Страница 90 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

Как было показано выше, первичным для возникновения и суще­ст­вования нервных систем и мозга является электрическая форма энергии как составляющая энергетики метаболизма. Производ­ст­во энергии жи­вы­ми системам избыточно (в том числе и её промежуточ­ной электричес­кой формы). “Вечно” сохраняться запасён­ная элект­ри­ческая энергия не может. Она должна быть потра­чена, независимо от то­го, что не нужна для основного метаболизма.

Казалось бы, самый простой и естественный путь для этого есть са­мо­произвольный разряд “электрического конденсатора” – биомем­б­ра­ны. В таком процессе выделяется тепло, увеличивается энтропия и этим превращением проблема избы­точ­ности энергии ликвидируется тем спо­со­­бом, который обычен для неживой природы. Однако такой прямой путь про­из­водства энтропии создаёт её меньшее количество, чем воз­мож­ные более длинные пути преобразования энергии, которые откры­ва­ет существова­ние нервных систем.

О “по­лез­ности” нервных систем для организма в целом природа “знать” не мо­жет. Функциональная зависимость организма от работы его нервной системы и мозга проявляется в дарвиновском ес­те­с­т­вен­ном от­бо­ре как запоминании выживания выжи­ваю­щих. Иходное для него – экс­т­ремумы энтропии-информации и её производства. Его причина – боль­шее увеличение энтропии, чем прямой распад.

Липидная мембрана есть диэлектрик в конденсаторе, проводящие об­кладки которого образованы электролитами по обе стороны мембра­ны. Свойства липидов как диэлектриков сложные. В них возникают свя­зи механических и электрических процессов, зависящие от ме­ха­ни­чес­ких напряжений   и деформаций m. В задачах, отно­ся­щих­ся к мемб­ранам денд­ри­тов и аксонов, их ещё более усложняет учас­тие белков, об­разующих ион­ные каналы, а также тех химических потенциалов , ко­то­­рые участвуют в электрохимических синтезах. Поэтому для задач о нервных импульсах, распространяющихся по аксонам и дендритам, в си­стеме уравнений состояния элек­т­рическое уравнение состояния имеет вид (7.2). Перенос ионов в нём можно связать с парциальными давле­ни­ями. Тогда его описывают термином – осмос, а в уравнение (7.2) входит осмотическое давление P. Уравнение состояния (7.2) опре­де­ляет элек­т­­ро­механи­чес­кий характер электрических про­цес­сов в нейроне и роль в них ди­на­мики прохода ионов через ионные каналы.

Процессы синтеза информации как запомненного выбора из слу­чай­­ностей невозможны вне ограничивающих их условий фи­зи­ческих за­ко­нов. Для синтеза информации о нервах и их функ­ционировании важ­ней­шим продолжением условий элек­­­т­­­­­ри­ческого на­коп­ления энергии и её диссипации являются об­щие за­ко­ны, управля­ю­щие передачей взаи­мо­дейст­вий между объектами приро­ды. Понятие вза­и­модействия тел свя­за­но с изменениями в простран­ст­ве и во времени их самих и среды между ними. Оно описывается законами механики. Пояс­ню подробнее.

Взаимодействие между телами не мгновенное. Оно пере­даётся с участием волновых процессов. Механика связывает между собой силы и ускорения. В та­ком смысле для природы в это вклю­чены и электромаг­нитные взаимо­дей­ст­вия как частное выражение общих законов природы. Связь в пространстве и во времени ускорений – это есть акси­о­ма­ти­ческое определение понятия о волнах.

Например, механического уда­ра тел нет и быть не может без уча­с­тия рас­пространяющихся в них волн. Уроните карандаш с твёрдой наш­лёп­кой на его конце торцем на стол. Можно уло­вить даже без приборов малое за­паз­дывание его звонкого отскока от сто­ла. При­чина запазды­ва­ния в том, что ка­ран­даш изменяет направление своего движения только после того, как по нему пробежит механическая волна. Возможны част­ные случаи соударений, когда затухание волн настолько велико, что они не могут про­бе­жать характерный размер взаимодейст­вующих тел. Суще­ст­во дела это не ме­няет – волны присутствуют, но отличаются их коли­чест­венные ха­рак­­те­ристики.  

Излучение электромагнитных волн при изменениях с ускорениями электрических зарядов и потенциалов более привычно. Его реализуют, например, антенны теле- и радиостанций. Скорость элект­ро­магнитных волн несопоставимо велика по сравнению со скоростями механических волн в разных средах. Она порядка скорости света – примерно 300 тысяч ки­ло­метров в секунду. В конкретных инженерных объектах роль рас­про­ст­раняющихся волн может быть очень существенной. Например, в ме­тал­лическом про­во­днике скорость “фактического” движения электронов всего порядка 0,4 мм/c. Но электромагнитное поле распространяется вдоль поверх­но­с­ти проводника со скоростью, близкой к скорости света. Это, а не пол­зущие медленнее черепахи электроны, создаёт возможность прак­ти­чес­­ки мгновенной телефонной и телеграфной связи по проводам.

Однако реально телеграфная связь происходит со скоростью за­мет­­­но меньшей, чем скорость света. Причина заключена в конкретных электрических параметрах проводной линии или кабеля как инженер­но­го объекта. Описывает электрическую связь по проводам, так называе­мое, телеграфное урав­нение, в которое в качестве параметров входят элект­ро­магнитные ха­рактеристики проводов на столбах или кабе­ля.

Телеграфное уравнение есть упрощенный вид общего уравнения связи ускорений в про­ст­­ран­ст­ве и во времени, записанного для элект­ро­магнитных взаи­мо­дей­ст­вий в условиях конкретной протяжен­ной в про­­­странстве системы про­во­дников. Её параметры заданы в виде гео­мет­рии проводов и их вза­им­но­го расположения. Их дополняют электри­чес­кие параметры про­во­дов (их сопротивление как характеристика дисси­па­ции энергии) и свойства среды, в которой они находятся  (её диэлект­ри­ческая и магнит­ная прони­цае­мо­с­ти). Они мо­гут связать между собой элек­­тромагнитные и механические про­цессы. Например, если среда об­ла­­дает свойствами магнитострикции или элект­ро­­ст­рик­ции, или пье­зо­эф­фектом.  Этим электромагнит­ная волна превра­ща­ется в элек­т­ро­меха­ни­­чес­кую. За счет ма­лой скорости рас­прост­ранения механических воз­му­щений скорость такой волны может становиться то­го же порядка, что скорости механических (звуковых) волн. Электроме­ха­ническую волну мож­но описывать с помощью телеграф­ного урав­нения. В технике элект­ро­механические волны генерируют и исполь­зуют, когда нуж­­но с задан­ной целью за­медлить предачу электри­чес­ких возмущений – сигналов.

Нервное волокно (аксон) есть протяженный в пространстве (иног­да дли­ной до метров) специфический элемент живой клетки – нейрона (рис. 7.4). Его длин­ная полость заполнена электролитом конкретного со­с­та­ва. Снаружи он на­ходится в среде других электроли­тов. То есть внут­ри и вне аксона среда проводит электрический ток с осо­бенностями, от­ли­чающими ионную проводимость от элек­т­рон­ной.

Нервное волокно ограничивает биомембрана (липидная в своей основе), имеющая специфическую сложную структуру. Её описывают та­кие общефизические электрические характеристики, как диэлектричес­кая проницаемость и элект­рическое сопротивление ионных каналов как “изделий-проводников”. В характеристики биомембраны входит связь в ней электрических и механических процессов, которую задаёт уравнение состояния типа (7.2) для мембраны как “вещества”. Мем­брана ха­рак­те­ри­зуется эффектами электрострикции, но слож­ность био­молекул и их взаимодействий с электролитами вносят в это спе­цифику.

Биомембрана в результате ра­боты натриевого насо­са накап­ливает на себе электрический заряд и раз­ность потенциалов между внутрен­ней и внешней стороной. Неод­нородность мембраны реализуют ионные ка­на­лы. Проход ионов через них (элект­ри­ческий ток, носителем которо­го являются ионы) производит электри­чес­кий разряд (деполяризацию) мем­браны. Электрические и механические процессы в биомембране как плён­­­ке диэлектрика связаны меж­ду собой конк­рет­ными физическими за­ко­нами. Они количественно зависят от фи­зи­ко-химических свойств ли­пи­­дов, задающих вели­чи­ну их диэлектри­чес­кой проницаемости, и па­ра­метров электрострикции, связывающих в них электрические и механи­чес­кие переменные. В этом участвуют ха­рак­теристики ионов как носи­телей тока и осо­бенности ионных каналов как проводников тока деполя­ризации. В частности, конкретная кинетика прохождения ионов по ка­на­лам вводит в электромеханические связи в мембране особенности, кото­рые сложнее электрострикции.

Существование электрического заряда и потенциала на мембранах нервных во­ло­­кон и клеток есть факт, неразрывно связанный с элект­ри­чес­кой сос­та­вляющей энер­гетики жизни. Деполяризация мембраны не­ус­транимо дол­ж­на быть волновым процессом. Конкретные физико-меха­ни­ческие свой­ст­ва мембран, ограни­чивающих нервные волокна и клет­ки, задают как обязательное правило – электрическое возмущение может распрост­ра­няться по нервному волокну преимущественно в форме элект­ро­меха­нического импульса. Скорость его распространения очень мала (в мас­­шта­бах величин, характерных для электрических процессов в физи­ке) – всего в пределах первой сотни  м/c.

Магнитная проницаемость выпадает из числа характеристик био­мем­браны. В частности, при­чина этому заключена в малой скорости рас­про­странения имульсов в нервной системе, когда индукционными тока­ми можно пренебречь.  Кроме того, среда, состоящая из подавляющего боль­шин­ства биомоле­кул, имеет магнитную проницаемость, величина ко­торой исчезающе ма­ло отличает­ся от единицы.

Изложенное выше хорошо подтверждается экспериментальными фактами. Ещё в 1939 г. А. Ходжкин (в своих работах и сов­мест­ных с другими авторами) установил детали распростране­ния нервного импуль­са в рамках модели теле­г­раф­ного урав­­­нения. Он записал его конкретно для электромеханической волны – нервного импульса.

Между нервами и проводами для теле­фонной или телеграфной свя­зи существует принципиальное различие. Электрические провода есть пассивные пе­­редатчики электричес­ких возмущений. В них электри­ческие сигналы мо­гут только затухать по мере распространения. Нерв (ак­сон как “про­вод”) содержит избыточную энергию, накопленную с по­­мо­щью натрие­во­­го насоса. В терминах фи­зи­ки это есть аналог систе­мы с ин­версной населённо­с­тью энергетических уровней – активной системы. Поэтому элек­троме­ха­ническая волна в нер­­ве по мере рас­про­ст­ра­нения непрерывно получает дополнительную энер­­гию от сопровожда­ю­щей её деполяризации мембраны. В ре­зуль­тате распространяющийся нервный импульс уси­ли­вается. Практи­чес­ки это уси­ление устанав­ли­вается на уровне равновесия “телеграф­но­го” затуха­ния и активного пос­ту­п­ления энергии за счёт деполяризации мем­браны. Волновая природа этих процессов неизбежно приводит к из­бы­точности элект­рического раз­ря­да мембраны, что выражает кратко­вре­мен­ный об­рат­ный знак потен­ци­а­ла на мембране. Форма нерв­ного импуль­са была по­ка­зана на рис. 7.2.

Распространение нервного импульса связано со слож­ными физико-химическими процессами. В этом оптимизация с помощью естественно­го отбора происходит по “потребительским результатам”. Естественный отбор не может выйти за пределы ограничений физико-химических про­цес­сов. В результате нервный им­пульс далёк от понятий оптимально­го, заданного с “целью”, например, в виде экстремальной скорости рас­про­­ст­­ранения или быстроты срабатывания нервных клеток.

Случайности есть источник для эволюции жизни. Условия физико-химических законов её ограничивают. Запоминание как выживание вы­жи­вающих основано на том, что возможно в этих условиях. В результате мозг как “вы­чис­ли­тель­ная машина” в сотни миллионов раз отстаёт от сов­­­ременных компью­теров. Но они созданы для достижения цели, пред­ва­рительно заданной человеком. А мозг должен возникнуть и “на­у­чить­ся” работать само­про­­из­вольно, имея для этого единственное – закон рос­та энтропии-ин­фор­мации. В такой постановке за­дачи для живых ор­­ганизмов оказывается излиш­ним сверх­быстро­действие вычислитель­ных элементов современных ком­пьютеров и связей между ними.   

Сравните ско­рость распрост­ра­нения электрических им­пуль­сов в нерв­ных системах и моз­ге живот­ных или человека, равную 20 – 120 м/с, с рядовой для компьютеров – около 300 тысяч км/с. При этом размер процессора современного компьютера порядка 2 – 3 см, длины оператив­ных связей намного меньше этой величины, а объём вообще ничтожный. Сравните с длиной связей в мозге порядка 10 – 20 см (а в организме и в мет­­ры). Быс­т­ро­действие машины сегодня больше 3 гигагерц как и долговремен­ная память по­­ряд­ка 1011 байт (на диске с ничтожной толщиной ак­тив­но­го слоя и диа­метром порядка 10 см и меньше) – ординарность шир­потреба. Сопо­ставь­те это с альфа-ритмом мозга по­ряд­ка 8 Гц, с мини­маль­ным време­нем реакции мозга порядка 0,1 с и с чис­лом нервных кле­ток мозга всего по­рядка 1011. Учтите, что продажная цена такого со­вер­шен­ства, напри­мер в Америке, меньше цены тря­пич­ного дивана из ДСП и поролона.

Немало людей считает, что мозг человека есть цель эволюции жиз­­­­­­ни, а потому совершенство, недостижимое для человеческого творчест­ва. Приведу для них пример. Инженер получил задание спро­ек­ти­ровать компьютер, ко­торый основан на принципах работы, похожих на исполь­зу­е­мые мозгом (это ре­аль­ные сегодня за­да­ния, над которыми инженеры работают и получают резуль­та­ты, например, работы Дж. Эдельмана [132]). Однако, если инженер за­хо­чет сохранить в своей машине ту же скорость переключения, кото­рая используется в эле­мен­тах мозга, то дол­жен вер­нуть­ся лет на сто назад в эпо­ху электро­ме­ха­ни­ческих реле, а столь мед­лен­­ные связи между эле­мен­­­тами своей маши­ны он сможет соз­дать разве что с помощью ве­рёвок. Они нужны потому, что в жидкостях и твёрдых телах скорости звука (волн) порядка единиц км/с, то есть верх­­ний пре­дел скорости пе­ре­дачи им­пуль­сов архаичными рычагами и поршнями раз в десять выше, чем в живых организмах.

По сравнению с инженерной базой электроники рабо­чие эле­мен­ты мозга и нервных систем есть рекордсмены несо­вер­шенст­ва.

Почему абсурдно ничтожные с точки зрения современных дости­же­ний элект­роники скорости переключения и распространения сигналов могут обеспечить столь эффективную работу мозга, что она многим ка­жет­­ся никогда не достижимой для машин? Для ответа на этот вопрос не­об­ходимо сначала объяснить свойства нейромедиаторов – ключевых сиг­­наль­ных ве­ществ в работе нервных систем и мозга, прямых аналогов которых в эле­мент­ной базе со­в­ре­мен­ных компьюте­ров нет. Их сущест­во­ва­ние, свой­ст­ва и способы ра­бо­­ты в нерв­ных сис­темах и мозге, опять-таки, за­даются электрохими­чес­кой основой энерге­тики метаболизма.