Текст книги "Сотворенная природа глазами биологов"

Зрительная система

Зрение дано живым созданиям, чтобы добывать пищу, находить свое жилище, узнавать друг друга, врага. Лучше всего оно развито у животных-охотников.

Большинство животных видит мир черно-белым, окружающее предстает перед ними как бы в сумраке – серым или, быть может, в бледных пастельных тонах. Но зато для них, как и для многих других животных, мир богат звуками и запахами, которые зачастую недоступны человеку.

Зрительный анализатор. Для восприятия и анализа зрительных раздражений существует зрительный анализатор. Здесь особо чувствительной клеткой является фоторецептор. А с ним связаны проводящие пути (зрительный нерв) и другие нервные клетки, расположенные на разных уровнях нервной системы.

При восприятии световой информации последовательность событий такова. Полученные сигналы (кванты света) мгновенно кодируются и в форме электрических импульсов передаются по проводящим путям в определенное место центральной нервной системы. Там эти сигналы декодируются (расшифровываются) в соответствующее зрительное восприятие. Для его распознания из памяти извлекаются эталоны зрительных образов и другие необходимые сведения. А далее поступает команда различным органам для адекватного и быстрого ответного действия.

Телескопические трубы паука. С помощью сложного анализа ситуации охотится, например, паук-скакунчик. Его глаза обладают удивительным свойством. Крайние глаза видят не только то, что впереди и сбоку от паука, но даже позади него. А два средних глаза представляют собой настоящие телескопические трубы. Они даны скакунчику для того, чтобы рассматривать удаленные от него предметы, к которым он проявляет особый интерес. При этом сам корпус трубы надежно закреплен на теле, а сетчатка, принимающая изображение, перемещается в ту или иную сторону. Так что, исследуя окружающее пространство, паук даже не вращает глазами.

Трудно представить всю сложность зрительного анализа, каким обеспечено это маленькое существо, чтобы оно могло одновременно оценивать и общую ситуацию в окружающей среде и фиксировать конкретную цель для охоты.

Управление движением. Действия животных, направленные на достижение определенной цели, определяют их сенсорные и управляющие системы.

Человек, веками создавая «рукотворные» машины и механизмы, лишь недавно стал сознавать, что делает некоторое упрощенное, приблизительное подобие того, чем обладают живые управляющие системы. Ведь они удивительно целесообразны и сложны.

Примером технической системы, способной к целенаправленным действиям, может послужить зенитное орудие, управляемое радаром. Не трудно проследить определенное сходство в действиях орудия и живой системы. Рассмотрим в качестве примера действия такой системы сложные управляемые движения лягушки.

Итак, когда цель оказывается в радиусе действия орудия, происходит наведение на нее и выпуск снаряда для поражения. Также и лягушка поворачивается или прыгает в сторону летящего насекомого и, с большой точностью выбросив язык, настигает добычу.

В обоих случаях механизмы, которые обеспечивают попадание, имеют общие главные элементы:

• движущуюся или неподвижную мишень;

• воспринимающее устройство (сенсорный орган): радар в случае зенитного орудия и глаз у лягушки. Это устройство необходимо, чтобы установить положение мишени и составляющих ее движений в трехмерном пространстве в определенный момент времени. То есть мишень как бы передает информацию о себе и своем местонахождении через воспринимающее устройство;

• систему обработки информации, или вычислительное устройство. Такая система анализирует полученную информацию и предсказывает положение мишени в последующие моменты. У лягушки для этого служит мозговой отдел системы зрительных анализаторов, а у зенитного орудия – специальное устройство. Они обеспечивают вычисление направленности движения ствола орудия и языка лягушки для поражения мишени. Все расчеты основываются на информации, поступающей от сенсорного органа – в одном случае радара и в другом глаза;

• орган действия – эффекторный орган, непосредственно осуществляющий управляемое действие. В случае орудия – ствол со снарядом, который при выстреле пересечет траекторию мишени в рассчитанный момент. В случае лягушки – мышцы ее липкого языка, обеспечивающие его выбрасывание изо рта. Причем для четкого контакта с добычей это должно происходить точно в расчетное время и с заданной скоростью.

Центром этих управляющих систем является вычислительное устройство, обрабатывающее информацию. Если работа устройства управления зенитным огнем вполне известна, то механизмы обработки информации в мозгу лягушки пока таят в себе много неясного. А ведь это пример только одного поведенческого акта из целого комплекса целенаправленных действий лягушки при пищевом поведении.

Не менее точный расчет сопровождает молниеносный прыжок этого животного в сторону добычи. И если случается, что он оказался недостаточно точным, то система управления позволяет скорректировать полет. Лягушка успевает развернуться в нужном направлении, орудуя растянутыми перепонками на широко расставленных пальцах лап. И делает она это в последний момент, так как во время прыжка ее глаза закрыты и втянуты внутрь орбит во избежание возможных травм. Лишь вблизи добычи в рассчитанный момент лягушка выставляет вперед лапы, открывает глаза, с высокой точностью корректирует движение тела и только потом выбрасывает свой липкий язык.

Эти примеры показывают, какими удивительно сложными управляющими системами наделена «обыкновенная» лягушка. Могло ли устройство для преследования цели стать результатом последовательного самосовершенствования амфибии? Могли ли и сенсорный орган – глаз, и вычислительное устройство – мозговой отдел системы анализаторов, и эффекторный орган – подвижные мышцы липкого языка особой конструкции с целесообразным способом крепления во рту постепенно возникнуть, чтобы образовать замкнутую цепь для осуществления серии целесообразных поведенческих актов?

А теперь представьте, вероятно ли, что положенные рядом необходимые части сенсорного органа – радара, вычислительного устройства и самого орудия со стволом и снарядом способны постепенно самособраться и самоорганизоваться для целенаправленного поражения мишеней. Даже если бы на то им были отведены миллиарды лет.

Чувствительное обоняние

Зачастую мы недооцениваем возможности обоняния, так как быстрее воспринимаем окружающий нас мир посредством зрения. Чего нельзя сказать о большинстве живых существ. Ведь чувствительным обонянием Творец наделил даже тех, от кого мы меньше всего этого ожидаем. Оказывается, даже грибы способны различать запахи! Самые чувствительные органы обоняния животных могут ощутить одну-единственную «пахучую» молекулу среди 10 триллионов молекул пахучих веществ.

Обонятельный анализатор. Животные обеспечены обонятельным анализатором для восприятия и анализа химических раздражителей, действующих на их органы обоняния. Так же, как и все другие анализаторы, он состоит из воспринимающего, проводникового и центрального отделов.

Обонятельные рецепторы – хеморецепторы (от лат. chimia– химия + лат. recipere – получать) воспринимают молекулы пахучих веществ, и тогда электрические импульсы, сигнализирующие об определенном запахе, по нервным волокнам направляются к мозгу для анализа. Там происходит выработка ответной реакции.

Например, обонятельный анализатор комара точно определяет вещества, составляющие запах человека и теплокровных животных, и направляет насекомое в нужную сторону. Причем комары способны обнаружить стадо на расстоянии трех километров от себя.

Или же великолепное обоняние у собак – это их главное чувство. Благодаря обонятельному анализатору собака-ищейка способна почувствовать и распознать до полумиллиона запахов (!) и обнаружить удивительно малую концентрацию пахучего вещества. Если в 1 кубическом сантиметре воздуха будет содержаться только одна его молекула, то и она способна запустить анализатор в работу! И тот быстро определит, что же это за вещество, и оповестит животное. Это значит, что память собаки способна хранить огромное количество сведений о разных веществах и мгновенно, по первому же требованию, предоставлять их для анализа.

Поспорить с нюхом собаки способны носороги. Они близоруки и на расстоянии 40 метров не отличат человека от дерева, но зато по запаху находят даже очень далеко находящихся от них сородичей.

А радужная форель способна обнаружить стомиллионную долю грамма примесей, растворенных в 1 литре воды. С помощью природных анализаторов проводится как количественный, так и качественный химический микроанализ.

Именно благодаря такой чувствительности обоняния и других органов и живых «приборов» лососевые рыбы безошибочно находят «родной дом» после долгих странствий в открытом океане.

Анализирующие системы в помощь личинке. Личинка балянусов – усоногих рачков, называемых морскими желудями, принадлежит к свободноплавающим существам. Но вот приходит время, когда ей нужно крепко прикрепиться к твердой поверхности прибрежных скал или раковин моллюсков и построить свой известковый белоснежный домик со створками.

Как же личинка находит удобное место для прикрепления? Оказывается, ей дано использовать опыт предшественника. Если он жил на этом месте и оставил после себя след – «запах», то и ей здесь должно быть безопасно. Поэтому личинка балянуса обладает превосходным анализирующим устройством для поиска белка, оставленного предыдущим поселенцем. Причем анализатор позволяет личинке не только не спутать его с белком других живых существ, но и точно узнать место, где прикреплялись балянусы именно этого вида. То есть своим индивидуальным анализатором личинка способна «почувствовать» те незначительные отличия в молекуле не растворимого в воде белка, которые по конфигурации соответствуют ее виду.

А где же находится такое совершенное анализирующее устройство? Если под микроскопом рассмотреть личинку балянуса, то на ее антеннах можно увидеть своеобразные диски, окруженные волосками. Это и есть рецепторная часть анализирующего прибора, позволяющая оценить даже конфигурацию белковых молекул. Информация анализируется, и выдается сигнал на прикрепление балянуса к найденному месту или поиску нового пристанища.

Создание подобного чувствительного анализатора, которым наделены юные рачки, человеку пока недоступно.

«Умные» глаза человека. Мы, люди, хотя и не лишены обоняния, чувства вкуса, слуха и осязания, наиболее важным для нас является зрение. Причем мы живем в очень ярком и многогранном мире света и цвета.

Экспериментально установлено, что зачастую образ, который мы видим, отличается от того, который фиксируют наши глаза. В сотрудничестве с мозгом они создают особые зрительные образы. Это вовсе не значит, что глаза нас обманывают. Просто мозг дополняет картины, которые мы видим, множеством логических деталей. Так, на сетчатке глаза имеется слепое пятно, куда подходит зрительный нерв и где нет зрительных клеток. Но благодаря мозгу мы не видим дыры в пейзаже, а воспринимаем целостный образ, создаваемый как бы из мозаики.

Или, например, шутка, которую играет с нами мозг, когда мы перечитываем собственную рукопись. Мы порой не в состоянии увидеть свои ошибки, хотя кто-то другой заметит их сразу. Дело в том, что мозг «знает», что мы имели в виду, и автоматически показывает нам правильный вариант, скрывая опечатки.

Интересно, что зрачки чутко реагируют на наше состояние и даже выдают его. Оказывается, они сужаются при виде чего-то отвратительного или пугающего нас и, напротив, приятные или интересные объекты заставляют их расширяться.

Вкусовая система

Вкус – это ощущение, возникающее при воздействии раствора химических веществ на рецепторы (хеморецепторы) органа вкуса животного.

Вкусовой анализатор. Рецепторные вкусовые клетки являются периферической частью сложной системы вкусового анализатора. Они воспринимают химические раздражения, в них происходит первичное кодирование вкусовых сигналов. Анализаторы тотчас передают залпы хемоэлектрических импульсов по тонким нервным волокнам в свой «мозговой» центр. Каждый такой импульс длится менее тысячной доли секунды! А затем центральные структуры анализатора мгновенно определяют вкусовые ощущения.

Органы вкуса у птиц представлены вкусовыми почками, которые лежат в некоторых частях клюва и языка. Причем они находятся вблизи от протоков желез, выделяющих слюну, так как ощущение вкуса возможно только в жидкой среде.

Благодаря работе вкусовых анализаторов птицы хорошо различают не только сладкое, соленое и кислое, но некоторые из них ощущают и горькое. Они также способны вырабатывать условные рефлексы на вещества, создающие такие ощущения, – на растворы сахара, кислот и солей. Обычно птицы отдают предпочтение сладкому.

Вкус человека. В ротовой полости человека тоже содержатся вкусовые почки, в которых расположены нервные окончания, обеспечивающие способность ощущать вкус пищи. Интересно, что к сладкому наиболее чувствителен кончик нашего языка. Достаточно прикоснуться им к шарику мороженого, и вы сразу же узнаете его вкус. Кислое же лучше всего ощущают края языка, а горькое – его основание.

Наш язык служит своего рода сторожем. Если в рот попадает что-нибудь несвежее, язык тотчас передаст эту информацию в мозг. А тот мгновенно пошлет приказ мышцам рта. И тогда мы, не задумываясь, избавимся от того, что не приемлет организм.

Вкус – комплексное ощущение. Если вкусовой анализатор работает одновременно с органами обоняния, то вкус воспринимается лучше. Вы, вероятно, замечали, что, когда при насморке притупляется обоняние, хуже различается вкус пищи, порой она кажется даже безвкусной.

Слуховая система

Слуховой анализатор. Звуковые волны воспринимаются и обрабатываются слуховым анализатором – системой механических, рецепторных и других структур. Эти колебания преобразуются слуховыми рецепторами в нервные импульсы, которые передаются по слуховому нерву в центральную часть анализатора. В результате происходит восприятие звука и анализ его силы и тембра.

Множество примеров, свидетельствует о том, как слуховая система животных служит им для извлечения нужной информации из звуковых волн. Слышат и расшифровывают информацию даже рыбы.

Долгое время считалось, что из-за примитивности слуховой системы рыбы почти не способны различать звуки. Однако исследования показали, что это вовсе не так. Например, треска не только слышит звуки разной частоты, но и с помощью анализаторов определяет место, где находится их источник. Даже слабые звуки, издаваемые рыбой при схватывании добычи или перетирании пищи челюстями, привлекают других хищников, а миролюбивых рыб повергают в бегство.

Установлено, что рыбы отлично слышат телефонный звонок и реагируют на его звук. В опытах, связанных с обучением рыб, скромные маленькие пескари использовали свой слуховой анализатор для определения нужного звука и получали пищу по свистку или звуку камертона. Причем воспринимали звук от источника, удаленного от них на 30 метров.

Выяснилось также, что эти рыбки могут хорошо различать два тона с интервалом в одну октаву, что не всегда является простой задачей и для человека. Услышать разницу с интервалом в один тон может не всякий. А пескари на это способны! И что удивительно – при звуках скрипки в басовом регистре они начинают как бы «пританцовывать» в такт, ритмично вибрируя грудными плавниками. В этом не уступают им и карпы. При звуках мелодии они «танцуют», плавая то вверх, то вниз. Но как только музыка стихает, тут же успокаиваются. И это все при том, что орган слуха у рыб, казалось бы, очень прост – он представлен только внутренним ухом, заключенным вместе с органом равновесия в хрящевую капсулу.

Но разве можно назвать простой всю анализирующую систему, которой одарены рыбы, если они проявляют такие удивительные способности?

Чувствительный слух человека. Чувства связывают человека с окружающим миром и позволяют с ним взаимодействовать. Большинство из нас уверено, что самое важное из чувств – это зрение. Но слух тоже не менее удивительное и сложно устроенное чувство. Как оно возникает?

Когда звук достигает наших ушей, то барабанные перепонки начинают вибрировать – быстро или медленно, сильно или слабо. Они рассчитаны даже на предельно малую вибрацию, которую создают некоторые звуки – в одну миллиардную сантиметра! И все изменения вибраций несут в себе важную информацию о природе слышимого нами звука.

Подхватывают и усиливают вибрации перепонок три крохотные косточки среднего уха, называемые молоточком, наковальней и стремечком. Затем они передают вибрации дальше, в переднюю часть ушного лабиринта, называемую улиткой. Она содержит около 25 тысяч крошечных волосковых клеток. Те окончательно преобразуют вибрации в электрические сигналы и посылают их в мозг. Такова, хотя и длинная, но очень надежная и быстродействующая цепочка передачи звуковой информации от воспринимающего устройства, каким является ухо, до мозгового центра слухового анализатора.

Наш слух создан так целесообразно, что мы особо чувствительны не к низким, а именно к высоким звукам. Ведь если бы наша чувствительность к низким звукам была также высока, то нас постоянно отвлекали бы внутренние звуки организма, в том числе, бегущей по артериям крови.

Чувство осязания

Осязание – это не единая сенсорная система, а целый комплекс кожных ощущений. Он включает ощущения давления и боли, щекотки и температуры и т. п. Классическим примером служит восприятие нами влажности, которое вызывается смешением ощущений давления и холода. Его можно испытать вообще без какой-либо влажности. Это чувство знакомо любому, кто надевал резиновые перчатки.

Сеть чувствительных анализаторов. При восприятии различных ощущений одни рецепторы регистрируют, например, давление, а другие – температуру. Затем центральный отдел анализаторов мгновенно расшифровывают полученные сигналы, а мозг объединяет эту информацию в единое целое. Поэтому, потрогав предмет, мы вовсе не задумываемся о его свойствах. Ведь вывод возникает как бы сам собой: холодный он или теплый, твердый или мягкий, гладкий или шероховатый. Интересно, что с помощью чувствительных рецепторов температуру можно ощутить, даже не прикасаясь к предмету.

Осязание – необходимое чувство и для многих животных. Так, на показания своего осязательного «радара» во многом полагаются все кошачьи, в том числе и наша домашняя кошка. Его роль играют и шерстинки на лапах, лбу, ушах и, конечно же, длинные тонкие усы над верхней губой. Когда кошка настораживается, они разворачиваются в пространстве с помощью специальных мышц.

При этом образуется веер из колеблющихся волосков, которые связаны со сверхчувствительной нервной сетью анализаторов. Благодаря этому кошка ощущает и анализирует все подозрительные вибрации, и в первую очередь те, которые вызываются движениями живого существа. Она даже способна ловить грызунов, оставаясь совершенно неподвижной, – может сторожить сразу несколько нор, улавливая самые ничтожные движения потенциальной добычи.

Изучать осязание любого животного весьма непросто. Но едва ли не наибольшую сложность представляет исследование его у насекомых. Каким же образом осязают мир эти закованные в хитиновый панцирь существа? Известно, что у них тоже существуют анализаторы, определяющие температуру, давление и т. д. Но многое в механизмах их действия остается пока неизвестным.

Насекомые наделены осязанием и для того, чтобы добывать пищу, и для того, чтобы спасаться от опасности. Именно благодаря осязанию не так-то просто прихлопнуть самую обыкновенную, как мы считаем, муху. Ее зрение позволяет заметить угрожающий объект только на расстоянии 40–70 сантиметров, зато она способна отреагировать на малейшее перемещение воздуха, вызванное опасным движением руки, и мгновенно взлететь.

А каким тонким чувством осязания обладает паук! На его педипальпах и ногах расположены осязательные волоски особого строения. С их помощью через вибрацию паутинных нитей паук ощущает даже самые незначительные дуновения воздуха. Он чутко воспринимает и степень натяжения нитей. При изменении состояния паутины паук будет разыскивать свое убежище, двигаясь всегда вдоль наиболее сильно натянутых нитей.

Все это еще раз подтверждает, что в мире живого нет ничего простого – все существа от мала до велика обеспечены сложными высокочувствительными сенсорными системами для активной жизнедеятельности и собственной защиты.

Полезна ли боль? Дарованное нам чувство осязания играет огромную роль. Ведь, утратив его, мы лишаемся, к примеру, ощущения боли, а значит, способности чувствовать опасность.

Боль является врожденным чувством и неизбежным спутником человека с первых и до последних дней его жизни. Если у вас заболела голова или сердце, сильно «дергает» воспаленное место с занозой, вы понимаете, что это – сигналы о неблагополучии в организме. Древние говорили: «Боль – сторожевой пес здоровья». Так что же такое боль?

Боль – это данная животным и человеку психическая и физиологическая реакция на беспокоящее или нестерпимое раздражение чувствительных нервных окончаний при уколе, ударе, порезе, воспалении и т. п.

Согласно одним представлениям болевое ощущение возникает благодаря существованию особых болевых рецепторов, связанных с собственной системой передачи нервных импульсов. Такие рецепторы находятся в коже, мышцах, надкостнице, внутренних органах. На 1 квадратный сантиметр кожи приходится 100 болевых точек, а всего их на поверхности тела человека – около миллиона. По другим представлениям боль может вызвать сильное раздражение любых рецепторов – от прикосновения, тепла, холода и т. д.

Задача высокочувствительных рецепторов – быстро, со скоростью 120 метров в секунду, передать в мозг информацию: на такой-то участок тела сел комар или же упала капля дождя. Но, быстро передав сведения, рецепторы столь же быстро отключаются. И мы забыли бы напрочь об укусе комара или о других болевых раздражениях, если бы не сложные системы, которые, словно гибкая растительность густого тропического леса, пронизывают наше тело. Эти системы, называемые свободными нервными окончаниями, обладают пониженной чувствительностью, и скорость передачи информации у них в сто раз медленнее. Зато, раз включившись, они неспешно, но упорно посылают в мозг свои однообразные сообщения. И только благодаря их настойчивости вы через какое-то время все же обратите внимание на кусающего вас комара или другое неприятное воздействие.

Конечно, комар, если это не полчище кровососущих насекомых, – не так и страшен. Опаснее, если человек по какой-то причине лишен болевой чувствительности. Он может вовремя не среагировать на порез и истечь кровью, незаметно для себя замерзнуть или получить серьезные ожоги, не ощутив губительного действия огня. То же самое относится и к животным.

Таким образом, боль, обеспечивающая сохранение жизни, является благом, которое мы зачастую недооцениваем.

Добрые прикосновения. Научно доказано, что осязание особенно важно для многих новорожденных.

Детеныши животных, которых облизывают матери, обладают повышенной сопротивляемостью болезням. И у них больше шансов дожить до зрелости, чем у тех, к кому в младенчестве их мамы не прикасаются. Если, например, овца не лижет новорожденного ягненка, он умирает вскоре после рождения.

Так и наши дети. Те, кому в первые месяцы жизни не доставало ласковых родительских рук, страдают от бессонницы, потери веса и слабого иммунитета. Ведь в каждого из нас вложена потребность в добрых прикосновениях.