Сотворенная природа глазами биологов

С помощью анализирующих систем и живых приборов они способны, например, предсказывать землетрясения и предстоящую погоду, чтобы строить свое поведение сообразно ее изменениям, делать долгосрочные прогнозы, хорошо ориентироваться в пространстве и времени, чувствовать приближение опасности и многое другое.

Анализирующие системы и устройства позволяют животным также ощущать внутренние изменения в организме. Это необходимо, чтобы вовремя на них реагировать, выключая одни и включая другие процессы, обеспечивая таким образом непрерывность циклов жизнедеятельности или же исправляя появившиеся «неполадки».

Анализирующие системы настолько сложны и совершенны, что до сих пор научные знания о них совсем незначительны, хотя в живой природе они используются очень широко. Что же представляет собой каждая из этих сложнейших анализирующих систем?

Зрительная система

Зрение дано живым созданиям, чтобы добывать пищу, находить свое жилище, узнавать друг друга, врага. Лучше всего оно развито у животных-охотников.

Большинство животных видит мир черно-белым, окружающее предстает перед ними как бы в сумраке – серым или, быть может, в бледных пастельных тонах. Но зато для них, как и для многих других животных, мир богат звуками и запахами, которые зачастую недоступны человеку.

Зрительный анализатор. Для восприятия и анализа зрительных раздражений существует зрительный анализатор. Здесь особо чувствительной клеткой является фоторецептор. А с ним связаны проводящие пути (зрительный нерв) и другие нервные клетки, расположенные на разных уровнях нервной системы.

При восприятии световой информации последовательность событий такова. Полученные сигналы (кванты света) мгновенно кодируются и в форме электрических импульсов передаются по проводящим путям в определенное место центральной нервной системы. Там эти сигналы декодируются (расшифровываются) в соответствующее зрительное восприятие. Для его распознания из памяти извлекаются эталоны зрительных образов и другие необходимые сведения. А далее поступает команда различным органам для адекватного и быстрого ответного действия.

Телескопические трубы паука. С помощью сложного анализа ситуации охотится, например, паук-скакунчик. Его глаза обладают удивительным свойством. Крайние глаза видят не только то, что впереди и сбоку от паука, но даже позади него. А два средних глаза представляют собой настоящие телескопические трубы. Они даны скакунчику для того, чтобы рассматривать удаленные от него предметы, к которым он проявляет особый интерес. При этом сам корпус трубы надежно закреплен на теле, а сетчатка, принимающая изображение, перемещается в ту или иную сторону. Так что, исследуя окружающее пространство, паук даже не вращает глазами.

Трудно представить всю сложность зрительного анализа, каким обеспечено это маленькое существо, чтобы оно могло одновременно оценивать и общую ситуацию в окружающей среде и фиксировать конкретную цель для охоты.

Управление движением. Действия животных, направленные на достижение определенной цели, определяют их сенсорные и управляющие системы.

Человек, веками создавая «рукотворные» машины и механизмы, лишь недавно стал сознавать, что делает некоторое упрощенное, приблизительное подобие того, чем обладают живые управляющие системы. Ведь они удивительно целесообразны и сложны.

Примером технической системы, способной к целенаправленным действиям, может послужить зенитное орудие, управляемое радаром. Не трудно проследить определенное сходство в действиях орудия и живой системы. Рассмотрим в качестве примера действия такой системы сложные управляемые движения лягушки.

Итак, когда цель оказывается в радиусе действия орудия, происходит наведение на нее и выпуск снаряда для поражения. Также и лягушка поворачивается или прыгает в сторону летящего насекомого и, с большой точностью выбросив язык, настигает добычу.

В обоих случаях механизмы, которые обеспечивают попадание, имеют общие главные элементы:

• движущуюся или неподвижную мишень;

• воспринимающее устройство (сенсорный орган): радар в случае зенитного орудия и глаз у лягушки. Это устройство необходимо, чтобы установить положение мишени и составляющих ее движений в трехмерном пространстве в определенный момент времени. То есть мишень как бы передает информацию о себе и своем местонахождении через воспринимающее устройство;

• систему обработки информации, или вычислительное устройство. Такая система анализирует полученную информацию и предсказывает положение мишени в последующие моменты. У лягушки для этого служит мозговой отдел системы зрительных анализаторов, а у зенитного орудия – специальное устройство. Они обеспечивают вычисление направленности движения ствола орудия и языка лягушки для поражения мишени. Все расчеты основываются на информации, поступающей от сенсорного органа – в одном случае радара и в другом глаза;

• орган действия – эффекторный орган, непосредственно осуществляющий управляемое действие. В случае орудия – ствол со снарядом, который при выстреле пересечет траекторию мишени в рассчитанный момент. В случае лягушки – мышцы ее липкого языка, обеспечивающие его выбрасывание изо рта. Причем для четкого контакта с добычей это должно происходить точно в расчетное время и с заданной скоростью.

Центром этих управляющих систем является вычислительное устройство, обрабатывающее информацию. Если работа устройства управления зенитным огнем вполне известна, то механизмы обработки информации в мозгу лягушки пока таят в себе много неясного. А ведь это пример только одного поведенческого акта из целого комплекса целенаправленных действий лягушки при пищевом поведении.

Не менее точный расчет сопровождает молниеносный прыжок этого животного в сторону добычи. И если случается, что он оказался недостаточно точным, то система управления позволяет скорректировать полет. Лягушка успевает развернуться в нужном направлении, орудуя растянутыми перепонками на широко расставленных пальцах лап. И делает она это в последний момент, так как во время прыжка ее глаза закрыты и втянуты внутрь орбит во избежание возможных травм. Лишь вблизи добычи в рассчитанный момент лягушка выставляет вперед лапы, открывает глаза, с высокой точностью корректирует движение тела и только потом выбрасывает свой липкий язык.

Эти примеры показывают, какими удивительно сложными управляющими системами наделена «обыкновенная» лягушка. Могло ли устройство для преследования цели стать результатом последовательного самосовершенствования амфибии? Могли ли и сенсорный орган – глаз, и вычислительное устройство – мозговой отдел системы анализаторов, и эффекторный орган – подвижные мышцы липкого языка особой конструкции с целесообразным способом крепления во рту постепенно возникнуть, чтобы образовать замкнутую цепь для осуществления серии целесообразных поведенческих актов?

А теперь представьте, вероятно ли, что положенные рядом необходимые части сенсорного органа – радара, вычислительного устройства и самого орудия со стволом и снарядом способны постепенно самособраться и самоорганизоваться для целенаправленного поражения мишеней. Даже если бы на то им были отведены миллиарды лет.

Чувствительное обоняние

Зачастую мы недооцениваем возможности обоняния, так как быстрее воспринимаем окружающий нас мир посредством зрения. Чего нельзя сказать о большинстве живых существ. Ведь чувствительным обонянием Творец наделил даже тех, от кого мы меньше всего этого ожидаем. Оказывается, даже грибы способны различать запахи! Самые чувствительные органы обоняния животных могут ощутить одну-единственную «пахучую» молекулу среди 10 триллионов молекул пахучих веществ.

Обонятельный анализатор. Животные обеспечены обонятельным анализатором для восприятия и анализа химических раздражителей, действующих на их органы обоняния. Так же, как и все другие анализаторы, он состоит из воспринимающего, проводникового и центрального отделов.

Обонятельные рецепторы – хеморецепторы (от лат. chimia– химия + лат. recipere – получать) воспринимают молекулы пахучих веществ, и тогда электрические импульсы, сигнализирующие об определенном запахе, по нервным волокнам направляются к мозгу для анализа. Там происходит выработка ответной реакции.

Например, обонятельный анализатор комара точно определяет вещества, составляющие запах человека и теплокровных животных, и направляет насекомое в нужную сторону. Причем комары способны обнаружить стадо на расстоянии трех километров от себя.

Или же великолепное обоняние у собак – это их главное чувство. Благодаря обонятельному анализатору собака-ищейка способна почувствовать и распознать до полумиллиона запахов (!) и обнаружить удивительно малую концентрацию пахучего вещества. Если в 1 кубическом сантиметре воздуха будет содержаться только одна его молекула, то и она способна запустить анализатор в работу! И тот быстро определит, что же это за вещество, и оповестит животное. Это значит, что память собаки способна хранить огромное количество сведений о разных веществах и мгновенно, по первому же требованию, предоставлять их для анализа.

Поспорить с нюхом собаки способны носороги. Они близоруки и на расстоянии 40 метров не отличат человека от дерева, но зато по запаху находят даже очень далеко находящихся от них сородичей.

А радужная форель способна обнаружить стомиллионную долю грамма примесей, растворенных в 1 литре воды. С помощью природных анализаторов проводится как количественный, так и качественный химический микроанализ.

Именно благодаря такой чувствительности обоняния и других органов и живых «приборов» лососевые рыбы безошибочно находят «родной дом» после долгих странствий в открытом океане.

Анализирующие системы в помощь личинке. Личинка балянусов – усоногих рачков, называемых морскими желудями, принадлежит к свободноплавающим существам. Но вот приходит время, когда ей нужно крепко прикрепиться к твердой поверхности прибрежных скал или раковин моллюсков и построить свой известковый белоснежный домик со створками.

Как же личинка находит удобное место для прикрепления? Оказывается, ей дано использовать опыт предшественника. Если он жил на этом месте и оставил после себя след – «запах», то и ей здесь должно быть безопасно. Поэтому личинка балянуса обладает превосходным анализирующим устройством для поиска белка, оставленного предыдущим поселенцем. Причем анализатор позволяет личинке не только не спутать его с белком других живых существ, но и точно узнать место, где прикреплялись балянусы именно этого вида. То есть своим индивидуальным анализатором личинка способна «почувствовать» те незначительные отличия в молекуле не растворимого в воде белка, которые по конфигурации соответствуют ее виду.

А где же находится такое совершенное анализирующее устройство? Если под микроскопом рассмотреть личинку балянуса, то на ее антеннах можно увидеть своеобразные диски, окруженные волосками. Это и есть рецепторная часть анализирующего прибора, позволяющая оценить даже конфигурацию белковых молекул. Информация анализируется, и выдается сигнал на прикрепление балянуса к найденному месту или поиску нового пристанища.

Создание подобного чувствительного анализатора, которым наделены юные рачки, человеку пока недоступно.

«Умные» глаза человека. Мы, люди, хотя и не лишены обоняния, чувства вкуса, слуха и осязания, наиболее важным для нас является зрение. Причем мы живем в очень ярком и многогранном мире света и цвета.

Экспериментально установлено, что зачастую образ, который мы видим, отличается от того, который фиксируют наши глаза. В сотрудничестве с мозгом они создают особые зрительные образы. Это вовсе не значит, что глаза нас обманывают. Просто мозг дополняет картины, которые мы видим, множеством логических деталей. Так, на сетчатке глаза имеется слепое пятно, куда подходит зрительный нерв и где нет зрительных клеток. Но благодаря мозгу мы не видим дыры в пейзаже, а воспринимаем целостный образ, создаваемый как бы из мозаики.

Или, например, шутка, которую играет с нами мозг, когда мы перечитываем собственную рукопись. Мы порой не в состоянии увидеть свои ошибки, хотя кто-то другой заметит их сразу. Дело в том, что мозг «знает», что мы имели в виду, и автоматически показывает нам правильный вариант, скрывая опечатки.

Интересно, что зрачки чутко реагируют на наше состояние и даже выдают его. Оказывается, они сужаются при виде чего-то отвратительного или пугающего нас и, напротив, приятные или интересные объекты заставляют их расширяться.

Вкусовая система

Вкус – это ощущение, возникающее при воздействии раствора химических веществ на рецепторы (хеморецепторы) органа вкуса животного.

Вкусовой анализатор. Рецепторные вкусовые клетки являются периферической частью сложной системы вкусового анализатора. Они воспринимают химические раздражения, в них происходит первичное кодирование вкусовых сигналов. Анализаторы тотчас передают залпы хемоэлектрических импульсов по тонким нервным волокнам в свой «мозговой» центр. Каждый такой импульс длится менее тысячной доли секунды! А затем центральные структуры анализатора мгновенно определяют вкусовые ощущения.

Органы вкуса у птиц представлены вкусовыми почками, которые лежат в некоторых частях клюва и языка. Причем они находятся вблизи от протоков желез, выделяющих слюну, так как ощущение вкуса возможно только в жидкой среде.

Благодаря работе вкусовых анализаторов птицы хорошо различают не только сладкое, соленое и кислое, но некоторые из них ощущают и горькое. Они также способны вырабатывать условные рефлексы на вещества, создающие такие ощущения, – на растворы сахара, кислот и солей. Обычно птицы отдают предпочтение сладкому.

Вкус человека. В ротовой полости человека тоже содержатся вкусовые почки, в которых расположены нервные окончания, обеспечивающие способность ощущать вкус пищи. Интересно, что к сладкому наиболее чувствителен кончик нашего языка. Достаточно прикоснуться им к шарику мороженого, и вы сразу же узнаете его вкус. Кислое же лучше всего ощущают края языка, а горькое – его основание.

Наш язык служит своего рода сторожем. Если в рот попадает что-нибудь несвежее, язык тотчас передаст эту информацию в мозг. А тот мгновенно пошлет приказ мышцам рта. И тогда мы, не задумываясь, избавимся от того, что не приемлет организм.

Вкус – комплексное ощущение. Если вкусовой анализатор работает одновременно с органами обоняния, то вкус воспринимается лучше. Вы, вероятно, замечали, что, когда при насморке притупляется обоняние, хуже различается вкус пищи, порой она кажется даже безвкусной.

Слуховая система

Слуховой анализатор. Звуковые волны воспринимаются и обрабатываются слуховым анализатором – системой механических, рецепторных и других структур. Эти колебания преобразуются слуховыми рецепторами в нервные импульсы, которые передаются по слуховому нерву в центральную часть анализатора. В результате происходит восприятие звука и анализ его силы и тембра.