Текст книги "Я познаю мир. Тайны человека"

Автор книги: Б. Сергеев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 17 страниц)

Главные детали сложного механизма

Нервные клетки головного мозга сильно отличаются от клеток, из которых построены другие органы тела. Во–первых, они очень мелкие и редко достигают одной тысячной доли миллиметра. Во–вторых, они не имеют определенной формы. Одни из них можно было бы назвать шарообразными, другие – яйцевидными, третьи – пирамидальными, если бы их форму не портили отходящие от них отростки. В–третьих, удивительны сами эти отростки. Их много. Большинство из них короткие, сильно ветвятся, и только один из них бывает длинным, и веточки на нем появляются лишь у самого кончика. Короткие отростки называются дендритами. Их длина обычно не превышает размера нервной клетки. Главный длинный отросток называется аксоном. В сравнении с дендритами аксоны – гиганты. У клеток мозга человека их длина колеблется от 0,1 миллиметра до полуметра, а у крупных животных – до метра и больше.

Тело нервной клетки является химическим комбинатом, где вырабатываются все вещества, необходимые для ее жизнедеятельности и для выполнения ею своих функций. Отростки обеспечивают связь между нервными клетками или их связь с органами тела. Главная обязанность нервной клетки заключается в передаче информации другим нервным клеткам или команд мышцам и железам. Нервная клетка посылает сообщения с помощью своего длинного отростка, используя его как проводник. За пределами мозга эти отростки собираются в пучки, образуя нервы.

Чтобы передать сообщение, длинный отросток должен дотянуться до другой нервной клетки, До мышцы или клетки какой–нибудь железы. Большинство нервных клеток получают информацию от такой массы других нервных клеток, что на их крохотных телах просто не хватило бы места для кончиков всех отростков нервных клеток, которые к ним тянутся. Выход из этого положения дают коротенькие отростки. С ними вступают в контакт длинные отростки других нервных клеток. Чем из большего числа нервных клеток состоит мозг, тем богаче его клетки отростками. К каждому маленькому отростку нервных клеток головного мозга человека подходит по нескольку десятков длинных отростков от других нервных клеток. Поэтому каждая нервная клетка имеет возможность получить весь объем предназначенной ей информации.

Отростки нервных клеток даже не касаются друг друга. В очень сильный микроскоп отчетливо видно, что в местах контактов нервных волокон между ними всегда существует щель шириною около 0,0007 миллиметра.

Место контакта между отростками нервных клеток называется синапс. Он состоит из двух частей: на кончике длинного отростка нервной клетки находится бляшка с плоской поверхностью. Именно этой поверхностью бляшка примыкает к телу другой нервной клетки или к ее короткому отростку, на которых в этом месте имеется холмик с плоской вершиной. Таким образом, место контакта нервных клеток, то есть синапс, похож на штепсельную электророзетку со вставленной в нее штепсельной вилкой.

Мозг человека получает информацию от органов чувств. Ученые называют их рецепторами. Внешние рецепторы (к ним относятся зрительные, звуковые, обонятельные, температурные и осязательные) информируют мозг о том, что происходит в окружающем мире. О состоянии дел в самом организме информируют внутренние рецепторы. Они сообщают об изменениях химических реакций в клетках и тканях, о содержании кислорода и углекислого газа в крови, о давлении крови в сосудах, о степени растяжения мышц и сухожилий.

Главным рабочим элементом любого рецептора являются чувствительные клетки. На них возложена задача собирать информацию и передавать ее нервным клеткам. Чувствительные клетки – узкие специалисты и не способны выполнять несвойственную им работу. Светочувствительная клетка, например, не в состоянии сообщить о звуках, запахах или о температуре окружающей среды, а обонятельная или звуковоспринимающая клетка – о световых эффектах.

Каждая чувствительная клетка с помощью своих отростков делится собранной информацией со многими нервными клетками, которые, как правило, находятся где–то рядом. В свою очередь, эти нервные клетки посылают свой длинный отросток в мозг, передавая информацию многим другим нервным клеткам. А те передают информацию дальше. Так от звена к звену передается в мозгу информация чувствительных клеток, пока не достигнет исполнительных нервных клеток и не превратится с их помощью в команды мышцам и железам.

Обзаводимся связями

Почему люди такие разные по своим способностям, наклонностям, уму? Может быть, нервные клетки у одних людей лучше справляются со своими обязанностями, чем у других? Может быть, это связано с различиями в конструкции самого мозга? Действительно, результаты деятельности любой нервной клетки должны зависеть от того, какие связи она сумела установить с другими нервными клетками. Давайте познакомимся с тем, как обзаводятся связями нервные клетки мозга, как растет мозг, как увеличивается количество нервных клеток и как растут их отростки.

Когда–то ученые думали, что в яйцеклетке любых организмов находится крохотная копия или модель будущего взрослого существа, и рост эмбриона, а потом и детеныша, состоит в том, что все детали этой копии равномерно увеличиваются в размерах, пока не достигнут необходимой величины. На самом деле никакой модели организма в яйцеклетке нет. Она сначала делится на две клетки, потом на четыре, и так далее, пока клеток не станет достаточно много. Только тогда они начинают группироваться и образовывать зачатки органов тела – каждый в строго определенный срок. Когда у эмбриона возникнет зачаток мозга, нервные клетки, из которых он состоит, еще не имеет отростков. Они вырастают позже и добираются до тех нервных клеток, которым должны передавать информацию, или покидают мозг и находят необходимый орган, которому будут передавать команды мозга.

Казалось бы, перед учеными стояла неразрешимая задача: как проследить за ростом одного определенного отростка нервной клетки в живом функционирующем мозгу? Решить ее позволили химеры. Не близкие родичи акул, что живут в глубинах океана, и не мифические чудовища, рожденные богатой фантазией древних греков. Этим словом называют животных, которым пересажены какие–либо органы от других существ. Легче всего химерами становятся рыбы и земноводные. Тритону или саламандре можно приживить второй хвост, третий глаз, четыре дополнительных сердца или пятую лапку.

Если у тритона–химеры пятая лапка способна двигаться, значит у нее есть нервы. Гораздо сложнее было выяснить, откуда они взялись. Тщательные подсчеты показали, что число нервных волокон, выходящих из спинного мозга, не меняется. Следовательно, в дополнительную конечность мозг дополнительных нервных волокон не посылает. Оказалось, что каждое нервное волокно, идущее в собственную лапку, дает отросток, который направляется в приживленную конечность. У нормальной североамериканской саламандры – мексиканской амбистомы – в каждую переднюю конечность направляется 900 нервных волокон. Дополнительная передняя лапка получает столько же.

Нервы, врастающие в собственную лапку у еще крохотного эмбриона и в приживленную конечность взрослой саламандры, умеют безошибочно выбирать соответствующие мышечные волокна, которыми они рождены управлять. Выбор взаимный. Если в правую дополнительную лапку вшить левый двигательный нерв, за неимением лучшего мышца его примет, но если теперь подшить сюда правый нерв, то он, действуя сообща с мышцей, изгонит чужой нерв и займет его место.

Аналогичным образом ведут себя чувствительные нервы, по которым информация о состоянии организма передается в мозг. Если у лягушки кусочек кожи со спины пересадить на живот, то, как только ранка заживет, чувствительность в пересаженном участке восг станавливается, и он начинает снабжать информацией мозг. Если теперь на пересаженный участок кожи положить крохотный кусочек промокательной бумаги, смоченный слабым раствором соляной кислоты, лягушка ловким движением задней лапки сбросит его. Однако если опыт повторить через месяц, все изменится. Теперь, вместо того чтобы пошарить у себя на брюшке, где находится промокашка и кислота пощипывает кожу, лягушка с остервенением будет скрести лапкой спину.

Секрет этого поведения прост. В пересаженный на брюшко кусочек кожи спины очень быстро врастают оказавшиеся по соседству веточки кожного брюшного чувствительного нерва. При раздражении кислотой пересаженного кусочка кожи они и передают в мозг соответствующую информацию. Позже волокна кожного чувствительного нерва спины разыщут кусочек пересаженной кожи, врастут в него и вытеснят веточки брюшного нерва. Теперь при раздражении пересаженного кусочка кожи информация о том, что кожа спины подверглась неприятному воздействию, побежит в мозг по спинным кожным нервам. Ведь это действительно кожа спины! А о том, что раздражаемый участок кожи спины перекочевал на живот, мозгу никто сообщить не может. Вот лягушка и шарит лапкой у себя на спине в полной уверенности, что именно отсюда в мозг поступил сигнал бедствия.

Живое электричество

Электричество вошло в жизнь человека благодаря животным. С электрическими явлениями древние египтяне были знакомы еще четыре с половиной тысячи лет назад. Об этом свидетельствует надгробный памятник в Соккаре, на котором изображен электрический сом, живущий в верховьях Нила.

В Европе с электричеством познакомились благодаря наблюдениям Фалеса Милетского еще за 600 лет до нашей эры. Он обнаружил, что кусочек янтаря, если его потереть, приобретает способность притягивать, а затем и отталкивать разные мелкие предметы.

Больше двух тысячелетий этот факт не привлекал особого внимания, пока Уильяму Джильберту не пришло в голову потереть кусочек стекла, сургуча, серы и других веществ. Кстати, это он придумал слово «электричество», от греческого «электрон», что значит «янтарь».

Однако всерьез за изучение электричества взялись благодаря сеньоре Гальвани, жене болонского профессора анатомии, которой приходилось самой ходить в мясную лавку. Там продавалась не только говядина, но и такие деликатесы, как лягушачьи окорочка.

Рассказывают, что именно лягушачьи лапки, развешенные гроздьями на медных крючках, прикрепленных к железным перекладинам, поразили воображение сеньоры Гальвани. К ее ужасу, отрезанная лапка лягушки, касаясь железа, дергалась, точно живая. Утверждают, что сеньора так надоела мужу рассказами о напугавших ее явлениях, которые она объясняла тем, что мясник связался с нечистой силой, что профессор решил сам пойти в лавку и выяснить, что там происходит.

Луиджи Гальвани знал о проведенных лет за 30 до того наблюдениях, показавших, что мышцы человеческого трупа сокращаются, когда получают разряд лейденской банки. Естественно, что Гальвани объяснил подергивание лягушачьих лапок в лавке мясника влиянием разрядов атмосферного электричества. Чтобы успокоить жену, ученый решил провести наблюдения за лягушками у себя дома. Опыт, поставленный в одну из грозовых ночей, блестяще удался: лапки мертвой лягушки, подвешенной на медном крючке к решетке балкона, время от времени дергались, как живые.

Ни гроза, ни нечистая сила к сокращению мышц никакого отношения, конечно, не имели. Видимо, ветер раскачивал тушку, а когда она касалась чугунной балюстрады, замыкалась цепь между железом и медью, и электрический ток, возникающий в цепи разнородных металлов, как и полагается в таких случаях, вызывал сокращения мышц. Понять это сумел лишь Алессандро Вольта, что ничуть не умаляет заслуг Гальвани.

Он занимался опытами с электричеством до конца своей жизни. И дальнейшие исследования окончательно убедили его в самой тесной связи жизни и электричества, в зависимости всех жизненных проявлений организма от электрической силы. Он убедился, что электричество берется не из атмосферы. Но где же оно возникает: между медью и железом, как предполагал Вольта, или в самой лягушке? Гальвани не мог поверить, что явление, так тесно связанное с жизнью, могло само по себе возникать в неодушевленных предметах. В конце концов он сумел доказать, что электричество действительно может возникать в организме.

Форма опыта была проста. Нерв одной лягушачьей лапки отрезали и сгибали в дугу. Нерв второй лапки отделяли вместе с мышцей и накладывали на первый так, чтобы касаться его в двух местах: у места перерезки и где–нибудь в неповрежденной части. В момент соприкосновений нервов мышца сокращалась. Существование животного электричества было доказано.

В десятках лабораторий эти опыты повторили. Ими занимались биологи, физики, математики, врачи. Из удобного объекта для биологических опытов лягушка в руках физиков очень скоро превратилась в удобный источник тока и в наичувствительнейший измерительный прибор. Неудивительно, что, получив такой универсальный прибор, имея постоянно дело с живым электричеством, физики привыкли именно его считать истинным, а возникновение электричества в цепи разнородных металлов воспринимали как явление парадоксальное. Недаром Вольта, создав гальваническую батарею, назвал ее искусственным электрическим органом.

Шифр и словарь

Если в Петербурге выйти на набережную Невы и встать лицом к Зимнему дворцу, то в самой правой части здания над крышей и затейливой балюстрадой можно увидеть небольшую башенку, по виду нечто среднее между звонницей маленькой часовни и наблюдательной будкой поста противовоздушной обороны, каких немало построили в городе в годы войны. Во времена Пушкина она называлась телеграфным домиком. В те годы по всей стране была размещена сеть наблюдательных постов. Сообщение с невиданной по тем временам скоростью передавалось от наблюдателя к наблюдателю вспышками солнечных зайчиков или небольших прожекторов. Солнечному телеграфу потребовалось немногим больше 4 часов, чтобы принести в столицу Российской империи весть из ..Варшавы о начавшемся польском восстании.

Сообщения светотелеграфа были зашифрованы с помощью различных комбинаций световых вспышек. С аналогичной задачей – необходимостью придумать шифр или алфавит для своих сообщений – столкнулись нервные клетки. Клетки–информаторы – узкие специалисты. Каждая чувствительная клетка реагирует на что–то одно: чувствительные клетки глаза реагируют на свет, слуховые клетки – на звук, вернее, на колебания барабанной перепонки, вкусовые клетки – на химический состав пищи и других веществ, оказавшихся во рту. Мало того, и вкусовая, и слуховая клетки реагируют не на все звуки и не на все виды пищи. Поэтому нервной клетке, получающей информацию непосредственно от чувствительной, нет необходимости объяснять, о чем ей сообщают. Если она получила сигнал от вкусовой клетки, настроенной на восприятие сладкого, значит, во рту оказалось что–то сладковатое, а если от клетки, чувствительной к соленому, – значит, во рту что–то соленое. Если нервная клетка получила сигнал от слуховой клетки, настроенной на восприятие самых высоких звуков, ей ясно, что где–то возник звук с частотой 20 килогерц (20.000 колебаний в секунду). Таким образом, чувствительная клетка сообщает в мозг только о том, что она возбуждена, так как обнаружила то, на восприятие чего она настроена, а он, зная, кто направил ему информацию, прекрасно понимает, что могло вызвать возбуждение данной чувствительной клетки.

Снабжая мозг информацией, чувствительные и нервные клетки передают ее с помощью совершенно одинаковых нервных импульсов. О силе раздражителей, возбудивших чувствительную клетку, мозг судит по их частоте. Чем сильнее раздражитель, тем чаще чувствительная клетка производит нервные импульсы.

Рецепторные клетки пальцев рук способны почувствовать прикосновение, если сила давления на них не меньше, чем 0,5 грамма. Поэтому, пока давление не превышает 0,5 грамма, нервная клетка импульсов не генерирует, но стоит ему возрасти до 0,6 грамма, начинает производить 1–3 импульса в 1 секунду.

При увеличении давления до 4– граммов частота импульсации чувствительной клетки достигнет 14–15 импульсов за 1 секунду. Наконец, при давлении, равном 13 граммам, число импульсов нервной клетки возрастет до 30–40 за 1 секунду.

Чувствительные клетки многих органов чувств производят нервные импульсы, даже когда не испытывают никаких воздействий. Если чувствительная клетка, настроенная на восприятие горького, посылает в мозг всего 3–5 импульсов в секунду, это означает, что она бодрствует, находится в нормальном рабочем состоянии, но ничего горького не ощущает.

От некоторых чувствительных клеток, например от воспринимающих температуру, поток информации ни на секунду не прерывается. Они, как и термометр, висящий за стеклом вашего окна, должны реагировать не только на повышение температуры, но и на ее падение.

Посредник

Когда ученые поняли, как функционирует нервная клетка, перед ними возникла задача выяснить, как им удается понять друг друга.

Если бы отростки нервных клеток касались друг друга, можно было бы считать, что биоэлектрический импульс, дойдя до места, где отросток одной нервной клетки соприкасается с отростком или телом другой нервной клетки, легко распространится на них. Теперь ученым известно, что такой путь перехода возбуждения с одной нервной клетки на другую действительно существует у примитивных животных. Однако у человека дело обстоит, значительно сложней.

Выведать механизм общения нервных клеток, как ни странно, помогли американский индейцы. Захват и разграбление великих индейских империй, осуществленный жадными до наживы конкистадорами Эрнаном Кортесом и Франсиско Писарро, протекал бы значительно быстрей, если бы у индейцев не было их страшного смертоносного оружия – отравленных ядом стрел. Крохотной царапины, сделанной отравленной стрелой, оказывалось достаточно, чтобы убить человека или лошадь.

Стрельный яд, которым пользовались индейцы, называется кураре. Его лолучают из коры, корней и молодых побегов ядовитых тропических растений. Им и смазывались наконечники боевых стрел. Через некоторое время сироп твердел, и стрела была готова к употреблению.

Действие яда сказывалось быстро. Сначала наступал паралич шейной мускулатуры, потом отказывали конечности. Несколькими минутами позже прекращалась' работа дыхательной мускулатуры, и раненый умирал от удушья.

Первым над загадкой яда задумался выдающийся французский физиолог Клод Бернар. Он был удивлен, обнаружив, что у только что погибших от кураре животных раздражение нервов электрическим током не вызывает сокращения мышц.

Это казалось чрезвычайно странным, так как обычно мышца, иссеченная вместе с нервом из тела убитого животного, длительное время способна отвечать сокращением на его раздражение.

Тщательно изучив это явление, ученый с удивлением убедился в том, что у отравленного ядом кураре животного мышцы не теряли способности сокращаться, а нервы – проводить возбуждение, то есть передавать распоряжения нервных клеток. Почему же нервный импульс, добежав до вполне полноценной, способной к сокращению мышцы, тем не менее, не вызывает ее сокращения? Это могло означать только одно: распоряжения нервных клеток, посылаемые мышцам, почему–то до них не доходят, видимо, застревая в синапсе, в месте, где нервное волокно касается мышцы.

Клоду Бернару ничего достоверного выяснить не удалось, но он высказал догадку, которая впоследствии получила полное подтверждение, что нервные волокна, чтобы передать распоряжения мышцам, издают для них хймические приказы. Иными словами, кончики отростков нервных клеток выделяют какое–то вещество, которое, попав на мышцу, вызывает ее сокращение.

«Замок» и «ключ»

Если нервные клетки общаются между собою с помощью химических веществ, это значит, что им действительно нет никакой необходимости непосредственно касаться друг друга, но они должны иметь фабрики для производства этих веществ. Действительно, когда появились сильные микроскопы, удалось увидеть, что на кончиках нервных отростков находятся как бы пуговки, а на соседнем нервном волокне, к которому примыкает «пуговка», – утолщенная площадка, но между «пуговкой» и площадкой имеется щель.

Синтез сложных молекул возможен лишь в теле нервной клетки, так как для этого требуется участие клеточного ядра. Здесь и находится фабрика, вырабатывающая вещества–посредники. Отсюда ее продукция течет по шлангам длинных отростков нервных клеток, добирается до самых удаленных их окончаний, где используется большая часть доставляемых сюда веществ.

Еще лет тридцать назад никому и в голову не приходило, что древние греки были правы, предположив, что нервы представляют собою трубопроводы. В это особенно трудно поверить, зная, что в каждом нерве находится пучок тонюсеньких отростков нервных клеток. И все–таки именно эти отростки используются как совершенно фантастические трубы.

До сих пор не понятно, как нервной клетке удается по такой тонюсенькой трубочке переправлять грузы одновременно в обоих направлениях, от тела клеток к кончикам их отростков и от отростков к телам клеток, да еще с различной скоростью. Фактически в каждом отростке нервных клеток действуют три самостоятельные транспортные системы. Медленная гонит все необходимые нервному отростку вещества для обеспечения его собственной жизнедеятельности со скоростью один миллиметр в сутки. Быстрая транспортная система переносит грузы в обоих направлениях, обеспечивая огромную скорость перевозок – от 10 до 20 сантиметров в сутки. Она снабжает нервные окончания деталями, из которых здесь, на месте, собираются молекулы вещества–посредника. В обратную сторону переправляется «утильсырье» – отходы этого производства.

На «складах готовой продукции» – образцовый порядок. Молекулы вещества–посредника пакуются в крохотные пузырьки. Так они лучше сохраняются. В окончании нервного волокна могут скопиться тысячи таких пузырьков, в которых содержится от 10 до 100 тысяч молекул вещества–посредника. Чтобы передать сообщение, кончик нервного волокна должен открыть двери в собственной оболочке и выпустить в щель, отделяющую его от соседнего нервного волокна, пузырьки с «ключами».

В мозгу нет приспособлений, которые бы помогли «ключам» попасть в «замочные скважины». «Ключи» – молекулы посредника – предоставлены здесь самим себе, и лишь немногие из них случайно находят «замок», остальные очень скоро бывают разрушены. Вот почему «ключей» должно быть очень много. Однако щель не широка, и «ключи» быстро достигают ее противоположной стенки. Все же на это уходит гораздо больше времени, чем на движение возбуждения по нервному волокну.

«Замок» представляет собой крупную белковую молекулу, вмонтированную в оболочку нервного волокна. На поверхность выглядывает лишь ее небольшая часть – участок, несущий электрический заряд. Форма «ключа» и «замка» таковы, что они, сложенные надлежащим образом, образуют единое целое и благодаря электрическим зарядам крепко удерживаются друг возле друга.

Молекулы вещества–посредника, соединяясь с белковой молекулой «замка», заставляют последнюю изменить свою форму. При этом в оболочке волокна открывается пора, позволяющая веществам, обычно находящимся в межклеточном пространстве, проникнуть в нервное волокно или вылиться из него наружу. В зависимости от того, для каких веществ «ключи» отпирают «двери» и в каком направлении движутся эти вещества, нервная клетка возбуждается или, напротив, затормаживается.

Сейчас известно несколько десятков веществ, которые, по–видимому, используются мозгом для передачи информации от одной нервной клетки к другой. Зачем понадобилась мозгу такая уйма посредников? Кроме того, жидкость, содержащая вещество–посредник, способна затечь куда угодно и кроме тех нервных клеток, для которых предназначена эта порция посредника, возбудить массу других нервных клеток. Чтобы этого не происходило, для каждой группы клеток должны предназначаться строго определенные «ключи».