Страница 110 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен

Условия – главное для работы случайностей в эволюции жизни. Для того, чтобы объекты и процессы действовали на органы чувств живых организмов, необходима среда, в которой они могут создавать статические или динамические (волны) изменения. Тогда отбор формирует органы чувств в виде преобразователей, превращающих эти изменения в электрические или химические воздействия на нейроны. Их состояния выражают функции распределения параметров нейронов и связей, а тем самым экстремумы в мозге энтропии-информации и её производства.

В частности, воздух может быть средой для распространения элек-тромагнитных волн широкого диапазона частот. Но он хороший изолятор и электрические токи проводимости в нём ничтожны. Это физическое условие ограничивает у наземных млекопитающих и человека случайности, которые могли бы служить исходными для запоминания с помощью отбора таких органов чувств, которые воспринимают относительно медленные изменения электрических потенциалов.

Это не означает, что организм человека нечувствителен к электрическим воздействиям. Повышение частоты раковых заболеваний и лейкемии при постоянном нахождении людей, например, в непосредственной близости от высоковольтных линий или их распределительной аппаратуры есть известный, описанный в литературе факт. В нормы жилищного строительства и профбезопасности он пока ещё не вошёл. Не забывайте и о том, что электротехника началась в 1791 г. от опытов А. Гальвани, когда он электрической разностью потенциалов грозы вызвал мышечные сокращения лапки лягушки.

Электропроводность воды относительно высокая. Медленно изменяющееся электрическое поле (со спектром от ~ 1 Гц до 10 – 50 кГц) в воде создаёт преимущественно токи проводимости, которые могут действовать на погружённые в неё организмы (хотя бы как в опытах Гальвани). Электрические импульсы, описываемые преобразованием Фурье в пределах таких частот, есть основа работы нервных систем. В результате в водной среде для живых организмов возможны случайности, в которых присутствует возбуждение организмом с помощью нейронов токов проводимости в воде и ответные сигналы нервной системы на них. Дело отбора запомнить в этом то, что помогает выживанию выживающих.

Случайности создают более эффективные возможности для живых систем в использовании условий законов природы, чем детерминизм творчества инженеров. Физика разрешает создавать и передавать в воде возмущения в виде электрических токов – природа отвечает многообразием видов рыб, использующих это для своего выживания. Известно 300 видов рыб, которые способны генерировать мощное электрическое поле (из примерно 20 тысяч остальных). Среди них называют электрическими рыбами те виды, которые имеют специализированные органы для создания в воде электрического импульса. Они привлекли внимание ещё с древних времён. Это в частности, электрические скаты, которые генерируют электрический разряд для нападения и обороны. Разряды электрических рыб имеют форму, воспроизводимую у разных особей.

Рыбы, которых относят к неэлектрическим, тем не менее, генерируют в воде электрические возмущения порядка 1 – 10 мВ. Сигналы неэлектрических рыб разнообразны по форме и спектру и изменяются в функции внешних условий. Они похожи на информационный обмен между особями. Обзор известных результатов в этой области содержится, например, в [155]. Новые эксперименты см. [156].

В качестве примера электрических рыб на рис. 9.5 показаны электрический сом и электрический угорь. На схемах внизу рисунка чёрным цветом выделено расположение их электрических органов относительно тела. Оба эти вида рыб в процессе генерации электрического импульса эквивалентны расположенному вдоль них диполю. В примере угря он ориентирован плюсом вперёд. У сома – наоборот. Импульс обнаруживается для угря спереди на расстояниях 5 – 10 м, а для сома 2 – 5 м.

Поясню на основе материала этой книги происхождение электрических эффектов у рыб. Синтез информации о живых клетках, ограниченный условиями химико-электрической энергетики живых систем, привёл к нейронам как клеткам, в которых накопленная натриевым насосом электрическая энергия должна быть потрачена. Диссипация избыточной энергии, произведенной в процессе метаболизма, есть “цель” существования нейронов. В формообразовании нейронов, как было введено в параграфе 4 главы VII, существенно участвует электрическая энергия, которая есть причина роста и ветвления дендритов и аксонов.

Рис. 9.5.

Конвергентный общий признак, задающий свойства и роль в организме электрических клеток, есть механизм накопления электрического заряда на мембранах в сочетании с неизбежностью процессов их деполяризации. Дивергенцию, приводящую к разнообразию конкретных признаков, в этом задают альтернативные варианты случайностей, ограниченных условиями сочетания механических, химических и электрических процессов в клетке.

Максимизация электрической ёмкости мембран клетки, конкурирующая с их механическими свойствами, может иметь выражение не только в виде ветвящихся трубок (дендритов и аксонов), но и в простейшем виде плоского электрического конденсатора. Такой результат получится при механической жёсткости мембран большей, чем у нейронов в нервной системе. Такое механическое условие задаёт широкий (альтернативный классическим нейронам) диапазон случайностей в виде плоских клеток-конденсаторов. Их рост группами-колониями в организме столь же естественен, как и аналогичная группировка любых других клеток. В условиях, когда окружающая среда проводит электрический ток, появляются функции клеток-конденсаторов, которые могут влиять на выживание выживающих – генерация электрического импульса для нападения в целях питания или обороны; взаимосвязь особей, включая сигналы, необходимые для процессов размножения. Запомненный случайный выбор электрических параметров импульсов получает диапазон от многих сотен вольт до единиц милливольт.

Случайности в пределах условий формируют в электрических органах рыб самые разные формы клеток, электрически являющихся плоскими конденсаторами – цилиндрические или розеткообразные (как вырождение дендритов и аксонов), округлые (как преобладание в формообразовании механической энергии), чашеобразные и дисковидные. Последние, естественно, преобладают в тех видах рыб, для которых отбор запомнил максимальные электрические параметры внешних импульсов как средств нападения и защиты.

Например, у электрического угря эти клетки есть приближённо пластинки, толщина которых около 10 мкм, а длина доходит до 10 мм. Независимо от формы, разность электрических потенциалов на мембранах клеток в электрических органах всех видов рыб остаётся примерно той же, что и в нервных системах – порядка от 90 до 150 мВ. Ценность и незаменимость информации (в терминах параграфа 12 главы I) о способе накопления электрической энергии на мембранах относится к максимальной из существующих в живых организмах.

Электрическая составляющая энергии клетки для плоских клеток приводит к преимущественной столбиковой и послойной группировке объединений электрических клеток в автономный орган. В электрическом органе ската это есть последовательно включенные в столбики клетки-пластики. Множество таких структур включено параллельно.

У электрического ската Torpеdo occidentalis его электрический орган парный. Его вес доходит до четверти веса всей рыбы. Каждая его часть состоит примерно из 600 шестигранных столбиков, плотно упакованных по типу сот. Столбики содержат по 40 пластинок. Столбики и пластинки в них реализуют комбинацию последовательного включения потенциалов и параллельного суммирования токов клеток (аналогов нейронов). Мощность такого органа во время импульса доходит до 6 кВт.

Последовательная и параллельная упаковка многих клеток – нейронов широко представлена в структурах мозга всех форм жизни. Но там она сочетается со случайностями, вызванными неопределённой формой нейронов, а в электрических органах рыб реализована строгая пространственная упорядоченность упаковки плоских клеток. Это есть пример сочетания конвергентной основы с малыми дивергентными её изменениями, которые приводят к отличиям, несопоставимым в наглядном выражении. Например, у электрических скатов сумма потенциалов отдельных электрических пластин (аналогов нейронов) может доходить до 50 вольт. Паралельное включение обеспечивает суммарный ток до 7 А.

Как я подчёркивал в [14], электрический орган электрического ската есть пример предела строго упорядоченной “нервной системы”. Случайности есть основа анатомии и работы нервных систем. Альтернатива ей в виде упорядочения приводит к эффекту, не имеющему, казалось бы, с нервными системами ничего общего – к мощному электрическому импульсу как средству нападения и защиты. Поскольку анатомическую ориентацию упорядоченных групп электрических клеток в составе тела рыб определяет случайность, то электрическая полярность и положение электрических органов вдоль или поперёк тела рыб у разных их видов имеют разнообразные варианты (совместимые с другими условиями анатомии рыб). Некоторые из них показаны на рис. 9.6 (см. также рис. 9.5). Электрические органы выделены чёрным цветом. Плотность энергии в них доходит до 1 мДж на 1 г веса.

Количественным отражением роли случайностей при упаковке клеток в мозге по отношению к их упорядоченности в электрических органах рыб является электроэнцефалограмма. Суммарные потенциалы на коже головы – всего милливольты. Сравните с 20 – 30 В (иногда сотнями вольт) у электрических скатов. Ведь потенциал каждой клетки-составляющей в обоих случаях одинаков.

Рис. 9.6.

Электрические угри достигают в длину 1 м. При их электрическом разряде сильное поле образуется на длине до 5 м. Оно поражает рыб и лягушек (как пищу). Это нервный эффект, так как рыб сводит судорога и они застывают, выгибаясь и растопырив жаберные крышки (остановка дыхания) и плавники. В оборонительных целях угри генерируют серии импульсов, которые могут убить мелких животных, контузить человека или напугать, например, лошадь. На длине угря напряжение при разряде может доходить до 1200 В, а токи до 1,2 А. Электрический сом (подотряд Siluroidei) создаёт на длине тела ~ 0,9 м разность потенциалов 350 В. Мощность импульсов доходит у него до 30 Вт. Электрические скаты, звездочёты создают при разрядах сопоставимые эффекты.

Интересно, что электрический угорь плывёт за счёт движения хвостовых плавников с выпрямленным телом, а не изгибая его, как обычные угри. Это невыгодный способ передвижения. Но он существует. Первое объяснение кажется очевидным. При изгибах во время разряда части тела попадали бы в области поперечного градиента поля. Весь ток разряда в его процессе неустранимо проходит через электрический орган. Защищать от него изоляторами нечего и нет необходимости. Но электрические градиенты поперёк тела создают токи, от действия которых нужна защита путём дополнительного отбора. Естественный отбор цели не имеет. Раз угорь плавает, оставаясь прямым, то это означает, что иные случайности и условия для работы отбора не нашлись.

Электрический орган любой рыбы есть эквивалент заряженных электрических конденсаторов. Их сжатие и растяжение по разные стороны оси угря неизбежно при изгибных движениях тела (см. схему электрического органа угря на рис. 9.5). Деформация таких конденсаторов сопровождается работой над их электрическим полем и изменяет на них разность потенциалов. Эта работа не мала в масштабах затрат энергии на движение. Кроме того, она создаёт изменяющееся электрическое поле и токи поперёк группировки электрических клеток. Возникает ситуация, аналогичная предыдущей, но имеющая другие причины.

Ответ остаётся прежним – поперечная изоляция есть дополнительное “конструирование и изготовление” электрически прочной “банки” для каждого из столбиков в электрическом органе. Физические законы не поставляют отбору в этом “рафинированные” случайности. Ему остаётся только видоизменить плавательные движения угря. Кстати, подобные эффекты, но в разных формах, должны участвовать в формировании анатомии и поведения всех электрических рыб с большими плотностями запасённой электрической энергии.

Генерация электрической разности потенциалов (но не столь большой, как у электрических рыб) возможна и с участием мышечных клеток. Примером служит электрокардиограмма сердца. Подобное может происходить у рыб при генерации импульсов как средства общения.

Конвергентным признаком для нервных систем животных и электрических органов рыб являются параметры импульсов во времени. Мощный разряд электрического ската есть последовательность импульсов. Конкретно в этом случае единичный разряд образует от 2 до 10 и более отдельных импульсов, продолжительностью 3 – 5 мс, собранных в группу примерно из 150 таких пачек в секунду. Это близко по форме во времени с импульсами, которые действуют в нервных системах, но на порядки превышает их по параметрам.

Импульсы разряда приводят к электрическим токам через погружённые в воду организмы. Вид этих импульсов во времени близок к параметрам нервных импульсов в данном организме. В таком случае наиболее вероятным эффектом внешних импульсов будет дезорганизация работы нервной системы. Она может включать в себя парализующие или летальные результаты. Если велика мощность разрядов электрического органа рыбы, то разрушительное влияние будет возникать даже при отличиях внешних импульсов и внутренних сигналов нервной системы.

Электрический разряд для рыбы становится средством для обеспечения её пищей и для защиты. Естественный отбор запоминает тот выбор конкретных случайностей, который обеспечил это.

Почему электрический разряд ската или других электрических рыб не убивает их самих? Ведь полный ток импульсов обязательно проходит хотя бы через их электрический орган и примыкающие ткани.

Ответ в том, что импульсы электрических рыб становятся оружием нападения и защиты не потому, что они разрушают-“поджаривают” клетки живых организмов – поражающий фактор электрического импульса рыб состоит в действии на нервную систему других рыб. Поэтому защита самого ската должна содержаться в форме импульса-оружия как “осциллограммы”. В нервной системе электрических рыб сформировалась нечувствительность (отсутствие реакции организма) именно на ту конкретную форму и последовательность импульсов, которая поражает жертвы. С такой точки зрения электрические рыбы заслуживают большего исследования.

Тот факт, что электрические органы рыб есть многоклеточный аналог единственного нейрона, подтверждает и способ управления ими в организме рыбы. Например, у электрического ската управление каждым элементом его электрического органа осуществляется так же, как и для любого нейрона в нервной системе – с помощью химических синапсов (аналога мышечной концевой пластинки) и нейромедиатора, которым в данном случае является ацетилхолин. В отличие от разнообразия медиаторов и связей для нейронов в нервной системе, здесь работает единственный нейромедиатор и одномоментно во многих тысячах клеток.

Общие приёмы охоты всех форм жизни сохраняются и у электрических рыб. Это предварительное исследование жертвы, формирование удара по силе, продолжительности, числе и форме импульсов в нём. Для всех форм жизни импульсы нейронов в мозге являются командами мышцам. Электрический орган рыб есть один гипертрофированный нейрон. Вид и последовательность его импульсов непосредственно убивает жертву. Например, у волка последовательность импульсов вызывает бросок, команду челюстям. Аналогичные импульсы у рыб сами действуют как оружие. Электрические рыбы материализуют предел агрессивности – “мысль-убийца”.

Внешний “нервный импульс” в виде мощного электрического разряда запоминается отбором у рыб по конкретным прпичинам:

вода как внешняя электропроводная среда может передавать электрические возмущения, которые уже существуют в составе нервных систем всех организмов, в частности, рыб;

участие электрической энергии в формообразовании нейронов требует максимизации их поверхности и малой толщины, что одинаково вероятно как в формах клеток-“плоских конденсаторов”, так и в виде дендритов и аксонов, если условия в виде механических свойств мембран в этих случаях различны;

агрегирование “электрических клеток” столь же высоко вероятно, как и любых других клеток в организме;

большие силы в электрических полях при плоских формах клеток делают строго упорядоченную послойную и столбиковую упаковку клеток энергетически выгодной, то есть самопроизвольной и приемущественной;

видоизменения нейронов в составе электрических органов рыб в сочетании с сохранением для управления ими обычных импульсов, действующих в их нервной системе, делает высоко вероятной близость формы внешнего импульса электрических рыб к сигналам в нервных системах других видов рыб;

однородные по форме, но не тождественные, внешние импульсы и внутренние процессы в нервной системе рыб делают высоковероятной дезорганизующую роль этих импульсов в чужих нервных системах (вплоть до летальной);

преимущества больших объёмов поражения для получения пищи и защиты создают условия для мгновенного запоминания таких случайных комбинаций перечисленных выше особенностей, которые обеспечивают выживание выживающих.

В перечисленном выше ключевым является упорядоченная группировка нервных клеток, образующая единый “нейрон” как многоклеточный орган. Он по весу и объёму больше мозга его обладателей. Он есть пример “мозга”, основанного на упорядоченности. Электрический орган рыб запоминается как экзотическое сочетание случайностей, высокая вероятность которых задаётся условиями физических законов.

Альтернативный вариант электрическому органу рыб состоит в максимизации поверхности нейронов за счёт дендритов и аксонов, что сочетается с хаотичной группировкой нейронов и их связей. Эта альтернатива задаёт рост объёма мозга вплоть до мозга человека разумного. Нервные системы, использующие хаос клеток и связей для обработки сигналов по типу рис. 9.1, становятся массовым признаком жизни.

В пределах варианта эволюционного отбора из хаотической упаковки нейронов можно ожидать, что у рыб внешние электрические импульсы существуют не как исключения для 300 (или немногим более) из 20 тысяч видов, а как система. Они должны быть слабее, чем у электрических рыб, но могут работать как средство коммуникации особей и локации. Факты показывают, что это действительно так и есть.

Выражение “нем как рыба” отражает достоверный факт – у рыб не распространён звуковой или ультразвуковой способ общения между особями. В воде роль внешнего освещения солнцем также ограничена физическими законами. Прозрачность воды существует в узкой зелёной области солнечного спектра излучения. Однако она не столь велика. С глубиной из-за падения количества проникшего в воду света роль внешнего освещения в общении и локации рыб быстро падает до нуля. Взвешенные в воде примеси делают прозрачность воды низкой даже там, где света много. Тем не менее, органы зрения у рыб есть. Они эффективны, но в сравнении с сухопутными животными возможности их ограничены.

В этих условиях электрическое поле и вызванные им токи может быть тем условием физических законов, которое ограничивает случайности так, что создаёт электрические средства для коммуникации в воде – электические органы чувств и передачи сигналов. Неизбежен вывод, что электрические сигналы в воде для рыб есть столь же значительное и эффективное средство взаимодействий, как звук и свет для наземных животных. Несомненно, что у рыб существуют электрические языки общения. Коллективное поведение рыб мало отличается от поведения наземных животных, обладающих развитыми звуковыми и световыми средствами коммуникации. Достоверно, что в стаях неэлектрических рыб потенциалы особей суммируются и отражают её маневры.

Любой орган чувств создаёт в нервной системе функции распределения сигналов и значения энтропии-информации. Электрическая передача нервных импульсов у рыб не может отличаться по эффектам в нервной системе от сигналов других органов чувств.

Цели у эволюции нет. Физические условия только ограничивают случайности. Эволюция амфибий и беспозвоночных не имела тех случайностей для отбора с помощью выживания выживающих, которые делают у рыб доминирующей связь и локацию на электрической основе.

Работа нервных систем и мозга принципиально есть абстракция – сопоставление несопоставимого. Слух, зрение, обоняние, в конечном счёте, выражаются электрическими импульсами в нервной системе. Поэтому внешние электрические импульсы, сформированные по законам данной нервной системы, могут быть такими же эффективными ощущениями, как и любые из привычных для человека (см., например, [156]).

Установлено, что рыбы имеют органы чувств – электрорецепторы – для приёма электрических сигналов как ощущений. Они не обязательно должны быть на поверхности их тела. Законы электростатики делают выгодным такую их форму, когда группы чувствительных приёмников максимально удалены друг от друга.

Например, в обзоре [155] указывается, что электрорецепторы располагаются преимущественно на спине, брюхе и голове рыб. Наиболее изученные из них называют ампулами Лоренцини, бугорчатыми органами, и органами Сабо.

Ампулы Лоренцини есть длинные трубки с изолирующим наружным слоем и проводящей желеобразной сердцевиной. Они передают электростатическую разность потенциалов извне рыбы к её нейронам в том числе при её импульсных изменениях. Собственно чувствительным элементом этих органов являются дендриты специализированных нейронов. Но чем больше расстояние между точками, в которых определяется электрический потенциал, тем больше между ними разность потенциалов. Изолированные трубки-проводники не есть сам электрический орган чувств. Это составляющие, подобные ушной раковине или хрусталику глаза, которые усиливают физический эффект, лежащий в основе ощущения. Ампулы Лоренцини воспринимают внешние статические поля и участвуют в оценке амплитуды импульсных сигналов.

Бугорчатые органы так названы за свой вид. Их чувствительные элементы воспринимают изменение разности потенциалов во времени. Они вводят в нервную систему рыбы сигналы о структуре внешних электрических импульсов во времени.

В мозге рыбы есть отделы, обслуживающие электрические органы чувств. Они расположены в мозжечке и продолговатой доле мозга рыбы.

Как видно из перечисленного, электрические органы чувств повторяют структуру и взаимодействия любых других органов чувств у всех видов жизни. Они содержат:

первичный усилитель физического эффекта;

нейроны, непосредственно воспринимающие физические переменные, изменяющиеся в этом эффекте;

отделы мозга, специализированные в связях с данным органом чувств и объединённые общими взаимодействиями мозга как органа.

Рыбы, имеющие специализированные электрорецепторы, обладают чувствительностью, рекордной даже в масштабах современной техники электрических измерений. По напряженности электрического поля она доходит до 10-10 В/м при плотности тока порядка 10-11 А/м2. Если учесть, что площадь чувствительной части поверхности электрорецептора порядка 1 мм2, а импульсы с частотами в 100 – 1000 Гц есть для них характерные сигналы, то приведенной выше плотности тока соответствует в одном импульсе разряд на электрическом органе чувств порядка 1 иона. Для наглядности напомню, что число Авогадро ~ 623/моль.

Наибольшей чувствительностью среди исследованных рыб обладают нильский гимнарх и скаты. Рыбы с “электрическим оружием”, как правило, не имеют электрических органов чувств (например, электрический сом и звездочёты). Это есть запомненная отбором случайность типа глухоты звонарей, но врождённой. Чувствительность рыб, не имеющих электрорецепторов, к электрическим импульсам как сигналам мала и составляет 1 – 10 В/м.

В статических полях достоверно, что рыбы плывут к положительно заряженному электроду (аноду). Это настолько сильный эффект, что его используют в промысловой ловле рыб.

Неэлектрические рыбы, вопреки своему названию, создают электрические импульсы вокруг себя, но с малой напряжённостью поля порядка 100 – 200 мкВ на длине тела рыбы. По структуре во времени они сопоставимы с импульсами, обычными для нервных систем разных видов жизни. Общий спектр частот этих импульсов лежит преимущественно в области от 0,1 Гц до 2 – 5 кГц. В нём присутствует низкочастотная компонента с максимумом около 2 – 3 Гц (ответственная за пачки посылок импульсов) и частоты порядка 1 – 2 кГц, вызванные самими импульсами в составе пачек.

Кстати, наряду с общепризнаными внешними электрическими полями наземных видов жизни, регистрируемых в виде электрокардиограмм и электроэнцефалограмм, достоверно установлено существование относительно сильного почти статического электрического поля вокруг тела животных и человека. Оно регистрируется бесконтактно, например, на расстоянии от 1 до 25 см вокруг мышц лягушки или человека, оно установлено вокруг комаров и шмелей в полёте (см., например, [155] и ссылки там). Известны опыты Вольфа Мессинга, в которых он, взяв человека за руку, судя по всему, включался в его электрические системы подготовки двигательных команд. Человек в онтогенезе проходит стадию рыб, что имеет отражение в его геноме. Имеет право на существование направление анализа электрических воздействий как аналога ощущений (в диапазоне частот спектра нервных импульсов).

Страница 110 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука