Страница 89 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен

Важнейшая специализированная клетка нервной системы – нейрон. Нейрон включает в себя основные органеллы эукариотической клетки. В частности, в нём есть ядро, содержащее ДНК. Митохондрии обеспечивают нейрон энергией. Они распределены (не обязательно однородно) по его объёму. Нейроны имеют весьма протяжённые отростки – дендриты и аксоны. Составляющая функционирования нейронов – натриевый насос, накапливающий электрические заряды на их мембранах и создающий этим разность потенциалов на них.

Размеры и форму нейронов определяет минимизация энергии мембран, зависящая от их формы. Иллюстрирующий аналог – висящая капля жидкости. В невесомости она является шаром. Её форму определяет минимизация в данных условиях энергии поверхностного натяжения. Характерная форма аозникает потому, что в её образовании дополнительно к поверхностному натяжению участвуют гравитационные силы и соответствующая им энергия.

Живые клетки в большинстве случаев находятся в жидкости почти того же удельного веса, что и вещество клетки. Гравитационные силы пренебрежимо малы. Клетки стремятся к шарообразной форме, но её достижению препятствуют химическая неоднородность и взаимодействие с соседними клетками. Устанавливается компромисс в виде некоторой выпуклой формы поверхности клетки. Однако (например, у эритроцитов) условия таковы, что клетка может содержать участки поверхности с отрицательной кривизной. Это имеет математическое описание. Для примера эритроцитов оно известно и совпадает с наблюденеиями.

Нейрон с такой точки зрения клетка парадоксальная. Наиболее характерная анатомическая особенность нейронов заключена в многочисленных и протяженных ветвлениях – дендритах и аксонах. Нейрон как клетка самопроизвольно принимает форму, отличие которой состоит в большой величине поверхности, казалось бы, противоестественной с точки зрения законов физики и формы других клеток. Однако это становится парадоксом потому, что в формообразовании нейрона не учитывается главное – его электрическая энергия.

Жизнь не возникает “с целью”. Но в цели и нет необходимости. Натриевый насос в нейронах может существовать и работать. Нервная клетка есть “паразит” в организме, накапливающий в себе с помощью натриевого насоса “бесцельно” электрическую энергию. Случайность создала клетку, в которой его работа особо производительна. Организм может “прокормить” такую клетку. Разрешённая этими условиями клетка (как таковая и как составляющая комплекса объектов, их особенностей и функционирования) будет запомнена, если это помогает выживанию выживающих. Не более того. Но значительная величина электрической энергии в нервной клетке обязана изменить её форму.

Натриевый насос вносит в клетку электрические заряды на мембране клетки и связанную с ними (значительную в масштабах клетки) электрическую энергию. Она в первом приближении пропорциональна поверхности клетки. Это означает, что для нейрона при образовании его формы электрическая энергия является главным конкурентом энергии поверхностного натяжения внешней мембраны.

Электрические заряды есть объект, над которым совершает работу натриевый насос. Величина индукции электрического поля D задана плотностью зарядов. Её единица (как эвивалент размерности) есть Кулон/м2. Иллюстративно, каждая единица электрического заряда связана со своей “верёвкой”, которая становится на основе уравнения состояния (7.2) силовой линией поля, то есть линией, которая касательна везде вектору напряженности электрического поля (популярно об электрическом поле и векторах Е и D см., например, [111]).

Натриевый насос работает непрерывно и его производительность зависит от потенциала на мембране. Поэтому для мембраны нейрона свободная энергия F в форме (7.1) определена при заданных постоянных потенциалах. Именно в таком виде её создаёт натриевый насос как источник электрической энергии на мембранах нейронов. В таком случае изменение свободной энергии есть:

(7.3)

Для равновесных состояний потенциал F по отношению к электрическим переменным должен принимать минимальное значение при заданных потенциалах (см., например, [130]). Силы, возникающие на основе этого экстремума, велики. Например, укажу, что они используются для переноса красителя на бумагу в струйных принтерах.

Мембрана нейрона эквивалентна электрическому конденсатору, заполненному диэлектриком с величиной диэлектрической проницаемости e, которая зависит от остальных переменных задачи на основе уравнения состояния (7.2).

В силу сформулированного выше экстремального свойства свободной энергии при заданных потенциалах для такого конденсатора самопроизвольными будут все те процессы, которые приводят к увеличению e или увеличению площади пластин конденсатора как “изделия” (его электрической ёмкости). Клетка, имеющая незаряженную внешнюю мембрану, стремится к форме с минимальной поверхностью оболочки. Нейрон – наоборот, к максимуму поверхности.

Пусть на поверхности нейрона при работающем натриевом насосе как результат роста мембраны случайно возникло малое выпуклое возмущение. Оно может быть вызвано механическими или химическими причинами. Результат этого возмущения – увеличение ёмкости мембраны как электрического конденсатора. По отношению к электрическим переменным это самопроизвольный процесс – его должно поддерживать и увеличивать электрическое поле.

Производство зарядов натриевым насосом в нейроне пропорционально его поверхности. Возмущение (как рост клетки) эту поверхность увеличило. Натриевый насос будет поддерживать постоянный потенциал на мембране, а тем самым рост возмущения формы поверхности нейрона, увеличивающий её площадь.

Это есть причина большой длины и множественности отростков нейрона (вместо гладкой выпуклой поверхности других соматических клеток). Рост длины и ветвление отростков нейрона как части клетки есть самопроизвольный процесс, вызванный электрическими зарядами и потенциалами на его поверхности. Протяжённые и ветвящиеся нервы являются самопроизвольно возникшими новыми источниками случайностей и условий. Отбор запомнил те функции в организме, которые возможны для новых случайностей и условий. Результат – электрические процессы составляют одновременно основу работы нервных клеток и основу образования их характерной анатомии.

Естественно, что в задаче о ветвлении нейронов конкурентом электрической энергии является энергия поверхностного натяжения (механическая энергия m). Её участие в экстремуме свободной энергии F даёт трубчатую форму дендритов и аксонов, а не квадратные “короба”.

В уравнение состояния (7.2) входят химические потенциалы  и концентрации ni . Это означает, что в самопроизвольности роста дендритов и аксонов должны участвовать в качестве условия конкретные вещества. Они экспериментально найдены вне связи с приведенным здесь моим объяснением роста и ветвления дендритов и аксонов Нобелевскими лауреатами Р. Леви-Монтальчини и С. Коэном и названы фактором роста нервов. Однако на роль в ветвлении нейронов электрической энергии, пожалуй, впервые указано только в этой моей книге.

Здесь надо подчеркнуть известное – синтез фактора роста нервов управляется мужскими половыми гормонами – андрогенами. Казалось бы, очень сложная и длинная связь между нервной системой и естественным отбором, реально в эволюции жизни оказывается прямой (хотя бы у высших форм жизни) – рост мозга и продуктивность при размножении управляются одинаковыми веществами (см. [2], [86], [131]).

Эта связь исключительно важна для понимания причин эволюции жизни в направлении возникновения и развития разума. Как многократно подчёркивается в этой работе, химические реакции, ответственные за существование жизни, неоднозначны. Несомненно, что есть такие вещества, стимулирующие (совместно с ролью электрического поля) рост и ветвление нервных клеток, которые не связаны с размножением или для которых эта связь слабая. Случайность, запоминаемая выживанием выживающих, в истории эволюции нервных систем не могла их избежать. Просто ещё не исследовали (целенаправлено с такой точки зрения) нервные системы древних форм жизни, сохранившиеся в наши дни как законсервировавшиеся тупики эволюции. Рост поведенческих возможностей при сложных нервных системах не мог стать первичной основой для отбора. Он помогает выживанию слишком длинным и косвенным путём.

Нет цели для эволюции жизни. Случайности, ограниченные условиями, есть в ней главное. Для нервных систем одно из условий заключено в том, что электрическая энергия диктует увеличение длины и ветвление отростков нейронов. Внешняя по отношению к ним среда в организме не должна этому мешать и (подобно питательным веществам для корней растений) может стимулировать и корректировать это – возникают широкие возможности для случайностей. Но как только среди случайностей возникла такая, которая создаёт положительную корреляцию между веществами, участвующими в росте нервных клеток и веществами, участвующими в размножении, она запоминается отбором независимо от функциональных преимуществ нервных систем. Поскольку функциональные преимущества больших нервных систем существуют объективно, эта корреляция усиливается отбором. Опять повторю, не цель, а тройная положительная корреляция, создаваемая физико-химическими условиями, есть причина анатомического образования мозга, а потом его работы – разума.

Нейрон, как “резервуар” для электрической энергии, будет иметь максимальную электрическую емкость при максимуме своей поверхности. Множественные его ветвления, увеличение длины дендритов и аксонов первично заданы этим. Связь конкретных гормонов с этим и одновременно с размножением есть прямой путь запоминания отбором и усиления таких эффектов. Возникают условия, позволяющие отбору (запоминанию) длительное время ожидать таких случайностей, которые используют уже функциональные преимущества больших нервных систем для добывания пищи, репродуктивного поведения, защиты от опасностей. Это все далеко не прямые связи. Они могут только “улучшать” нервные системы и мозг, когда они уже “беполезными” возникли по физико-химическим причинам. Кстати, несомненно, что в организмах существуют и другие клетки, в формообразовании которых участвует электрическая энергия. Но тройной положительной корреляции при отборе для них нет, а потому они не столь заметны в структурах жизни.

Характерные ветвления нейронов иллюстрирует рис. 7.3, воспроизводящий зарисовки нейронов, которые сделаны в 1869 г. Дейтерсом (слева внизу рис. 7.3, мотонейрон спинного мозга) и Рамон-и-Кахалом около столетия назад (слева направо вверху, биполярная клетка сетчатки собаки, митральная клетка обонятельной луковицы кошки, пирамидальная клетка коры мозга мыши [129]).

Рис. 7.3.

Для функционирования нервной системы важно, что нейрон есть объект с избыточной электрической энергией (клетка с “инверсной энергетической населённостью”). Он должен быть чувствительным к возмущениям, приводящим к диссипации этой энергии. Её можно потратить двумя альтернативными способами. Первый из них – получить извне возмущение, деполяризующее мембраны нейрона (разряжающее его “электрические конденсаторы”). Этот способ диссипации энергии реализуется в отростках нейрона, называемых дендритами. Они являются воспринимающими элементами нейрона. Действующие на их концах возмущения (электрические и химические) приводят к изменению электрического состояния самих дендритов и нейрона в целом.

Второй способ потратить энергию – сформировать за её счёт электрическое возмущение, которое распространяется и этим переносит энергию вовне клетки. Это реализуют отростки-“провода”, называемые аксонами. Их длина составляет многие сантиметры или даже метры. Они передают электрические возмущения из нейрона к другим нейронам или органам и системам в организме. В частности, нейрон, схема которого показана на рис. 7.4, передаёт с помощью аксона электрический сигнал, управляющий мышцами. Сопрягающий аксон и мышцу элемент называется концевой пластинкой. Ещё лет десять назад принималось, что закономерности, характерные для взаимодействия электрических и химических процессов в концевой пластинке, универсальны и действуют, в частности, в контактах между собой самих нейронов. Сейчас в этом много уточнений.

Рис. 7.4.

Аксон как проводник электрического импульса имеет сложную структуру. Его окружают шванновские клетки, электрические характеристики которых подобны оболочке-изолятору. Между ними есть промежутки, называемые перехватами Ранвье. Сведений об аксонах собрано много, но они не исчерпывающие.

Нередко такие особенности, как, например, изолирующие свойства шванновских клеток, пытаются связать с целесообразностью – нерву как проводнику электромеханической волны “полезна” внешняя электрическая изоляция и она целенаправленно создаётся. Это заблуждение. Конкуренция принципа максимума производства энтропии и стремления к равновесию есть причина возникновения и эволюции жизни.

Принцип максимума производства энтропии, ограниченный условиями (электрохимической энергетикой) создаёт новое направление роста энтропии-информации. Его выражает нейрон, его анатомия, процессы в нём, взаимодействия между разными нейронами. В условиях этого нового направления для случайностей действуют принципы (рис. 1.2).

Как подчеркивалось выше, электрическое сопротивление электролитов внутри и вне нерва велико. Диссипация энергии (на джоулево тепло) за счёт токов утечки через эти сопротивления невелика, но она существует как источник роста энтропии. По отношению к ней действует минимизация производства энтропии.

Каждая клетка в организме есть симбионт и создаёт вокруг себя “экологические проблемы”. Электрически заряженный “голый” аксон может существовать. Электрические силы на его поверхности велики. Они участвуют в росте и формообразовании клеток в экологической нише окрестности аксона. Результат случаен. Но при запоминании с помощью естественного отбора (как выживания выживающих) обязательно проявят себя преимущества для особи в целом, которые создают клетки-симбионты с изолирующими свойствами, окружающие аксон. Аналогичные причины привели к запоминанию перехватов Ранвье. Но для них решающее есть динамика распространения нервного импульса.

Шванновские клетки возникают потому, что в пределах данной плоскости синтеза информации они в составе ряда (1.29) уменьшают производство энтропии. Запоминается это естественным отбором в результате сложных функциональных преимуществ для особи, абстрагированных от джоулевого тепла токов проводимости.

Не цель, а конкуренция принципа максимума производства энтропии (максимума способности превращений) со статическими и динамическими равновесиями создаёт поразительное совершенство форм жизни и их взаимодействий, в частности, в нервных системах.

В нервных системах и в мозге, как правило, присутствуют и взаимодействуют нейроны как разные виды клеток. Они сильно отличаются по пространственным конфигурациями дендритов и аксонов (рис. 7.3). Нейроны в том виде, как они были описаны выше, в истории жизни появляются, начиная от низших червей. У кишечнополостных (полипы, медузы и др.) между эктодермой и энтодермой существует непрерывная сеть, состоящая из нервных клеток, соединённых друг с другом мостиками из цитоплазмы. Эти клетки можно называть нервными потому, что внешние воздействия изменяют их электрическое состояние. Сильное раздражение возбуждает всю поверхность организма, слабое – только локальные области. Пример нервной сети, распределённой по объёму организма, дан на рис. 7.5 [57]. Специфическую адресность в ней усмотреть трудно.

Рис. 7.5.

Ещё раз подчеркну, что нервные клетки есть симбионты – “паразиты” в организме. Например, нервные клетки мозга генетически отличны от остальных соматических клеток. Мозг человека потребляет до 30% кислорода и энергии пищи. Принцип “белых воротничков-управленцев”, которые “не пашут и не сеют”, но необходимы, человек заимствовал у природы. Участие в метаболизме избыточной электрической энергии не столько разрешительное условие, сколько есть требование такого “паразитизма”.

Страница 89 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука