакуоль – небольшой, поверхностно расположенный пузырек с какими-то кристаллическими включениями, – очень напоминающая статоцисты (орган равновесия) многоклеточных. Если впоследствии подтвердится, что она действительно выполняет эту функцию, ничего удивительного не будет. Ведь на планете немало мест, погруженных в непроглядный мрак ночи, можно найти уголки, куда не проникает ни один звук, но земное притяжение действует везде, от него скрыться некуда.

Можно предполагать, что жизнь возникла не без участия света. Во всяком случае, светочувствительность, которой, вероятно, уже обладало первичное живое вещество, очень быстро привела к возникновению специальных органов зрения. Свет воспринимают даже современные одноклеточные животные – жгутиконосцы. У одноклеточных, особенно у пиридиней, среди которых многие способны светиться, глазки могут быть довольно крупными. Они представляют собой чашеобразной формы скопление красноватого жироподобного светочувствительного пигмента, расположенного в передней части пиридинеи у основания жгутика. В углублении пигмента лежит прозрачное зерно крахмала, выполняющее светопреломляющую и фокусирующую функцию.

Из названных выше трех главных для человека органов чувств два являются более древними: зрение и равновесие. Еще одна интересная особенность роднит между собой эти в общем-то несхожие органы чувств. И орган зрения и орган равновесия, хотя создавались и совершенствовались не один десяток лет и, конечно, претерпели за это время очень большие изменения, все же по своему устройству и особенностям работы различаются меньше, чем устройство слухового анализатора и особенности восприятия звука у различных животных. Такое отличие объясняется тем, что зрение и равновесие формировались под влиянием единого, постоянно действующего фактора космического масштаба: равновесие под действием земного притяжения, зрение под воздействием солнца. А единого, равноценного источника звука на Земле нет и раньше тоже не существовало.

Когда на планете зарождалась жизнь, здесь было удивительно тихо, а такие звуки, как раскаты грома или грохот волн, разбивающихся о пустынные мрачные скалы первобытных морей, большинство животных не интересовали. Только когда сами животные достигли достаточно высокого уровня развития, научились активно передвигаться, начали странствовать по белу свету и пожирать друг друга, на Земле появился слабый шумок. Это возникли звуки биологического происхождения, создаваемые самими животными. Они-то и породили слуховой анализатор, а вслед за ним и слуховую сигнализацию, получившую затем очень широкое распространение.

Множество самых разнообразных источников звуков потребовало создания такого же разнообразия воспринимающих приборов, от очень широкого диапазона до способных улавливать лишь очень узкую полосу звуков.

Некоторые летучие мыши, хотя и слышат лучше всего очень высокие звуки, доходящие до 300 килогерц, могут улавливать и самые низкие. Их орган слуха охватывает 15 октав. Ночным бабочкам, которыми питаются летучие мыши, такой колоссальный слуховой диапазон ни к чему. Их тимпанальный орган, расположенный в крыльях, способен улавливать только ультразвуковые импульсы летучих мышей. Такая ограниченная задача породила очень простое устройство. Тимпанальный орган состоит из мембраны, воздушных мешков и всего двух чувствительных нервных клеток. Их задача – воспринять звук, издаваемый летучей мышью, и дать команду на немедленное изменение направления полета.

Зрительному анализатору, развивавшемуся лишь под действием солнца, большой широты не потребовалось. Глаза самых разных животных способны воспринимать световой поток шириною не более трех октав. Таким образом, диапазон световосприятия в пять раз уже звукового.

На нашей планете почти нет существ, безразличных к свету. Даже одноклеточные животные, у которых нет глаз, и те прекрасно отличают свет от темноты. В основе светоощущения лежит свойство некоторых химических реакций ускоряться под действием света, и поэтому протоплазма, видимо, почти любых клеток многоклеточных животных может воспринять свет, так что участие глаз совершенно не обязательно.