СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ТЕЛЕПАТИЯ?
Трудность в том, чтобы выделить из массы измышлений и домыслов досужих толкователей несомненные, непреложные факты. Установив исходные факты, мы начнем строить, основываясь на них, нашу теорию и попытаемся определить, какие моменты в данном деле можно считать узловыми.
Артур Конан Доил. Записки о Шерлоке Холмсе
§ 1. Электромагнитное излучение — равноправная субстанция в живом
С древнейших времен существуют сказки о людях, способных читать чужие мысли. Короли и отшельники считали, что они могут лечить множество болезней «наложением руки». Перечитайте такие классические рассказы, как «Жемчужина» Д. Стейнбека или «Звезда» Э. Казакевича. Разве не наталкивают они на возможность в экстремальных ситуациях угадывания мыслей. К сожалению, в последние десятилетия вокруг всего этого образовался нездоровый наукообразный ажиотаж некоей «парапсихологии», с околонаучной терминологией и методами; фокусники «усилием мысли» гнут ключи и другие железки; время от времени всплывают разнообразные личности, якобы «общающиеся с душами умерших»; толпы «экстрасенсов» за умеренную плату рвутся вылечить от всех болезней. Это делает несерьезной важную проблему динамики передачи нервного импульса, такую же рациональную и научную, как проблема, например, антибиотиков или нормальной физиологии высшей нервной деятельности.
Попробуем разобраться в вопросах, связанных с тем, что называют телепатией.
В процессах функционирования живого участвуют белковые молекулы и ферменты, вода и минеральные вещества, сахара и жирные кислоты. Все это ни у кого особого удивления не вызывает. Но представление о том, что наряду с химическими веществами равноправной субстанцией живого является электромагнитное излучение, не кажется очевидным.
Часто считают электричество чем-то свойственным современной технике, а удары электротоком от электрического ската вызывают у нас удивление кажущейся экзотичностью. При этом иногда забывают, что начало электротехники возникло из опытов над живым, когда Луиджи Гальвани готовил суп для больной жены из деликатеса — лягушачьих ножек и с удивлением обнаружил, что используемые для этого орудия в виде ножа и вилки из разных металлов при контакте с лягушачьими ножками вызывают мышечное сокращение.
Что же говорить об электромагнитных волнах, которые ассоциируются с величайшими достижениями современной техники — радио и телевидением, радиолокацией и космической связью, лазерами и голографией, но никак не с живыми существами.
Однако электромагнитное излучение — это субстанция, которая с первых шагов эволюции участвует в процессах живого. Вспомните, например, о фотосинтезе сине-зеленых водорослей — одном из первых проявлений жизни на Земле.
В строительных блоках живых организмов с самых первых этапов их эволюции присутствуют элементы, чувствительные к электромагнитному излучению. И естественный отбор широко использовал модификации этих элементов в дальнейшем.
Многие виды живого содержат специальный приемник электромагнитного излучения, тесно связанный с нервной деятельностью,— глаза. А ведь инженеры только в последние годы создали устройства, которые в аналогичных габаритах имеют чувствительность, сопоставимую с чувствительностью глаз: молодой здоровый человек способен различать отдельные, падающие на глаз, кванты электромагнитных волн — света.
Вполне понятно в наше время, что если та или иная специфическая молекула поглотит электромагнитные волны, то ее энергия изменится, и поэтому кванты солнечного света так же могут быть «пищей», как и химические вещества. Что именно осуществляет воздействие — химическая реакция или излучение — безразлично, так как с атомной точки зрения изменение энергии молекулы — это переход какого-то электрона в новое энергетическое состояние. Этот переход связан с некоторой дискретной энергией, относительно узким спектром падающего излучения (вспомните § 3 гл. 1). Молекула живого, реализующая поглощение электромагнитной энергии, подобна радиоприемнику, настроенному на одну-единственную станцию. Естественно, что на дискретной частоте энергии можно получить меньше, чем в широком интервале спектра. Поэтому и в фотосинтезе, и в зрении одна из важных и сложных задач в том, чтобы поглощение происходило в широком спектральном диапазоне, а потом вся энергия, независимо от того, на какой частоте она поглощена, управляла бы возбуждением электронов, отвечающих кванту определенной частоты. Например, хлорофилл в растениях — это молекулы-антенны, осуществляющие поглощение излучения в широком спектральном диапазоне и его трансформацию но частоте вниз, в более красную область, до строго определенной величины, отвечающей возбуждению электрона в активном центре, ответственном за фотосинтез.
Поэтому с эволюционной точки зрения прием излу¬чения на одной-единственной частоте проще, чем прием излучения в механизмах зрения. Для всех видов живого важно как взаимодействие с внешней средой, так и обмен информацией между особями. Если бактерии надо двигаться к солнечному свету, то без «антенны» не обойтись. Инфузория эвглена дает пример эволюционно первичных форм взаимодействия света и живого в информационных целях. У нее молекулы-«антенны» через нерв-проводник связаны с движущим ее в сторону света жгутиком. Эволюция через множество этапов усложнения этого механизма, сохранившихся и у существующих сегодня видов, привела к совершенным глазам человека и животных, как органам анализа окружающей среды по рассеянному солнечному излучению.
Размножение, страх, голод требуют эффективной и быстрой связи между особями, не несущей большого объема информации. Для такой связи, наряду с выделением химических веществ, могло развиваться использование электромагнитного излучения. Никто еще поставил задачу поисков его эволюционных истоков и развития. А ведь излучение электромагнитных волн является достоверно установленной особенностью живого. Достаточно вспомнить о светлячках. Кстати, известно, что вспышки яркости свечения светлячков могут синхронизироваться для их групп, например, сидящих на одном или близких деревьях. Возможно, эта синхронизация связана не только с излучением ими электромагнитных волн, но и с приемом, который и вызывает синхронизацию излучения.
Надо не забывать и то, что человек не видит ни в ультрафиолетовой, ни в инфракрасной области электромагнитных колебаний, но хотя нам и кажется, что созданные человеком приборы очень совершенны, глаз более чувствителен. Поэтому, если насекомые или другие виды живого излучают энергию на дискретных частотах в каком-либо из невидимых нам диапазонов длин волн, то ничего необычного нет в том, что такое излучение даже сейчас еще не обнаружено. Впрочем, действительно ли оно не обнаружено?
Инфракрасными датчиками принимали излучение мозга. Жидкокристаллические пленки, чувствительные к излучению, пограничному между инфракрасным и радиодиапазоном, избирательно «засвечиваются», когда их накладывают на голову человека. Разным участкам поверхности головы отвечает разная «засветка».
Что касается обратной задачи — воздействия на биохимические процессы в живых организмах электромагнитных волн сантиметрового и миллиметрового диапазонов, то сейчас происходит буквально взрыв получения достоверных экспериментальных материалов.
В первой трети нашего века прямой обмен информацией между особями с помощью электромагнитных волн обсуждался достаточно широко (вспомним фантастическую повесть Л. Беляева «Властелин мира»). Но тогда возможности науки и техники были ограничены. Кроме того, в этих вопросах всегда существует давление нездоровой сенсационности, которое тормозит достижение действительных результатов *).
Обмен электромагнитным излучением между особями не содержит в себе элементов нереальности или экзотичности, он может существовать, эволюционно на ранних стадиях развития выгоден и вполне может сохраняться и для высокоразвитых продуктов эволюции животного мира. Для обсуждения, где и как может возникать и приниматься излучение, как оно может влиять на физиологические функции организма, эти соображения следует иметь в виду.
Что-либо новое находят и описывают только на основе детальных знаний об известном. Поэтому читателю необходимо запастись терпением и познакомиться с не столь уж простыми сведениями о работе нервной системы.
§ 2. О некоторых принципах работы нервной системы
В живом организме всегда существуют тесные взаимосвязи между молекулярными биохимическими механизмами и функциональными особенностями организмов и их сообществ. Этот принцип сохраняется и в высшей нервной деятельности. Для живого характерны активный поиск пищи, функции, связанные с размножением, защитой от опасности. Как правило, существует цепочка: внешнее воздействие, ответ на него выделением управляющего химического вещества, химическая и электрическая передача сигнала управления, наконец, окончательные химические реакции (например, переваривание пищи, репродуктивные процессы) и, конечно, движение как самостоятельный результат и как элемент перечисленных выше процессов.
Движение, вызываемое химическими веществами, существует и в неживой природе. Насыпанный в суп перец заставляет разбегаться капельки жира на его поверхности, так как перец изменяет поверхностное натяжение жидкости. В живом организме изменение концентрации какого-либо необходимого или вредного вещества не само по себе вызывает движение, а включает цепь сложных биохимических реакций, в результате которых и происходит движение. У простейших, одноклеточных организмов эта цепь очень коротка и, в конечном счете, приводит к движению по принципам, близким к тем, по которым разбегаются от перца капельки жира.
Рост размеров организма связан с усложнением и движителей, и цепей управления ими. Электрическая система передачи команд на относительно большое расстояние — нервная система — приобретает решающее значение. Одновременно дифференцируются органы, предназначенные для анализа окружающей обстановки. Химический анализ непосредственно необходимых веществ, который создает исходные сигналы у бактерий, заменяется сложной опосредствованной системой распознавания по признакам, не имеющим отношения к биохимическому составу исходных продуктов: зрением, слухом, а чувствительность к химическому сигналу — обоняние — развивается до недосягаемых в технике значений.
То, что у сложных организмов в этой цепочке решающее звено — электрическая передача импульсов через
нервную сеть, не меняет химической природы конечного результата. Усложнение системы анализа и внутренней связи создает необходимость в общих системах управления функциями организма. Железы, в начале эволюции, сформировавшиеся для выделения веществ с целью переваривания пищи или защиты от опасности, или размножения, т. е, непосредственно связанные с конечным этапом взаимодействия с окружающей средой, приобретают функции контролеров, становятся железами также (или только) внутренней секреции.
Глобальный и окончательный по иерархии в живом организме ответ на все внешние воздействия дают именно железы внутренней секреции. Они определяют общий тонус организма, общие команды, которые потом детализируют остальные системы, включая и нервную систему. Выделяемые ими вещества называются гормонами. Женственность женщин и мужественность мужчин, холерический, флегматический или сангвинический характер, даже предрасположенность ко многим болезням — это результат изначального, заложенного при рождении характера гормонального баланса в организме того или иного человека. Реакция на те или иные внешние условия, в конечном счете, определяется текущим, сиюминутным изменением гормонального баланса.
При этом фактическое управление, оперативную сложную работу по анализу и выдаче команд в организме осуществляет нервная система, главным образом, на основе электрических процессов. Лягушачьи ножки Гальвани не только стали началом современной электротехники, но и явились первым опытом, показывающим, что в основе передачи нервных импульсов лежат электрические процессы.
Нервная система содержит специализированные клетки, нейроны, от которых отходят длинные трубки — «провода», называемые аксонами. В отличие от проводов, используемых в телеграфе или телефоне, аксоны одновременно являются еще и усилителями распространяющихся по ним электрических импульсов. Энергия для этого поставляется таким же путем, как и для всех остальных клеток в организме — из потребляемой пищи. На работу мозга человек расходует пятую часть крови и кислорода в организме, а вес мозга — всего пятидесятая часть веса человека.
Нервные волокна, обычно разветвленные, соединяются между собой в различных комбинациях. Для мозга
Характерно многообразие соединений, передача же сигналов к мышцам больше напоминает «провода».
Места контактов нервных волокон, называемые синапсами, характерны тем, что в них электрический сигнал приводит к выделению химического вещества, которое воздействует на другой нерв и создает в нем опять электрический сигнал*). По существу, в работе нервной системы осуществляется принцип: входное химическое воздействие — электрическая передача — выходной химический сигнал. Вещества, формирующие этот сигнал, называются нервными медиаторами. Подобно гормонам, но более локально они осуществляют также и общие регулировки в организме.
О синапсе подробно будет рассказано в следующем параграфе. А сейчас нам надо напомнить о двух важнейших принципах действия нервной системы как целого.
Первый из них — это образование условных рефлексов. Например, попавшая в рот пища возбуждает нервные окончания и создает сигнал для выделения слюны и других пищеварительных соков, в частности в желудке. Но известное выражение «слюнки текут» отражает образование другой связи — вид пищи, еще не осуществившей воздействия на специфические для нее химические рецепторы, вызывает ту же самую реакцию, что и сама пища. Подобные рефлексы, т. е. дополнительные связи в нервной системе, легко создаются, например, у животных в экспериментах на сигналы типа звонка, зажигания лампочки, даже па удар электрическим током, т. е. на сигналы, в обычных условиях не связанные с приемом пищи.
Эволюционно все воздействия па организм приводят к выделению тех или иных гормонов или медиаторов. Например, прием пищи связан с гормоном энергетического обмена — инсулином; функция продолжения рода—с гормонами андрогениого и зстрогеипого ряда; страх, стресс — с выделением адреналина.
В сложном организме с развитой нервной системой выделение гормонов и медиаторов (как это показывает пример условных рефлексов) происходит в ответ на замещающие воздействия: функционирование участков нервной системы, непосредственно не связанных с пищей или другими чисто физиологическими процессами, происходит на основе гормонально-медиаторного подтверждения такого же типа. Например, чувство удовлетворения в формах, легко обнаружимых внешне, у простых видов животного мира возникает в ответ на прямое воздействие в рамках эволюционно важнейших функций: энергетических, размножения, защиты. А при наличии высокоразвитой нервной системы ощущение удовлетворения может быть результатом решения сложной математической задачи, нарисованной картины, услышанной музыки и пр. То есть высшая нервная деятельность наследует от простейших условных рефлексов важнейшее — гормонально-медиаторное подтверждение истинности. Эволюционное развитие гормонально-медиаторного подтверждения составляет основу функционирования самых сложных отделов нервной системы.
Второй принцип в работе высшей нервной системы связан с тем, что объем поступающей в тот или иной организм информации намного больше того объема, который необходим в каждый момент времени для его нормального функционирования. Поэтому в нервной системе происходит непрерывная конкуренция за входы, за право для данной информации поступить в обработку и запоминание. Все сигналы из внешней среды и со стороны внутренних органов проходят как бы через некоторую воронку, которая отфильтровывает часть из них, допуская для обработки, решений и действий только очень малую часть,, у человека — примерно 1 % инфор-мации, поступающей от органов чувств.
*) В гораздо меньшом количестве в нервной системе присутствуют чисто электрические разветвления нервов, поэтому можно было бы ввести два термина: химический синапс и электрический синапс. Далее рассматриваются только процессы, относящиеся к химическому синапсу
§ 3. Синапс и медиаторы
Анатомический узел, в котором информационные электрические процессы нервной системы взаимодействуют с химическими, образуется в месте контакта между собой нервных волокон-аксонов от разных нейронов или в месте контакта нерва и исполнительного органа, например мышечных волокон. Этот узел, как уже говорилось, называется синапс.
Он состоит из мембраны, находящейся на том нервном волокне, от которого исходит электрический импульс,— пресинаптической мембраны; из синаптической щели толщиной около 10^-7 см и из постсинаптической мембраны с другой стороны этой щели, являющейся началом нового нервного волокна или элементом управления мышцей.
Наиболее изученный синапс относится к нервно-мы¬шечному соединению, и все дальнейшее описание проводится именно на его примере. Однако в нервной системе существует около 30 видов синапсов, отличающихся по химической природе медиатора, участвующего в передаче нервного импульса через синаптическую щель. Медиатор нервно-мышечного соединения называется ацетилхолин.
Мембрана аксона в нормальном состоянии имеет относительно большой электрический заряд, образующийся за счет того, что процессы основной энергетики организма создают на ее внешней поверхности избыток ионов натрия, получающихся из той самой поваренной соли, без которой мы не представляем себе пищу. Внутри аксона, кроме того, находятся ионы калия. Диаметры аксонов у разных представителей живого различны. У некоторых видов кальмаров они составляют около миллиметра, обычно их диаметр порядка десятых долей миллиметра и менее. Мембраны, ограничивающие аксон и в синапсе, имеют очень малую толщину — 500 нм. В них есть каналы, проницаемые для ионов натрия я калия, свои для каждого сорта ионов или общие.
Распространение нервного импульса по аксону, происходящее со скоростью порядка 20 м/с, связано с тем, что за счет прохода ионов натрия и калия через управляемые каналы на мембране, потенциал на обоих ее поверхностях выравнивается, т. о. мембрана деполяризуется. Участвующие в передаче нервного импульса потенциалы невелики — порядка десятых, сотых долей вольта, но толщины биологических мембран очень малы, поэтому напряженности электрического поля в нервных процессах огромны — порядка 50 тыс. вольт на сантиметр. Для сравнения напомним, что в воздухе электрическая искра возникает при напряженности поля 30 тыс. вольт на сантиметр.
Когда электрический импульс по аксону доходит до пресинаптической мембраны, он стимулирует выброс медиатора, в нашем примере ацетилхолииа, в синаптическую щель. Устройство пресинаптической мембраны таково, что ацетилхолин выбрасывается порциями примерно в несколько тысяч молекул. Вспомните, что количество молекул в одном моле вещества (число Авогадро) составляет 6 • 10^23, и станет ясно, насколько малы эти количества.
Основной принцип химических реакций в организме связан с пространственным соответствием реагирующих друг с другом участков молекул. На постсинаптической мембране есть специальные участки молекулы — рецепторы медиатора (холинорецепторы), форма которых соответствует форме участков молекулы медиатора, как ключ отвечает замку. Плотность расположения работающих рецепторов на постсипаптической мембране велика — порядка 10^4 рецепторов на квадратный микрометр. Как всегда в живом организме, в синапсе существует избыточность, до 99 % холинореценторов в нормальных условиях не работает, составляя резерв.
Молекулы ацетилхолина, выброшенные сквозь постсинаптическую мембрану в ответ на приход нервного импульса, пересекают синаптическую щель и с помощью своих электрических зарядов соединяются с пространственно соответствующими им участками (много большей их по размеру) молекулы холинорецептора: ключ попал в замок. Возникающая деформация молекулы рецептора открывает содержащийся в ней канал для прохода ионов натрия и калия. Замок открыт, начинается деполяризация, управляющая мышцей (нервно-мышечное соединение) или генерация нового нервного импульса для других видов синапсов.
Деполяризация управляет также и обратным процессом, когда в результате деформации молекулы рецептора ключ — молекула ацетилхолина — выбрасывается замком в синаптическую щель. Здесь ее разрушают специализированные ферменты, а получающиеся компоненты проходят через пресинаптическую мембрану и используются для синтеза новых молекул ацетилхолина, для изготовления новых ключей.
Работа ацетилхолинового синапса известна относительно хорошо. Для других синапсов сведений очень мало. Предполагается, что они работают аналогично.
Общие факторы, влияющие на распространение нервного импульса: активность основной энергетики организма, обеспечивающей натриевый заряд на мембранах, наличие в пище исходных веществ для синтеза медиатора, перераспределение с током крови и других жидкостей в организме концентрации медиаторов между различными частями нервной системы.
Некоторые вещества могут замещать ацетилхолин в процессах передачи нервного импульса. Примеры: кураре — токсичный растительный алколоид, которым намазывают наконечники стрел индейцы племени Хибаро, живущие в перуанской части бассейна Амазонки; бунга-ротоксип, содержащийся в некоторых рыбах. Молекулы этих веществ имеют участки, строение которых сходно со строением молекулы медиатора — ацетилхолина. Эти вещества соединяются с рецепторами, как плохой ключ в несоответствующем ему замке, но после деполяризации мембраны не освобождаются, новый нервный импульс не может пройти через синапс — возникает паралич из-за невозможности передачи команды к мышце. Известный яд, который возникает в герметично закупоренных консервах,— бутулиновый токсин — блокирует передачу нервного импульса к мышцам всего в количестве сорока молекул на синапс*). Как видите, чувствительность к химическим веществам при передаче нервного импульса в синапсе очень велика.
Синапс является важнейшим участком нервной системы, в котором химические и электрические процессы взаимодействуют между собой, тем элементом, воздействие на который позволяет организму осуществлять глобальное управление — активировать или тормозить те или иные регионы нервной системы, выделяя или перераспределяя медиаторы по участкам организма. Одновременно синапс — это тот узел, в котором биохимия реализует обучение, в том числе образование условных рефлексов. С участием синапса происходит образование «воронки», защищающей нервную систему от избыточной в данный момент информации.
Для процессов, протекающих в синапсах, существует важная особенность. Многие знают, что в электронных усилителях используют обратные связи. Подадим с выхода усилителя сигнал на его вход в той же фазе, как и входной сигнал (это называется положительной обратной связью). Тогда напряжение на выходе будет очень быстро нарастать. В результате усилитель превращается в генератор. Все когда-либо слышали, как начинают гудеть громкоговорящие установки в залах, когда микрофон оказывается слишком близко к громкоговори-телю,— это и есть результат глубокой положительной обратной связи.
Если сигнал с выхода усилителя подать на его вход в противоположной фазе (отрицательная обратная связь), то, наоборот, выходное напряжение уменьшится, но усилитель станет более стабильным, с меньшими искажениями будет передавать сигналы.
Если в усилителе одновременно использовать и положительную и отрицательную обратную связь, включенную определенным образом, причем положительная обратная связь работает раньше и быстрее, чем отрицательная, то усилитель приобретает замечательное свойство: выходной сигнал растет пропорционально входному, как будто обратных связей нет, но ток в цепи входа усилителя перестает зависеть от величины входного напряжения: подали на вход усилителя 1 мкВ — он ведет себя так, как будто у него на входе сопротивление в 1 Ом, а подали 1В — и тот же самый усилитель имеет входное сопротивление в 1000000 Ом*).
Системы с такими комбинированными обратными связями с точки зрения энергетики обладают максимальной экономичностью по цепям входного сигнала. Синапс также служит усилителем, причем дает огромное усиление. Если сопоставить энергию, которую вносит в рецептор одна молекула ацетилхолина, и энергию, изменение которой происходит к моменту освобождения медиатора от рецептора, то окажется, что происходит усиление по мощности не менее чем в 300 - 400 тыс. раз.
Оказывается, что принцип комбинированных обратных связей, на основе быстродействующей положительной обратной связи и запаздывающей отрицательной обратной связи — ведущий, обязательный во всех процессах передачи нервного импульса. И не только по соображениям экономичности. Комбинированные обратные связи имеют огромное значение для принципиальных основ самоорганизации в работе нервной системы, но подробно это будет рассмотрено в последней главе этой книги.
В заключение отметим еще одну особенность передачи нервных импульсов. Глаз предназначен для того, чтобы воспринимать электромагнитное излучение. Это специализированный живой «радиоприемник» светового диапазона электромагнитных волн. Возбуждение в нем нервного импульса происходит по тому же универсальному механизму, что и передача нервного импульса через синапс. Отличие в том, что рецептор по сложной схеме снабжен специальной антенной — молекулой (почти тождественно совпадающей с молекулой витамина Д). Падающие на эту антенну кванты света разной длины волны (следовательно, и разной частоты) вызывают в ней электронные возбуждения. Эти колебания взаимодействуют с молекулой-антенной, изменяя свою частоту. Когда же частота совпадает с величиной, отвечающей уровням энергии молекулы рецептора (аналога рецептора химического медиатора), то, так же как и при обычной передаче нервного импульса, возникает деполяризация «постсинаптической» мембраны и генерируется нервный импульс. «Медиатором» служит излучение.
Иными словами, в живом организме существуют и эффективно используются рецепторы электромагнитного излучения, согласованные с общими принципами действия нервной системы, с детальным ее устройством, с реализующими их видами химических молекул. Приспособительная сложность зрения связана с тем, что для цветного зрения излучение должно восприниматься разными антеннами, в разных диапазонах длин волн. Эти молекулы-антенны должны быть совмещены со сложным фотоаппаратом — оптической системой глаза. Они должны быть определенным образом ориентированы. В результате единственный квант света возбуждает нервный импульс. Если бы природе не требовалось зрение в широком спектральном диапазоне, если бы не нужно было анализировать пространственную картину изображений, сопоставляя сигналы от разных участков сетчатки глаза, то механизм приема электромагнитного излучения не изменился, но стал бы предельно простым.
Наши знания о процессах в синапсе и при зрении, конечно, намного больше того, что было изложено вы¬ше, но все-таки и синапс и зрение изучены еще крайне не достаточно. Есть сведения о синапсах, управляемых серотонином, дофамином и еще двумя-тремя медиаторами. Но среди более 30 медиаторов есть и такие, для которых даже неизвестны выполняемые ими функции.
§ 4. Может ли синапс излучать электромагнитные волны?
Каждый постсинаптический рецептор связан с ионным каналом*). Вся эта система по существу является одной большой молекулой с молекулярной массой порядка 350 000. Взаимодействие медиатора с активным центром рецептора заключается в деформации части этой огромной молекулы. И эта деформация должна быть передана другой ее части — атомам кислорода, представляющим собой управляющие элементы в ионном канале. В машинах взаимодействия такого рода осуществляются с помощью механических рычагов и т. п., т. е. с помощью выделенных элементов с повышенной жесткостью по отношению к другим элементам. В молекулярной системе остается справедливым тот же принцип:
в молекуле должны быть механические пути передачи деформации от активного центра к управляющим атомам кислорода, а также обратные пути, освобождающие активный центр
Рис. 6
от молекулы медиатора. Хотя это, конечно, не рычаги, но в молекуле постсинаптического рецептора органически присутствуют некоторые части, обладающие определенной массой и связанной с ней инерцией, которые относительно изолированы от всей молекулы, как бы прикреплены на «пружинах». Механическая энергия, которую вносит молекула медиатора в такую систему, поэтому не может быстро перейти в тепло. На языке классической теории колебаний это соответствует утверждению о том, что в молекуле рецептора присутствуют элементы с определенными резонансными частотами, а сама колебательная система обладает высокой добротностью, т. е. в ней отношение энергии колебания к потерям намного превышает единицу. В терминах квантовой теории это соответствует утверждению о наличии дискретных уровней энергии постсинаптического рецептора и связанных с ними возможных частот излучения и поглощения.
«Механическая система» рецептора находится в очень большом электрическом поле трансмембранного потенциала, о котором упоминалось в предыдущем параграфе. Поэтому она обладает большим запасом энергии по отношению к энергии, которая отвечала бы той же молекуле при данной температуре. В квантовых терминах такая система называется инверсно населенной по энергетическим уровням. Среды с инверсной населенностью — основное рабочее тело в любых типах лазеров, являющихся специфическими изобретенными человеком устройствами для генерации и излучения электромагнитных волн высоких частот.
Когда шатун толкает палец, крепящий поршень в двигателе автомобиля, или кулачок перемещает клапан, то обычно забывают, что движение любой механической системы возникает только тогда, когда упругая волна от действия, вызвавшего движение, пробежит по элементу системы. Для молекулярных «рычагов» волны — самый существенный элемент в «механической» передаче возмущений. Для них используется специальный термин, описывающий воображаемую частицу,— фонон, элементарное волновое возбуждение. На уровне атомов, составляющих кристалл или большую биомолекулу, механические возмущения — фононы могут быть связаны с согласными в пространстве колебаниями соседних атомов, как при обычной упругой волне, и со встречными колебаниями, особенно если массы соседних атомов отличаются по величине. Физики хорошо знают, что именно такие встречные колебания приводят к излучению электромагнитных волн, как к результату механических процессов в сложных молекулах или кристаллической решетке вещества. Это существенно уточняет и детализирует предыдущие общие соображения о колебательных системах внутри молекулы. Но надо найти еще и механизм, с помощью которого трансмембранный потенциал может передать свою энергию высокочастотным колебаниям в моекуле. Для этого подробнее рассмотрим возможные процессы в ионном канале.
Длина ионного канала может быть оценена величиной около 5 нм, т. е. вдоль него может поместиться всего несколько атомов. В таких условиях «стойка» канала состоит из максимумов и минимумов электрических потенциалов отдельных атомов. В открытом состоянии ионный канал пропускает за 1 мс примерно 1000 ионов натрия. Площадь канала оценивается в 0,15 нм^2, т. е. в нем практически не могут происходить случайные соударения ионов натрия с молекулами воды —мало места для воды. (Диаметр иона натрия примерно 0,1 нм.) Судя по всему, ионы натрия действительно движутся в канале цепочкой, периодически взаимодействуя с максимумами и минимумами потенциального рельефа его стенки. Но ведь при этом ионы натрия будут периодически передавать механические возмущения молекуле рецептора, содержащей изолированные пути — «рычаги», о которых говорилось выше.
Распространяясь по этим путям, возмущения будут взаимодействовать, отражаться, возвращаясь к другим атомам стенки канала. В зависимости от времени задержки возврата, атомы стенки могут облегчать или затруднять следующим ионам прохождение по каналу. Если бы времена задержки были чисто случайными, то всего при нескольких атомах по длине канала вероятность полного открывания, либо полного закрывания канала была бы велика. Но при полностью открытом канале ион натрия может получить очень большую энергию, а при полностью закрытом не пройдет вообще. Поэтому гораздо более реально, что времена задержки возврата возмущений к ионам имеют определенную величину.
В этом случае система ионного канала представляет собой классическую для инженерных устройств схему генератора высокочастотных волн, подобную электронным приборам*) — клистронам, магнетронам и пр. Трансмембранный потенциал сообщает кинетическую энергию потоку ионов. Они движутся вдоль стенки канала, образованной рельефом электрического потенциала атомов молекулы постсинаптического рецептора. Воздействие иона на один из атомов стенки не обязательно передается непосредственно соседнему. Ведь, например, атомы, запирающие канал для ионов, заведомо управляются не соседями, а расположенной далеко от них частью молекулы, на которую воздействует медиатор. Поэтому не только изменение потенциального рельефа стенки канала может иметь характер бегущей волны, но и скорость ее распространения должна при этом зависеть от свойств всей молекулы постсинаптического рецептора, а не только от свойств атомов стенки канала. В таких условиях нет запрета на возможность такого соотношения фазовой скорости волны и скорости движения ионов вдоль канала, при которой ионы будут тормозиться, отдавая энергию механической волне в молекуле постсинаптического рецептора. Кстати, подобный принцип работает в вырожденном случае (как, например, в электронном приборе — клистроне), когда понятно волна относится всего к двум точкам взаимодействия движущихся зарядов и электрического поля.
Ионы создали механическую волну, она распространяется по своим сложным путям в молекуле постсинаптического рецептора, непрерывно получает энергию от движущихся ионов. Теперь в действие вступают атомы на пути распространения этой волны в молекуле постсинаптического рецептора. В частности, как говорилось выше, возможно такое чередование атомов, при котором механическая волна возбуждает электромагнитное излучение. Но частота взаимодействия ионов с атомами стенки непосредственно не связана с частотой излучаемой электромагнитной волны. Последняя определяется только свойствами самой молекулы и составляющих ее атомов. А частота взаимодействия ионов с атомами стенки канала играет роль в определении баланса энергии, подведенной ионами за счет трансмембранного потенциала и ушедшей в виде электромагнитного излучения.
В пользу существования в синапсе таких генераторов говорят еще и соображения о рассеянии тепла при протекании тока деполяризации мембраны. Через полный канал переносится заряд 8 • 10^-15 Кл. Разность потенциалов на мембране около 90 мВ. Время протекания тока 1 мс, а объем канала на основе приведенных выше его размеров около 1 нм^3. Если бы вся энергия выделялась только в самом канале, как джоулево тепло в сопротивлении, то плотность мощности составила бы примерно 5 • 108 Вт/см3. Это нереально много. Если же ионы натрия возбуждают колебания, распространяющиеся по всей молекуле рецептора, а тем более если они отдают свою энергию электромагнитным волнам, то плотность выделения тепла упадет во много миллионов раз и приобретет реальную величину.
На то, чтобы разобраться в работе только одного ацетилхолинового синапса, ушло около 50 лет, но результаты пока еще носят неполный характер. Определены начальные и конечные состояния, участники процессов, но до динамики процессов на уровне высокочастотных колебаний руки ученых еще не дошли. За последние годы положение в биохимии быстро меняется. На смену классическим представлениям о статической органической реакции, когда «ключ входит в замок», приходят экспериментальные данные, показывающие, что без высокочастотных колебаний, сложно распространяющихся в биомолекуле, химических реакций нет. Частоты этих колебании лежат в диапазоне 10^11—10^12 Гц. Измерения колебаний при синаптических реакциях еще не проведены, но это вопрос времени. Сегодня их существование можно считать, достоверным.
Знания о молекуле рецептора весьма ограничены, поэтому оценку частоты электромагнитного излучения в синапсе можно дать только грубо приближенно: пример¬но 10^11—10^13 Гц.
Но несмотря на ограниченность наших знаний возможность излучения электромагнитных волн при передаче нервного импульса через синапс не требует ничего нереального, выходящего за рамки известных, обязательно выполняющихся законов механики и физики. И здесь последние годы приносят результаты. С помощью самой современной аппаратуры показано*), что есть люди, у которых в диапазоне инфракрасных длин волн могут возникать излучения как функция их физического и нервного состояния. Экспериментаторы этому объяснения дать не смогли. Изложенное выше в какой-то степени такое объяснение дает.
Прямое экспериментальное подтверждение существования предсказанного автором в 1983 г. электромагнитного излучения при работе нервной системы появилось в самое последнее время. В Институте биофизики АН СССР*) использовали возможности современной электронной техники для наблюдения за инфракрасным излучением нервной ткани. С помощью обработки сигналов на ЭВМ точность измерений температуры была доведена до 0,03 К.
Для исследований взяли кусочек нервной ткани из области мозга (называемой гиппокамп) семнадцатидневного эмбриона крысы и пересадили его в переднюю камеру глаза взрослой крысы. Расположение трансплантанта в глазе устраняет поглощение инфракрасного излучения при выходе через черепную коробку и кожу, а также позволяет судить о микрораспределении температур. Через 4—5 месяцев прижившийся трансплантант имел размер около 5 мм при толщине 1 мм. Плотность нейронов в нем составляла около 1000 на мм^2. Эксперименты показали достоверное изменение температуры в пределах 0,1 К для локальных участков трансплантанта в функции от его нервной активности. Области разогрева перемещаются по поверхности трансплантанта. Наблюдается вращение разогретых областей вокруг более холодных как реакция на какие-то специфические нервные процессы. Спектральный состав излучения не контролировался, и оно трактуется как чисто тепловое. Термические эффекты за счет пульсаций микрокапиллярного кровообращения от сердца и легких были исключены.
Человек тратит на работу нервной системы первые десятки процентов потребляемой с пищей энергии. Это далеко не малая величина. Но если излучение при работе нервной системы не имеет направленности и равномерно во времени, то все-таки плотность его мощности будет слишком мала для того, чтобы можно было обсуждать возможность участия этого излучения в передаче информации между особями. Обычно интенсивность излучения падает очень быстро — обратно пропорционально квадрату расстояния от источника излучения.
Однако внимательный анализ известных анатомических особенностей строения синапса нервной системы показывает, что если излучение возможно, то оно будет формироваться в импульсы с высокой плотностью мощности и узкой диаграммой направленности. Дело в том, что в физике хорошо известен как теоретически, так я экспериментально эффект коллективного спонтанного излучения: если есть группа излучателей, обладающих инверсной населенностью энергетических уровней, то при определенных условиях их излучение синхронизируется в очень короткий импульс с большой плотностью мощности. В физических экспериментах, не связанных с живым организмом, увеличение плотности мощности при коллективном спонтанном излучении по отношению к обычному процессу может быть колоссальным — и 10^10 раз.
Как было показано выше, постсинаптические рецепторы могут рассматриваться как излучатели с инверсной населенностью энергетических уровней. Плотность расположения рецепторов на постсинаптическон мембране достаточно велика для того, чтобы выполнялось необходимое для коллективного спонтанного излучения условие, требующее, чтобы на размере порядка длины волны излучения располагалось большое число излучателей. В синапсе достаточно достоверно выполняются и другие специфические для коллективного спонтанного процесса условия.
Отличительная особенностью коллективного спонтанного излучения не только высокая плотность мощности. Излучение происходит, как в лазере, т. е. когерентно, и обладает направленностью в пределах угла, образованного поверхностью, имеющей вершину примерно в центре излучающего объема и проходящей через границу торца этого объема в направлении наибольшей его вытянутости. Но толщины, характерные для постсинаптической мембраны,— это десятки нанометров, а протяженности — десятки и сотни микрометров. Излучение, формирующееся в импульс вдоль мембраны, в одном направлении практически обладает лазерной направленностью, а в другом, перпендикулярном первому, обладает направленностью в пределах единиц и десятков градусов.
Поэтому, если излучение электромагнитных волн в синапсе возможно, то плотность мощности его может быть очень велика, лазерного порядка (10^7 Вт/см2 и более), и оно будет направленным. В таких условиях его информационная ценность может быть немалой. Надо еще учитывать, что почему-то, как точно известно из анатомических данных, большие регионы нервных клеток, например мозга, в объемах порядка кубических сантиметров имеют одинаковую ориентацию. Соответственно одинаково ориентированы и группы связанных с ними синапсов. Поэтому микроскопическая направленность излучения может сопровождаться и макроскопической — для групп синапсов. Во всем этом нет ничего выходящего за рамки известных, проверенных экспериментально и теоретически фактов.
§ 5. Что значит принять излучение?
Как было показано в предыдущем параграфе, в рецепторе постсинаптической мембраны должны быть элементы, резонирующие в электромагнитном поле или в квантовых терминах, дискретные уровни энергии. Поэтому рецептор должен интенсивно поглощать излучение на дискретных частотах, с раскачкой тех или иных атомов или их групп.
Как количественно оценить эффективность приема излучения? Для этого можно воспользоваться известными значениями «площади» молекул, ответственной за поглощение излучения. Ее в физике называют сечением поглощения о; в нашем случае σ=10-16 см2. Если плотность падающего излучения I квантов/(см2 • с), то за одну секунду окажутся поглощенными σI квантов, а за время τ, характерное для генерации одного нервного импульса,. στI
Для того чтобы осуществлялся прием излучения, должно выполняться условие
п = στI > 1.
В нашем случае получается, что величина п 10-10^3, откуда максимальная дальность, для которой можно обсуждать вопрос о радиационном влиянии одной нервной системы на другую, может оказаться даже равной 10 -100 м.
Поскольку речь идет об электромагнитном излучении, то его должны экранировать препятствия, оно должно подчиняться законам оптики. Наконец, в приведенных выше оценках могут быть неточности, так как данные используются для ацетилхолинового двигательного синапса, а именно этот синапс эволюционно должен быть наиболее защищен от эффектов радиационного взаимодействия. Но все это ни в коей мере не является запретом на возможность радиационной передачи нервных импульсов, на радиационное влияние нервной системы одного индивидуума на нервную систему другого.
В любом живом организме весьма высоко содержание воды, которая, как известно, для многих диапазонов длин почти непрозрачна. В радиодиапазоне вплоть до миллиметровых волн непрозрачность воды связана с растворенными в ней ионами и вызванной ими проводимостью. В инфракрасном диапазоне ее непрозрачность вызвана поглощением излучения колебаниями самой молекулы воды. Для видимого света вода прозрачна потому, что нет резонансов с колебаниями ее молекул.
В клетках организма нет такой воды, которую наливают в кювету для спектрографических исследований поглощения, так как вода клетки сложно связана с белковыми и другими молекулами. Спектры поглощения у нее должны изменяться. Возникновение при этом дополнительных окон относительной прозрачности весьма вероятно. Поэтому нет категорических запретов на возможность выхода из нервной системы мозга наружу излучения в отмеченном выше инфракрасном диапазоне.
Из изложенного ясно, что физические законы разрешают поглощение в синапсе излучения, которое создано мозгом другом особи. Но как это поглощенное излучение может влиять на работу нервной системы?
Многие знают, что тепловое расширение тел — результат изменении амплитуды .хаотических тепловых колебании атомов в кристаллической решетке, которое превращается в изменение линейного размера тела в силу того, что зависимость энергии взаимодействия атомов между собой в функции расстояния несимметрична. Увеличение амплитуды колебаний приводит к увеличению среднего, нулевого для колебаний расстояния между атомами. Подобный же эффект (но избирательный по атомам и их связям) обязан присутствовать при увеличении амплитуды колебаний атомов в молекуле рецептора за счет поглощения ею излучения. А известно из экспериментов, что чувствительность рецептора к расстояниям между атомами, составляющими его молекулу, очень велика. Сдвиг только одного из атомов в молекуле всего на 0,01 нм, например, полностью блокирует передачу нервного импульса.
Поэтому воздействие излучения на синапс должно привести к активации или торможению обычных процессов воздействия химического медиатора, т. е. радиационное воздействие на синапс аналогично изменению концентрации медиатора, выделяемого при передаче нервного импульса. Под действием излучения избирательно те или иные группы нервных клеток становятся более чувствительными, более подготовленными к обработке обычных, действующих на них нервных сигналов, или наоборот. Иными словами, результат приема излучения — отнюдь не переданная мысль или хотя бы отдельные нервные импульсы, а только активизация или торможение целых регионов нервных клеток. И это происходит независимо от расположения групп клеток в нервной системе, но строго избирательно как по типам синапсов, так и по типам действующих в них медиаторов.
Излучение синапсов при передаче нервных импульсов не только будет воздействовать на другие организмы, но, в первую очередь, окажет влияние на аналогичные синапсы в самом организме. Это влияние будет иметь форму обратной связи, в частности, положительной. Может ли это вызвать дезорганизацию работы нервной системы, а поэтому и эволюционный запрет на возможность излучения?
Для ответа на этот вопрос надо вспомнить то, что говорилось о положительных и отрицательных обратных связях в предыдущих параграфах. Во-первых, в организме множество различных медиаторов, есть различия и в устройстве разных участков нервной системы, даже использующих один и тот же медиатор. Поэтому радиационное самовоздействие обязательно должно локализоваться по видам регионов и групп нервных клеток.
Для нервных клеток положительные обратные связи многократно присутствуют во всех регионах нервной системы. Во всех случаях одновременно с положительными обратными связями работают и запаздывающие во времени отрицательные обратные связи.
В предыдущих параграфах подчеркивалось, что более быстродействующая положительная обратная связь энергетически выгоднее с точки зрения экономичности управления. А радиационное самовзаимодействие может создавать именно быстродействующую положительную обратную связь на фоне обязательно существующих в организме глубоких отрицательных связей. Поэтому самовоздействие при излучении в нервной системе не только вряд ли вызовет дезорганизацию работы нервной системы, но может играть важную роль в системе обратных связей, необходимых для эффективной работы нервной системы.
В восьмой главе этой книги будет рассказано об электронном устройстве, моделирующем один из основных процессов в мозге — распознавание образов на основе обучающего воздействия. Не исключено, что внутреннее влияние электромагнитного излучения на соседние клетки выполняют функции обучающего воздействия для быстрых процессов предварительной обработки информации.
§ 6. Гений на минуту
Отвлекаясь от спорных вопросов передачи мысли на расстояние, рассмотрим, каковы возможности анализа состояний нервных клеток в мозге на основе измерений, производимых приборами, расположенными вне его. Вполне реальны в настоящее время измерения на поверхности головы электрических потенциалов, зависящих от работы мозга, и даже измерение на расстоянии 10—20 м магнитных полей токов в мозге, вызванных этими потенциалами. Это относится к медленно (за десятые, сотые доли секунды) меняющимся электрическим процессам, записи которых, называемые электроэнцефалограммы, широко используются в практической медицине. В частности, фигурирующие в детективных повестях (и фактически применяющиеся в США) «детекторы лжи», используют электроэнцефалограммы*). Одна из причин, по которым на поверхности кожи существуют макроскопические электрические потенциалы, в том, что для больших групп нервных клеток в мозге существует анатомически одинаковая ориентация, в силу которой потенциалы, возникающие при работе каждой из клеток, могут суммироваться.
Можно ли по электроэнцефалограмме восстановить конкретную локализацию активности нервных клеток и их состояния, на основе которой можно было бы обсуждать вопрос о «чтении мыслей»?
Ответ отрицателен. Причина этого в математической теореме, которая утверждает, что задача определения электрических источников по измерениям на поверхности, охватывающей объем, занятый источниками, некорректна, т. е. может иметь решение только в некоторых специфических случаях. Тем более использование электроэнцефалограмм для «чтения мыслей» не имеет смысла обсуждать даже в фантастических романах.
Понятие «мысль» понимается здесь как построения мозга, еще не приведшие к двигательным командам — сигналам для мышц рук, ног, для произнесения слов или для других движений. Речь идет только об абстрактных образах, существующих только в самих нервных клетках мозга. То, что выходит за пределы самого мозга и по «проводам» — аксонам передается к мышцам, можно регистрировать, вводя электроды в сами аксоны — нервы. Эти сигналы конкретны, так как должны управлять теми или иными мышцами. Поэтому можно подключить такие электроды к усилителям и заменить мышцы электрическими моторчиками, управляемыми от усилителей.
Промышленностью выпускаются протезы для инвалидов, потерявших конечности, построенные по таким схемам. Не исключено, что есть люди, способные при прикосновении к руке другого человека воспринимать и интерпретировать электрические двигательные команды в его нервах. Но нас интересует анализ состояний нервных клеток в мозге до того, как они выдали двигательные команды, и именно эти состояния подразумеваются, когда говорится об отгадывании мыслей.
В отличие от медленно изменяющихся потенциалов нервных клеток мозга, связанных с мыслью, излучение ими электромагнитных волн, если оно существует, может анализироваться приборами вне мозга гораздо более полно. Ведь принцип Гюйгенса — Френеля, утверждает, что запись волн на произвольной поверхности, охватывающей источники волн, гарантирует возможность определения точной локализации и свойств источников. По электромагнитному излучению можно определить нейроны-излучатели в мозге, их локализацию. Для медленных потенциалов, для электроэнцефалограммы математика запрещает подобное определение, для излучения такого запрета нет.
Несмотря на это, даже гипотетически, отвлекаясь от всех практических трудностей, «чтение мыслей» остается запрещенным законами природы.
Дело в том, что хотя на сегодняшний день остается неизвестным, как именно мысли, образы детально отображаются в мозге комбинациями состояний отдельных нейронов и их синапсов, достоверно, что в этом существует противоречивое единство двух начал. Одно из них в том, что комбинации состояний нейронов и их синапсов, отмечающие данной мысли или образу, сугубо конкретны. Другое неопровержимо утверждает, что не только у разных людей, но даже у одного индивидуума нет однозначно», предварительно предопределенной локализации состояний нейронов, тождественной при отображении одного и того же.
Как уж неоднократно подчеркивалось, что работа нервной системы существеннейшим образом зависит от распределения по клеткам нервной системы медиаторов — химических веществ, активирующих или тормозящих —в зависимости от их концентрации — процессы передачи импульсов в нервной системе. Извне невозможно переключить отдельные нейроны и их синапсы в новые состояния таким способом, каким вводят информацию в память ЭВМ (по адресам), потому что таких однозначных адресов в мозгу нет. Но по типам медиаторов, которых свыше 30, специализация в мозге есть. Биохимиче¬кий адрес (по виду медиатора) не может относиться к единичному нейрону, не может быть адресом индивидуальной «ячейки памяти», но, воздействуя на медиаторную систему извне, можно глобально (а не локально), минуя органы чувств, вмешиваться в работу нервной системы и мозга. Пожалуй, это единственная возможность воздействия на мозг, минуя органы чувств.
Этим человек пользуется в достаточно грубой форме, например, заваривая для повышения умственной работоспособности крепкий чай или кофе. Китайский лимонник (о котором говорилось в § 2 гл. 2) и ряд других тонизирующих средств действуют более адресно, но тем не менее глобально, в масштабах всего организма. В частности, лимонник стимулирует важнейшую адреналиновую систему, которая в свою очередь сложно управляет соотношением многих гормонов и медиаторов*).
Мозг защищен специальным биохимическим барьером от проникновения в него с током крови многих классов химических соединений. Поэтому возможности биохимического воздействия на него извне весьма невелики и, как правило, связаны с негативными последствиями. В частности, такие последствия вызывают наркотики.
А. Хазен