органы чувств собрали и модифицировали их. В органах чувств информация превращается в серии нервных импульсов. Такой процесс называется преобразованием; в качестве наглядного примера можно привести преобразование звуковой энергии в электрическую, происходящее в головке микрофона. Под очень незначительным давлением звуковых волн слой угольного порошка в микрофонной головке уплотняется; по мере уплотнения электрическое сопротивление угольного слоя падает, и через него начинает проходить более сильный электрический ток. Биологические преобразователи — рецепторные клетки в органах чувств — почти так же преобразуют энергию внешней среды в электрическую. Раздражение рецепторной клетки создает электрический ток — рецепторный потенциал, который распространяется к нервному волокну и порождает мощный нервный импульс.
Почти все, что мы знаем о биологическом преобразовании, было получено при изучении простой рецепторной клетки, названной тельцем Пачини, которая чувствительна к давлению или изгибу. Пачиниевы тельца обнаружены во многих частях тела: в коже, мышцах и суставах. Мы не ощущаем их работы, но они постоянно измеряют давление и натяжение в различных частях нашего тела. Пачиниевы тельца особенно удобно использовать в экспериментах, потому что они достаточно крупные и легко отделяются от окружающей ткани. Легче всего их обнаружить в брыжейке, которая представляет собой очень тонкий прозрачный листок брюшины, фиксирующий кишечник к стенке брюшной полости. Пачиниевы тельца вместе с отходящими от них нервными волокнами можно вырезать из брыжейки и сохранить живыми в течение нескольких часов; при этом они будут реагировать на давление так же, как если бы они оставались в организме.
Тельце Пачини имеет форму луковицы длиной 1 мм и толщиной 0,5 мм (фиг. 3). Эта луковица образована слоями ткани, окружающей тонкое окончание нервного волокна. При действии на луковицу слабого давления она слегка изгибается и возникает серия нервных импульсов. Если удалить все слои луковицы, нервные импульсы все еще будут регистрироваться; это означает, что преобразование энергии происходит в нервном окончании, расположенном в центре луковицы. Осторожно изменяя степень изгиба и одновременно регистрируя последовательность нервных импульсов, исследователи обнаружили, что чем сильнее изгибается пачиниево тельце, тем больше частота нервных импульсов. Итак, центральная нервная система получает информацию о сжатии и напряжении тканей организма с помощью простого кода: число поступающих в каждую секунду нервных импульсов соответствует степени давления, испытываемого рецепторной клеткой.
В результате многочисленных экспериментов были разрешены некоторые загадочные аспекты процесса, при помощи которого давление, оказываемое на пачиниево тельце, преобразуется в нервные импульсы. Мы располагаем достаточно ясной картиной этого процесса преобразования, хотя и не понимаем до конца, как он осуществляется. Можно провести аналогию между рецепторной клеткой и микрофоном. В нервном окончании тельца Пачини, как и в других рецепторных клетках, имеется постоянный электрический заряд, который меняется по мере деформации мембраны, покрывающей окончание нерва.
Этот постоянный заряд сенсорной клетки обусловлен различными концентрациями ионов (заряженных атомов или молекул) по обе стороны мембраны. На внешней поверхности мембраны концентрация положительных ионов больше, благодаря чему внешняя поверхность клетки оказывается заряженной положительно по отношению к внутренней. Когда клеточная мембрана деформируется, она как бы «дает течь», и положительные ионы устремляются внутрь, инвертируя при этом электрический заряд клетки. Не известно, каким именно образом свет, тепло, давление, химическая или другие формы энергии вызывают такой эффект, но в результате измененный заряд, т. е. рецепторный потенциал, распространяется по поверхности рецепторной клетки и, если он достаточно велик, порождает в связанном с ней нервном волокне «взрывной» импульс. После этого мембрана клетки вновь «запирается» и восстанавливается начальная разница в концентрации ионов.
Прежде чем сможет реализоваться какое-либо одно из этой последовательности событий, энергия из окружающей среды должна достичь рецепторной клетки. На пути к клетке она изменяется с помощью вспомогательных образований, таких, как хрусталик или зрачок глаза. Часть энергии отфильтровывается, т. е. уже с самого начала животное отбирает информацию из ошеломляющего множества бомбардирующих его сигналов. Например, на ярком свету зрачок сокращается, количество входящего в глаз света уменьшается, и глаз не слепнет; хрусталик же фокусирует свет на рецепторных клетках сетчатки, благодаря чему детализируется передаваемая ими в мозг информация.
Другая важная функция фильтрующего механизма — выбор того вида энергии, который следует пропустить к рецепторам, поскольку рецепторные клетки чувствительны не к какому-то одному определенному виду энергии, а ко многим разным ее видам. В результате деятельности хрусталика и других структур глаза лишь свет имеет возможность стимулировать рецепторные клетки сетчатки, поскольку мозг способен воспринимать от глаза только зрительную информацию. Простой способ «обмануть» мозг — это надавить пальцами на глаза: давление стимулирует рецепторные клетки сетчатки, мозг интерпретирует его как свет, и мы видим яркие пятна.
Ученых тоже сбивала с толку чувствительность сенсорных клеток к различным видам энергии. У скатов (относящихся к классу хрящевых рыб, поскольку их скелеты построены из мягкого хряща, а не из твердой кости) имеются чувствительные органы, названные по имени открывшего их исследователя ампулами Лоренцини. Тщательные эксперименты показали, что эти органы, расположенные в особых ямках, реагируют на давление и температуру. В качестве рецепторов давления они должны были бы воспринимать волны давления в воде, но, казалось, нет никакого смысла иметь температурные рецепторы, расположенные так глубоко в коже. В конце концов обнаружили, что у этих рецепторов совершенно другая функция. Они чрезвычайно чувствительны к электрическому току и сравнительно мало чувствительны к давлению или температуре — раздражителям, которые как раз и создают побочные эффекты, подобные вспышкам света, вызванным надавливанием на глазные яблоки. Функция ампул Лоренцини и других электрочувствительных органов обсуждается более подробно в гл. 11.
Сенсорные органы низкоорганизованных животных (таких, как дождевые черви, морские анемоны) и органы чувств млекопитающих, а также птиц различаются главным образом сложностью вспомогательных структур. Сложная структура глаза, уха и других органов у высших животных повышает чувствительность этих органов, сужая круг поступающих к ним видов энергии, в результате чего каждый орган воспринимает лишь какую-то небольшую часть окружающего мира, но зато анализирует ее очень тщательно. Восприятие тонких деталей может делать поведение животного гораздо более сложным. Дождевой червь при помощи своих простых светочувствительных органов способен лишь отличить сильный свет от слабого, и его единственная реакция на этот раздражитель — движение к источнику света или в обратном направлении. Сравните его с человеком, который может видеть трехмерный движущийся многоцветный мир образов и изменять свое поведение в ответ на отдельный образ или систему образов.
В качестве первого шага в изучении чувств животного проще всего понаблюдать за ним, чтобы примерно представить себе, какими чувствами оно пользуется. У кошки большие глаза, зрачки которых ночью расширяются; это дает основание предположить, что она хорошо видит при слабом свете. У крота же глаза напоминают булавочные головки; поэтому можно полагать, что он пользуется какими-то другими чувствами для ориентировки в окружающем его внешнем мире. Следующий шаг — наблюдать за животным в строго определенных условиях, а затем, изменяя эти условия, проследить, как оно будет реагировать на изменение; таким образом у нас составится представление о поведении животного в связи с окружающей его средой. Подобные тесты дают начальную информацию о поведении сравнительно примитивных животных и закладывают основы для изучения более сложного поведения высокоорганизованных животных.
Нетрудно наблюдать, как некоторые животные реагируют на особенности окружающего их мира: освещенное окно привлекает ночных бабочек, а открытая пища привлекает мух (хотя подобные наблюдения почти ничего не говорят о природе этого явления). Для изучения реакций сравнительно примитивных животных достаточно простейших тестов, поскольку у этих животных центральная нервная система развита очень слабо, а поведение весьма несложно и жестко определено. Их реакции на какое-либо раздражение, поступающее из внешней среды, стандартны и неизменны. Но даже такое простое поведение позволяет животному удовлетворять все свои потребности: выбирать наиболее благоприятные в смысле температуры и влажности условия, находить пищу и партнера для спаривания.
Среди сравнительно примитивных животных определенный интерес представляют мокрицы, принадлежащие к членистоногим (Arthropoda); к этой группе относятся насекомые, пауки, скорпионы, креветки, раки, крабы, водяные блохи и многие другие животные. Среди них самые близкие к мокрицам формы — это креветки, крабы и водяные блохи, относящиеся к классу ракообразных. Большинство ракообразных живет в воде, но некоторые, в частности мокрицы, перешли к наземному образу жизни. Твердый наружный покров мокрицы в отличие от других живущих на суше членистоногих — насекомых, пауков и скорпионов — водопроницаем. Если мокрицу поместить в сухое место, она быстро высохнет и погибнет. Неудивительно поэтому, что мокрицы предпочитают влажные места и их обычно можно отыскать под камнями или под трухлявой корой мертвых деревьев.
Поведение мокрицы, связанное с поисками влажной среды, легко продемонстрировать с помощью простого опыта. Тарелку делят на влажную и сухую половины, поместив в нее два неглубоких лоточка: один — с поглощающей воду серной кислотой, а другой — с водой. На лоточки ставят сетчатый пол, и мокрицам предоставляется возможность передвигаться по этой арене. Очень скоро все они собираются на влажной стороне тарелки. Механизм такого ответа называется
При более сложных формах кинеза животное движется по прямой линии, пока находится в благоприятных условиях; попав же в условия менее благоприятные, оно начинает двигаться по кругу. Если при таком круговом движении животное снова попадает в более благоприятные условия, оно вновь начинает двигаться прямо. Такое поведение наблюдается у некоторых насекомых, но этот процесс, по-видимому, случаен, так как они не могут определить, откуда приходит благоприятный сигнал. По-видимому, такое поведение не связано с ощущением цели, которое есть, например, у ночной бабочки, летящей на свечу. (Очевидно, неправильно говорить о цели при описании такого механического поведения, так как это означало бы, что ночная бабочка сознательно совершает свои действия; однако для каждого, кто сравнивает поведение этих двух животных, именно это слово лучше всего характеризует различия, наблюдаемые между беспорядочными передвижениями мокрицы и прямолинейным полетом ночной бабочки.)
Поведение ночной бабочки, летящей к свету, называется
Более тонким методом изучения чувствительности сенсорных органов служат опыты с условными рефлексами, представляющими собой простую форму обучения. Этот метод получил известность благодаря экспериментам И. П. Павлова на собаках. Павлов изучал физиологические механизмы регуляции секреторной активности пищеварительных желез. Когда мясо попадает в рот собаки, оно автоматически вызывает выделение слюны, которая смачивает пищу во рту, что облегчает проглатывание; это полностью рефлекторный акт, не подчиняющийся произвольному контролю. Павлов, однако, обнаружил, что собаки вскоре начали выделять слюну до получения пищи, научившись узнавать различные действия экспериментатора, которые предшествовали кормежке. Затем он научил своих собак выделять слюну «по команде»; для этого каждая кормежка сопровождалась звоном колокольчика; через некоторое время собаки стали выделять слюну в ответ на звук колокольчика, даже если им не давали никакой пищи. В этом и заключается суть условных рефлексов, которые свойственны не только собакам, но и людям: безусловный рефлекс (пища во рту > выделение слюны) вызывается необычным стимулом (звуком колокольчика, запахом или видом пищи) благодаря установлению временной связи с этим стимулом. Когда связь становится прочной, условнорефлекторная реакция возникает без применения безусловного раздражителя.
По этой причине условные рефлексы чрезвычайно полезны при изучении возможностей органов чувств. Животное можно научить отвечать на различные стимулы, которые не связаны с безусловнорефлекторным поведением. Если, например, собака обучена ассоциировать свисток с пищей, можно, используя свисток Гальтона для получения все более и более высоких звуков, определить максимальную высоту звуков, которые способна слышать собака: как только звуки станут слишком высокими и она перестанет их слышать,
