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

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.

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