Страница 98 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

Фоторецептор-симбионт в клетке на основе цепочки синтеза ин­фор­мации Случайности – Условия – Запо­ми­на­ние видоизменяется и совер­шен­ствуется. Условия формируют само­сто­ятельные направления: 

Случайности, ограниченные условиями, создают фо­то­ре­цептор­ный блок как самостоятель­ную специализированную клетку.

Общее направление эволюции жизни есть переход к многокле­точ­­ным организмам и органам в них. Для зрения цепочка синтеза ин­фор­мации связан­а с совместной группировкой клеток-фоторецеп­то­ров.

Критерии выживания организма в целом зависят от органов зре­ния в том, что у них есть се­лек­тивная чув­ст­вительность по на­пра­в­­лениям и простран­ст­венно по дальности.

Клетки-фоторецепторы существуют в эколог­и­чес­кой нише ор­га­низма как целого. Их метаболизм влияет на рост и груп­пи­ровку ок­ру­жа­ющих клеток. Возникает направление синтеза информации о “кон­структорских” оптических особенностях органов зрения.

Фоторецептор вводит новые механизмы: “внешняя среда – сиг­нал” и далее “сигнал – движение”. Многоступенчатость заменяет пря­мую связь “энер­гия – движение”. Это требует синтеза инфор­ма­­ции о спо­­­собах взаимодействия электрических процессов и дви­жений.

В многоклеточном организме велики расстояния между рецеп­то­рами и клетками, на которые действуют их сигналы. В этом возникают слу­чайности, которые становятся основой синтеза информа­ции о специа­ли­­зированных клетках – нейронах, имеющих отростки для передачи элек­­т­рических сигналов. Условия для их возникновения за­даны участи­ем электричес­кой энергии в образовании формы клетки.

Неизбежные случайности в строении, форме и связях отростков нейронов (дендритов и аксонов) требуют существования в нервной сис­те­ме таких условий, ко­то­рые задают обработку сигналов именно на ос­но­ве случайностей.

Из приведенного перечисления видно, что содержащиеся в нём на­п­равления отбора самостоятельны, хотя объединяющее в них на уровне объектов и процессов есть – это свет как исходное воздействие и роль электрической энергии в организме. Связь с выживанием для этих на­п­рав­­ле­ний задаёт необходимость ориентация особи в окружающей среде.

Эвглена (рис. 8.1), хотя и одноклеточный организм, но уже со­дер­жит в себе зачатки перечисления а – g. Глазное пятно у неё приб­лижённо плоское, что позволяет определить на­прав­­ление на источник света хотя бы в пределах полусферы. Сущест­вует положительная кри­виз­на по­верх­но­с­ти клет­­ки-эв­гле­­ны. Её гарантируют энергетические сос­тав­ляющие формообразо­ва­ния кле­ток. Это есть ус­ловие для эво­­лю­ции, приводящей к возникновению линз в органах зре­ния. Начинает ра­ботать направле­ние отбора форм и способов фо­ку­­­си­ровки из­лу­че­ния в органах зре­­ния. Направленность чувствительности к излучению может быть и более про­с­той. Например, со­седние с глазным пят­­ном облас­ти клетки мо­­гут огра­ни­чивать угол, в преде­лах ко­торого из­­лучение его дости­гает. Отбор может повы­шать направ­лен­ность глаз­ного пятна как сос­тав­ля­ю­щей органа зре­ния. Как видно из этого при­мера, условия п.п.  а – g  синтеза информации име­ют истоки у одно­кле­точ­ных орга­низмов.

 Эволюция форм жизни не про­исходит путём “вытягивания шеи  жи­­­рафу” с помощью вуль­гар­ных внешних воздействий, “с целью”. При­ро­­да не знает и знать не может, что в многоклеточном орга­низ­ме ко­ли­че­ст­во света, попадающего на фоторецептор, и точ­ность оп­ре­­де­ле­ния нап­ра­в­лений можно повысить, ограни­чив угловой доступ све­та к фоторе­цеп­торам с помощью малого от­вер­с­тия или фоку­си­ру­ющей лин­зы. Но такие объекты провоцируются фи­зи­ко-химическими при­чинами, а по­то­му становятся предметом для отбора в орга­нах зрения. Так возникают глаза как орган зрения.

Основные виды глаз пока­за­ны на рис. 8.2. У плоского червя – пла­на­рии (1 на рис. 8.2) об­ра­зо­ва­ние изображения про­ис­хо­дит с по­мощью ма­леньких отверс­тий. В гла­зу планарии фо­то­рецеп­торы (ФР на рис. 8.2) слу­чайным об­разом рас­пре­­­де­ле­ны за мно­гими та­кими от­вер­сти­я­ми. По­э­тому невоз­мож­но вы­ра­зить зави­си­мость элементов изобра­же­ний или направ­ле­ний на источники света от “но­ме­­ров” и ко­ор­ди­нат ре­цеп­торов.

Глаз планарии – про­с­тей­ший пример глаза (который и наз­вать-то гла­зом, казалось бы, можно только ус­лов­но) – вводит в лю­­бом ор­гане зре­ния принципиальное от­ли­чие от технических устройств.

Появление волоконной оптики создало ещё одну аналогию. Можно собрать тонкие волокна-световоды в пучок. В отличие от матриц фото­ди­о­дов, геометрическая правильность их упа­ков­ки в плоскости торцов за­менена случайностью, но волокна по длине не перепутываются при сбор­ке пучка. В результате, если на один из его торцов спроектировать изображение, то оно таким же будет воспроизве­дено на другом, отсто­я­щем на большие расстояния, включая изгибы пучка как целого. Немало исследователей обработки сигналов от глаза исходят из такой аналогии для связи фоторецепторов и нервной системы – пучок нервов от глаза со­пос­тавляется пучку свето­во­дов. Однако в глазу планарии (как и в ор­га­нах зрения сложных форм жизни) нет упорядоченно расположенных фо­то­рецепторов и  одно­знач­но­го со­от­­вет­ст­вия отверстий для света со “сво­ими” фоторецепторами и далее с нервами – “световодами”. Это же спра­ведливо для органов зрения с линзами вплоть до глаза человека.

 Одно из первых по­яв­ле­ний линз в ис­то­рии органов зрения  есть при­­­­мер простого глаза насекомых (2 на рис. 8.2). Условия группировки клеток в организме (п.п. b – d) делают высоковероятным появление в его составе лин­зы (обозначена Л на рис. 8.2). У высших форм жизни отбор образует глаза с линзами (3 – 5 на рис. 8.2). Но это результат случай­но­с­тей, возможных в данных ус­ло­­виях. Поэтому, например, в простом глазу 2 на рис. 8.2 рассстояние от линзы до фо­то­рецеп­то­ров не соответствует тем, кото­рых тре­буют за­ко­ны физики для фокусировки изображений.

Че­ло­век хочет, чтобы природа действовала по найденным им пра­вилам. И не её вина, что человек не понимает по­рочность для природы его подхода, основанного на понятии цели изоб­ретений.

Линзы в органах зрения формирует не цель, а случайности и усло­вия, которые к зрению прямого отношения не имеют. Любая область организма неод­но­родна по механическим и физи­чес­ким свойствам, а по­то­му поверхностное натяжение с высокой ве­ро­ят­но­стью самопроиз­воль­но формирует лин­зы и опорные оправы к ним. Случайно и с высокой вероят­но­стью фо­торецепторы связы­ва­ют­ся с та­ки­ми линзами (воз­можно, что даже прово­ци­руют их по при­чинам физико-хими­ческих отли­чий кле­ток как таковых). Кроме того, фоторе­цеп­тор произ­во­дит энер­­­гию и раз­ность электрических потенциалов, которые могут уча­ст­­во­вать как усло­вия для случайностей роста со­сед­них с ним об­ла­стей клет­ки или других клеток (п.п. a – g). Выживание выжива­ю­щих от­бра­ковывает ва­ри­ан­ты, мешающие доступу света к фо­то­­рецеп­то­ру, на­при­мер, непроз­рач­ные об­ра­зо­вания или линзы отрица­тель­ной кри­визны. Ва­ри­анты с меньшими не­гативными последствиями мо­гут быть тер­­пи­мы­ми организ­мом и ждать своих случайных улуч­ше­ний. Ва­ри­анты, соз­да­ющие суще­ст­венные преи­му­щества в ориентации, запоми­нают­ся, так как улуч­ша­ют поступление в организм пи­та­тель­ных ве­ществ и защиту от антаго­ни­стов данного вида жизни, то есть спо­соб­ствуют выживанию выживающих.

Слу­чай­ная реализация плоского фото­ре­цептора и плоского “стек­ла” над ним по физическим условиям формообразования структур в ор­га­низме менее вероятна, чем образование сферической полости, сет­чат­ки в ней и линзы (пусть и несовер­шен­­ной). Это приводит к глазам ти­па 3, 4 на рис. 8.2. Ещё раз подчеркну. Природа создаёт в органах зрения лин­зы (с са­мых первых эта­пов появления только зачатков глаз) потому, что ме­ха­­ни­ческие и фи­зико-химические ус­ловия предписывают макро­ско­­пи­­чес­­­­кие формы структур, близкие к спаренным сегментам сфер. Ос­нов­­ную роль в этом играют разный сос­тав и строение кле­ток, состав­ля­ющих ор­ган зре­ния и его окруже­ние, а также механические связи клеток. 

Существуют предельные альтернативы для случайных вари­ан­­тов объединения линз и фоторецепторов:

пары из многих линз и, отвечаю­щих каждой, своих фо­торе­цеп­торов как группы клеток (5 на рис. 8.2);

многие фоторецеп­торы, находящиеся под единственной линзой (2 –  4 на рис. 8.2).

Первая альтернатива есть случайно многоглазый организм, у кото­ро­го не сов­местимая с выживанием избыточность сигналов преодоле­ва­ет­ся жёсткой связью многих глаз в один блок. Отбор закрепляет два та­ких блока из-за премуществ для выживания триангуляции как способа опре­де­ления расстояний. Пара глаз реализована у многих видов чле­нис­тоногих (5 на рис. 8.2). В частности, одна из случайностей, выз­ван­ных условиями, пе­речислен­ны­ми выше в п.п. а – g, приво­дит к тому, что фоторецепторы груп­пи­руются по внутренней по­верх­но­сти трубки, име­ю­щей на торце лин­­зу, фоку­си­ру­ющую свет внутрь трубки.

Иерар­­хи­чес­ки чле­нистоногие есть поздние и слож­ные ви­ды жизни. Они прошли много этапов отбора (синтеза информации, вклю­чая прин­цип мак­симума про­из­водства энтропии – создание прин­ци­пиально ново­го). Поэтому трубка есть самостоятельный элемент. Глаз, об­ра­зованный мно­­гими элементами вида линза – труб­ка-фоторецептор, назы­ва­ют фасе­точ­ным глазом. Он состоит из комплексов:  линза Л и рецеп­торы ФР (5 на рис. 8.2,), где до­пол­нительно дано сечение трубки 5а и участок блока фо­то­­ре­цеп­­то­ров. Пары линза-фоторецептор в фасеточном гла­зу располо­же­ны плот­но друг к другу. В примитивной, но распространённой, трак­тов­ке такой глаз способен толь­ко определять направление на источник, находящийся на оси лин­зы каж­дой из его фасеток. Однако сводить к этому работу фа­се­­точного гла­за непра­вильно.

Реально рецепторы на внутренней поверхности труб­ки располо­же­ны несколькими осевыми сегментами (см., 5а на рис. 8.2), а в них – слу­чай­но. Парал­лельно упакованные фа­сет­ки дают случайные сиг­на­лы в от­вет на оптическое преобразование линзой элементов объектов в окрест­но­сти оси сис­темы. Условия, в которых действуют случайности этих сиг­на­лов, не­обходимо пояснить.

Фоторецептор фасе­точ­ного глаза есть трубка. Исследователи, ис­поль­­зующие микроскоп, понимают, что рассмот­реть в не­го внутренность трубки весьма сложно. Глубина плос­ко­с­ти изображения мала. Надо ме­нять фокусировку и на­пра­вления оси зре­ния. Параметры линз на тор­це фа­сет­ки того же по­ряд­ка, что у объективов микроскопов. Поэтому в об­­ра­щён­ной задаче о микроскопе (зрении с помощью рецепторов-тру­бок) ни о каком изобра­же­нии внутри трубок речи быть не может. Тем бо­лее, что природа имеет в своём распоряжении не великолепную оптику мик­ро­­ско­пов, а линзы с подоз­ри­тель­ной сферичностью поверхно­с­тей.

Несомненно, что в процессе обработки сигналов от фоторецепто­ров определение их ба­лан­са по разные стороны трубки поз­воляет ориен­ти­ровать её на источник света. Это естественный отбор дол­жен был ис­поль­зовать. Но не­из­беж­ные случайности при радиальной упаковке кле­ток исключают од­но­род­ность их засветки. Поэтому к устройству и ра­бо­те фасеточного глаза нель­­зя подходить с мерками матриц фотоде­тек­то­ров по аналогии с сов­ре­менными устройствами электроники. Фасеточ­ный глаз чувствителен не к изображениям, а к направлениям преоб­ра­зо­ван­ных линзой пучков света. Поведение насекомых показывает, что они воспринимают изображения. Запомните это исключи­тель­но важное про­тиворечие, которое, как будет показано дальше в этой главе, есть важ­ней­шее для понимания зрения.

Для органа зрения высоко вероятная случайность состоит в том, что генетический сбой приводит к сохранению многих трубчатых фото­рецепторов под одной и той же линзой. Именно так сформирован глаз головоногих мол­люсков (4 на рис. 8.2). Он содержит весьма совер­шен­ную линзу Л. Отбор закрепил у него сетчатку С  как поверхность, на ко­­то­рой расположены фоторецепторы, и мышцы, меняющие расстояние от сет­чат­­ки до линзы для фокусировки на ней изображений. 

Моллюски и членистоногие имеют об­щих досточно прямых так­со­но­мических пред­ков. Трубка с фоторецепторами – сложный анатомичес­кий объект. Она связана с много­сту­пен­чатой обработкой сво­их сигналов в нервной системе. Проигнорировать генетичес­кие основы всего этого эво­люция жизни не может. Результат – в глазу головоногого моллюска ре­цепторы продолжают оставаться трубчатыми (рис. 8.2 4а), хотя оптика гла­за весьма совершенна.

При малом объё­ме нервной системы моллюсков суще­ст­венны для вы­­­живания преи­му­щества, создаваемые обра­бот­кой сигналов труб­ча­той структурой ре­цепторов фасеточных глаз. Ведь в них действуют особен­но­сти, позволяющие им работать всего при сотнях нейронов, на­при­мер. у насекомых. Существование и работоспособность в предис­то­рии таких си­стем оп­рав­ды­ва­ет их сохранение даже в условиях услож­нён­ной отбо­ром “оп­ти­чес­­­кой части” глаза.

Однако высоко вероятна такая случайность, которая продуцирует ошиб­ку – отверстие трубки не воз­ни­кает. Более того, такая случайность ис­торически возникала параллельно фасе­то­чному глазу. Вместо слож­ной труб­чатой структуры фоторецептор формируется как стержень – “точ­ка” на сетчатке. У членистоногих такой простой глаз действительно сущест­ву­ет. Его прототип был упомянут выше. Это 2 на рис. 8.2. Он со­держит по­ле стержневых фоторе­цеп­то­ров и об­щую линзу над ним. Но линза (как подчёркивалось выше) при­­ми­тивна, изображение не соз­даёт (из-за гео­мет­рии своего распо­ложения относительно ­ре­цеп­то­ров), а чис­ло их мало для того, чтобы реализовать высокое опти­ческое раз­ре­шение. Од­на­ко этим введено условие, огра­ни­чивающее случайности при отборе – воз­можность создания плоских изображений. Выживание зависит от их ка­че­ства. Отбор идёт по пути их улучшения. Это формирует расстояние от линзы до поля рецепторов. Пос­то­янным оно может быть в случае корот­ко­­фо­кус­ных лин­з (как в дешё­вых одноразовых фотоаппаратах, не имею­щих на­вод­ки на резкость). Возникает фокусировка изображений. Для природы эта важная, но вспомогательная, “находка”. Человек в своей самона­деян­ности выводит её на первый план, забывая о предистории.

Альтернативы управ­ля­е­мой фо­­ку­сировки изображений, заданные за­конами физики, есть изме­не­­ние кривиз­ны линзы или измене­ние рас­стояния от линзы до сетчатки. Условия, определяющие распо­ложение и работу мышц, создают основу для реализации обоих способов. Это аль­тер­нативы в виде деформируемого кольца или удлиня­ю­щей­ся трубки. У мле­ко­пи­тающих и человека фо­ку­си­ров­ка произ­во­дится первым спо­со­бом – изменением кри­виз­ны линзы-хру­с­талика, растя­ги­вае­мой мыш­цами (3 на рис. 8.2). У осьминога фокусировка про­из­во­дится вторым способом – перемещением линзы (4 на рис. 8.2).

Упрощенная схема сетчатки глаза че­ловека дана на рис. 8.3 [129]. Видно, что си­г­­­налы собственно рецепторов (из­вест­ных палочек и кол­бо­чек) перед по­ступ­ле­нием в нервы, пе­ре­да­ю­щие их в мозг, про­­­хо­дят через нес­коль­ко слоёв нерв­ных клеток. Даже, ес­ли бы бы­ла воз­мож­на упо­­ря­доченная упа­­ковка пало­чек и колбочек, привязан­ная к оси оп­ти­чес­кой системы глаза, то про­­хо­ж­­дение нервных импульсов неус­тра­ни­мо вво­дит слу­чайности в свя­зи ре­цеп­торов с мозгом. В жи­вых ор­­ганиз­мах не суще­ст­вует орга­нов зре­ния с про­­ст­ранствен­но упо­рядо­чен­­ны­ми свя­зя­ми ре­­цеп­торов и клеток в мозге, об­ра­ба­ты­вающих сигнал. В этом, казалось бы, недос­тат­ке заключено глав­ное пре­и­мущество нерв­ных сис­тем и моз­га перед телевизорами и подобным.