Искры из глаз

Иногда говорят: удар был так силен, что искры посыпались из глаз. Действительно, удар по лицу, подзатыльник и вообще удар по голове вызывает у пострадавшего зрительные ощущения: похоже, что хотя и не из глаз, но в непосредственной близости от них вылетает россыпь бенгальских огней. К сожалению, сторонний наблюдатель не в состоянии насладиться этим ослепительным зрелищем, а потерпевшему и вовсе не до того.

Аналогичный эффект можно вызвать и более деликатным способом, путем точечного раздражения электрическим током затылочных областей коры больших полушарий. Человек, некоторое время находившийся в темноте, или больной, потерявший зрение, видит вспыхнувшую в черном бездонном небе одинокую звезду, световое пятно или реже небольшую светящуюся полоску. Описанное явление носит название фосфена. Выходит, что мозг может видеть, не прибегая к помощи глаз. Значит, можно сделать попытку вернуть зрение лицам, потерявшим его в результате болезни глаз.

В Западной Германии 15 лет назад слепому вживили в затылочную область мозга 4 стальные проволочки. От 4 фотоэлементов на каждый электрод подавался электрический ток, усиливаемый специальным устройством. Водя вокруг себя батарейкой фотоэлементов, больной мог найти источник света: настольную лампу, зажженный карманный фонарик.

Четырех световоспринимающих элементов недостаточно, чтобы восполнить потерю глаз. Даже у мухи их неизмеримо больше. Человеческий глаз воспринимает зрительное изображение с помощью 7 миллионов колбочек и 130 миллионов палочек и передает в мозг по 900 тысячам нервных волокон.

В настоящее время искусственный глаз представляется следующим образом. Во-первых, нужна миниатюрная матрица световоспринимающих элементов и объектив, фокусирующий изображение. Во-вторых, – устройство, преобразующее оптическую информацию в электрический стимул. И наконец, в-третьих, – сложный, многоячеистый электрод, накладываемый на мозг для его раздражения.

Трудней всего создать среднее звено. Это должен быть крохотный, умещающийся под шляпой компьютер для преобразования информации фотоэлементов и подгонку ее под параметры мозга.

Геометрия раздражения мозга может не соответствовать геометрии возникающих ощущений. Машина должна разобраться в этом, держать в памяти сведения о местоположении фосфенов и преобразовывать соответствующим образом сигналы фотоэлементов.

Под разными электродами будут возникать фосфены неодинаковой яркости. Компьютер должен запомнить чувствительность каждого участка мозга и соответствующим образом регулировать раздражение, чтобы его яркость точно соответствовала яркости изображения.

Наконец, чтобы возник фосфен, нужно одиночные импульсы фотоэлементов многократно повторять с частотой до 100 раз в секунду.

На пути искусственного глаза стоят огромные трудности. На человеке нельзя экспериментировать, а у животного не спросишь, видит ли оно фосфен и каков он. У медиков нет уверенности, что постоянная стимуляция мозга окажется безвредной для человека, и никто из хирургов не решится надолго оставить толстый пучок электродов в мозгу больного.

В силу огромной сложности и значительного риска искусственный глаз опробован лишь дважды. В первом случае в мозг ввели 80 электродов, из них 40 оказались способными вызывать фосфен. За 4 года из-за поломки большинство электродов перестали вызывать эффект, а оставшихся было недостаточно для моделирования зрения.

Вторым пациентом стал мужчина 60 лет, лишенный зрения на протяжении 30 лет. Ему вживили 75 электродов, 68 из них смогло работать. К сожалению, размер возникающих фосфенов был невелик. Они занимали в поле зрения площадь порядка 1 градуса. Для мозга не прошло бесследно длительное отсутствие зрительных впечатлений. С помощью искусственного глаза больной мог без труда опознавать простые зрительные изображения, однако, ощупывая рукой, он это делал быстрее.

Глазной протез позволял видеть только относительно крупные изображения, так как его разрешающая способность в 2 тысячи раз меньше человеческого глаза. Все-таки, хотя и подслеповатые, искусственные глаза смогут вернуть больному настоящее зрение, когда ученые сумеют вживлять в мозг раз в 100 больше электродов, чем было сделано в первых пробах. Проблема протезирования зрения кажется в настоящее время принципиально возможной.

Информация звуковых волн

Народная поговорка гласит: не каждому слуху верь. И не веришь! Мы живем в хаосе звуков, но на многие ли из них обращаем внимание?

Задача органа слуха – определить, что служит источником звуковых волн и какими свойствами он обладает: неподвижен ли, а если движется, то куда, с какой скоростью. Вся информация должна быть получена (можно сказать, высосана из пальца) путем анализа упругих волн, распространяющихся в воздухе, воде или в твердых телах (земле, древесине и т.д.).

Работа слухового анализатора человека не менее сложна, чем зрительного. Он обязан уметь оперативно разобраться в длинном потоке сложных звуковых колебаний, каким является наша обыденная речь. Животные также обладают довольно изощренным слухом. Малые африканские фламинго узнают по голосу своего ребятенка среди 50–100 тысяч таких же малышей, дожидающихся возвращения родителей.

Когда на нашей планете зарождалась жизнь, не было источников звука, способных передвигаться быстрее, чем распространялись звуковые волны. В этом и состояла огромная ценность звуковой информации. Она давала возможность заблаговременно получить достоверные сведения о существах, находящихся еще далеко. Значительно раньше, чем состоится личная встреча.

Периферический рецептор, воспринимающий звуковые волны, если описать его очень упрощенно (он расположен во внутреннем ухе), представляет собой миниатюрную арфу, с постепенно меняющейся длиной струн. Каждая струна отзывается, то есть начинает колебаться (и возбуждает соответствующую нервную клетку), лишь в ответ на звуковые волны определенной частоты в строгом соответствии со своей длиной.

У мозгового отдела слухового анализатора много общего со зрительным. На различных этажах мозга есть экранные структуры, в которых можно найти проекцию арфы – кохлеарного аппарата улитки. Поэтому высокие и низкие звуки анализируются в противоположных концах экрана. Только в коре каждого полушария не менее четырех проекций. На каждые 2 миллиметра проекции частота звуковых волн меняется на 1 октаву.

В слуховой системе долго не могли найти детекторов. Возможно, не то искали. Одним из первых был обнаружен детектор перемещения в пространстве. Он реагирует только на уменьшение интервала между звуками, приходящими в левое и правое ухо. Если мимо животного движется объект, производящий звуки, то пока он находится далеко слева, звуки в левое ухо приходят раньше, чем в правое. Постепенно этот интервал будет все короче и короче, пока звучащий объект не начнет удаляться вправо. Детектор, воспринимающий увеличение интервала между звуками, пока не обнаружен.

Детекторов расстояния известно три. Они реагируют на изменение интенсивности звуков. Для одних нейронов безразлично, усиливаются звуки или ослабевают. Видимо, этот детектор сторожевой. Он сообщает мозгу, что где-то недалеко находится зверь, который перемещается в пространстве.

Его сигналы вызывают настораживание остальных детекторов расстояния. Часть из них отвечает только на усиление звуков, то есть реагирует на приближение другого существа и прекращает импульсацию, как только оно начнет удаляться и звуки станут ослабевать. Другие воспринимают удаление звучащего существа, отвечая усилением электрических разрядов лишь на ослабление звуков.

В коре больших полушарий были обнаружены нейроны, реагирующие только на тоны строго определенной частоты, и три типа нейронов, откликающиеся на звуки с меняющейся частотой. Два – при изменении частоты только в каком-то одном направлении (возрастание или уменьшение), третий – в любом случае, лишь бы частота менялась.

Весьма загадочна функция «нейронов внимания». Они реагируют на звуки только в том случае, если животное рассматривает звучащий предмет. Может быть, их участие необходимо, когда животное должно выяснить и запомнить, что представляет собой объект, издающий новый, незнакомый звук. Возможно, это нейроны-скептики, не считающие достоверными и не обращающие внимания на те звуки, источник которых им неизвестен.

У насекомых детекторы звуков часто носят служебный характер, тотчас запуская специальные реакции животного (без предварительного обсуждения воспринятой информации мозгом). Так работает у ночных бабочек детектор обнаружения летучей мыши. Он воспринимает только ультразвуки. Если локационный луч охотящейся летучей мыши упрется в летящее насекомое, детекторы обнаружения, находящиеся в крыльях, мгновенно посылают команду мышцам, крылья складываются, и бабочка падает в траву.

Нелегко понять особенности звукового восприятия. Стрекотание сверчка – это приглашение самке явиться на свидание. Конечно, самец должен петь по правилам, чтобы самка узнала самца. От общения с иноплеменным потомства не будет.

Между тем песня некоторых сверчков весьма непостоянна. Иногда певец выдает длинные однообразные рулады, разделенные большими паузами: ч-ч-ч-ч-ч-ч – пауза, ч-ч-ч-ч-ч-ч – пауза. Длина рулад и пауз всегда постоянна. Иногда вместо сплошных рулад слышно несколько чирканий, разделенных паузой: чик-чик-чик-чик – пауза, чик-чик-чик-чик – пауза. Наконец, певец может просто долго-долго чиркать, не делая пауз: чик-чик-чик-чик-чик-чик-чик… На любую песню самка спешит к самцу. Что ее привлекает?

С помощью магнитофона исследователи записали все три песни и проиграли их для самки по отдельности. Выяснилось, что сплошные чирканья оставляют самку совершенно равнодушной, зато песнь, разделенная паузами определенного размера, ее привлекала. Значит, размер паузы является удостоверением личности самца, подтверждающим принадлежность к определенному виду. Затем сравнили степень привлекательности сплошных рулад и состоящих из отдельных чирканий, разделенных одинаковыми паузами. Когда обе песни звучали одновременно, справа и слева, самки, не задумываясь, поворачивали в ту сторону, откуда неслись чирканья. Именно чирканья служат призывом к встрече. Оказалось, что сплошные рулады тоже привлекают самок, но только в том случае, если сначала была разделенная паузами песня. Значит, детектор, определяющий величину паузы, запускает работу второго.

Изучение звуковых реакций животных и детекторов, воспринимающих звуки, еще только начинается и сулит нам немало интересных находок.

Криминальная история

Чем должны пахнуть духи, толком никто не знает. Кроме духов «Нарцисс», «Красный мак», «Белая сирень», «Серебристый ландыш», которым парфюмеры стремились придать естественный запах, наша промышленность выпускает немало духов с удивительными названиями: «Белая ночь», «Красная Москва», «Кармен», «Лель», «Дон Жуан», когда-то продавались духи «Джамбул».

В обыденной жизни мы не замечаем, что постоянно пользуемся обонянием. Оно кажется лишним, необязательным и по сравнению со зрением, слухом и кожной чувствительностью не приносящим нам никакой пользы. Но случись у нас насморк, на несколько дней снизивший обоняние, и пища сразу делается невкусной. Еще страшнее посторонний запах, даже приятный. Прилейте в щи того же «Леля», или «Дон Жуана» и попробуйте их преодолеть.

В помещении, где царит неприятный запах, никакая пища в рот не пойдет. То же самое относится к вкусовым ощущениям. Большинство людей с трудом привыкают к пище, имеющей непривычный вкус. Обоняние и вкус, хотя и не относятся к ведущим человеческим анализаторам, держат нас под башмаком. Неприятный запах – сильнодействующее средство, одинаково нестерпимое и для человека, и для животных. Провинившихся собак я наказываю флаконом духов. Вполне достаточно показать его издалека. Сильнее наказания для собаки не бывает.

Есть животное, главное оружие которого нестерпимо отвратительный запах. Его обладатель скунс чувствует себя в полной безопасности. Медведь и ядовитая змея, человек и собака – все спешат уступить ему дорогу. Случись кому зазеваться – зверек поднимет хвост и прыснет зловонной гадостью. Пострадавший запомнит знакомство со скунсом на всю жизнь.

Обоняние и вкус – химические лаборатории организма. Их работа загадочна. Неизвестен даже принцип опознания пахучих и вкусовых веществ. Ясно одно: восприятие запаха не связано с химическими превращениями молекул, так как оптические изомеры всегда пахнут одинаково.

Оптическими изомерами называются вещества, состоящие из одинаковых атомов, одинаковым образом соединенных, но расположенных зеркально друг к другу. Как порядок расположения пяти пальцев на пясти руки делает ее правой или левой, так и порядок присоединения четырех различных атомов к углероду делает молекулу правым или левым изомером. Изомерные молекулы химически во всем равны друг другу, одинаково хорошо участвуя в реакциях, пока дело не коснется такой же асимметричной молекулы. Исход встречи будет зависеть от того, одинакова или противоположна их конфигурация.

Все живые организмы синтезируют и используют лишь один какой-то изомер. Другой, непривычный, искусственно введенный в пищу, усваиваться не будет. Большинство органических веществ биологического происхождения, в том числе ферменты, являются оптическими изомерами и способны взаимодействовать только с одним из оптических изомеров. Поэтому, если бы обоняние было химическим процессом, только один из оптических изомеров обладал бы запахом. В лучшем случае запахи правого и левого изомеров резко различались. Между тем все опробованные пары оптических изомеров пахнут совершенно идентично. Значит, механизм обоняния иной.

Сравнительно недавно наиболее правильной считалась колебательная теория запаха. Ее сторонники предполагали, что колебания молекул пахучих веществ вызывают резонансные колебания в молекулах рецепторных клеток, возбуждая их.

Противники теории находили в ней немало слабых мест. Вещества могут резко отличаться по химическому составу и частоте колебаний, а запах иметь сходный. Если бы колебательная теория обоняния была бы верна, и мы и животные переставали бы ощущать запахи при температуре окружающего воздуха, равной температуре тела. На самом деле никакого ослабления обоняния в жаркую погоду не происходит.

В результате колебательных движений атомов и молекул или ритмических изменений формы молекул, несущих на себе электрические заряды, возникают электромагнитные волны. Появилось предположение, что именно их и воспринимает орган обоняния. В этом случае при достаточной чувствительности обонятельных рецепторов нет необходимости, чтобы сама молекула пахучего вещества попадала в обонятельную полость. Достаточно проникновения туда электромагнитных волн, для которых ткани носа не преграда. С помощью этой теории пытались объяснить способность насекомых улавливать запах на огромном расстоянии от источника пахучего вещества.

Электромагнитная теория несостоятельна. Ее возникновение – чистое недоразумение. Она противоречит физическим законам возникновения и распространения электромагнитных колебаний.

Большой популярностью пользуется теория замочной скважины и ключа. Она предполагает, что запах вещества непосредственно не связан с химическими особенностями атомов, из которых состоят пахучие вещества, а зависит исключительно от размеров и формы молекулы, от распределения на ней электрических зарядов или особых функциональных групп. Ими могут быть гидроксильная – ОН; альдегидная – ; изотиоцианатная – N–С–S и др.

Подобно тому как все мыслимые оттенки цвета могут быть получены из семи основных цветов, так и запахи могут быть составлены из 7–14 первичных запахов: камфорного, мускусного, цветочного, мятного, эфирного, едкого и гнилостного.

Камфорным запахом обладают шаровидные молекулы с диаметром 7 ангстрем. Так как упаковка атомов в молекулах может иметь различную плотность, камфорным запахом обладают вещества с небольшим атомным весом, вроде гексахлорэтана, его формула C₂Cl₆, и состоящие из 15–25 атомов вроде циклооктана – C₈H₁₆ и дихлорэтиламида тиофосфорной кислоты – C₂H₆NCl₂SP. Сама камфора имеет формулу C₁₀H₁₆O.

Молекулы веществ с мускусным запахом имеют вид плоского диска диаметром 10 ангстрем. У молекул с цветочными запахами – дискообразная головка диаметром 9 ангстрем – с хвостиком толщиной около и длиной в 7–8 ангстрем, слегка поджатым, как у провинившейся собаки. Поэтому углубление для хвостика должно быть значительнее, чем для головки.

Замочная скважина для веществ с эфирным запахом имеет продолговатую форму. Ее ширина всего 5, глубина 4, а длина достигает 17 ангстрем. Предполагается, что крупные молекулы, имеющие эфирный запах, полностью заполняют скважину, а маленькие укладываются туда по две.

Едкий и гнилостный запахи свойственны очень маленьким молекулам, имеющим положительный (едкие) и отрицательный (гнилостный) заряд. Ключи по форме и размеру должны соответствовать замочной скважине, слишком маленький ключ вывалится раньше, чем клетка почувствует его присутствие, а чересчур большой вообще в нее не попадет.

В молекуле пахучего вещества важно местонахождение заряда или функциональной группы. Они должны лечь точно на соответствующее устройство замочной скважины. От этого зависит запах.

Молекула, состоявшая из 11 атомов углерода, 22 атомов водорода и одного атома кислорода

пахнет рутой (рута – травянистое или полукустарниковое растение, в диком виде растет в Крыму по каменистым склонам гор). Присмотревшись к ней, нетрудно заметить, что 10 атомов углерода, как богатыри дядьки Черномора, равны между собой и только один второй слева, к которому двойной валентной связью крепится кислород, выделяется из их стройного ряда. Этот углерод нетрудно переместить на третье, четвертое, пятое или шестое места. Что же при этом произойдет с запахом?

Оказывается, при перемещении группы СО к центру молекулы запах руты постепенно убывает и возникает фруктовый запах. Видимо, существуют разные замочные скважины для молекул с кислородом, находящимся в конце и в середине цепочки атомов.

Известно несколько веществ с общей для всех кольцеобразной формой молекулы и индивидуальным коротеньким хвостиком из различных атомов. Они имеют одинаковую конфигурацию, размер и обладают запахом миндаля. Замена в циклической части одного из атомов водорода соединением – ОСН₂ изменяет его запах на ванильный.

Молекулы многих веществ, строго сохраняя свое химическое строение, могут иметь различную конфигурацию. Две резко различные формы присущи молекулам, состоящим из 6 атомов углерода, 10 атомов водорода и одного атома кислорода. Упрощенно их можно передать следующим образом:

Их запах не имеет ничего общего.

Сложный запах может создаваться при одновременном действии нескольких различных молекул или благодаря тому, что молекула пахучего вещества действует одновременно разными своими частями на несколько рецептивных участков чувствительной клетки. Крупные молекулы могут одновременно дотягиваться до двух замочных скважин. Мелкие занимают первую попавшуюся.

Вещества с простым запахом, сколько их ни разбавляй, запах не меняют. Иначе ведут себя вещества со сложными запахами. Очень концентрированные и очень разведенные растворы могут пахнуть по-разному. Концентрированная смесь веществ, из которой приготовляют духи «Белая сирень», имеет запах, неприятный для человека, и совершенно не напоминает сирень. Объясняется это явление просто. Пахучие вещества обычно содержатся в весьма различных концентрациях. При сильном разведении запахи одних веществ раньше перестают восприниматься, тогда как других будет еще достаточно для того, чтобы пахнуть.

Эта теория хорошо объясняет большинство особенностей обоняния. Например, привыкание к запахам. Вероятно, чувствительная клетка возбуждается только в момент введения ключа в замочную скважину, а затем быстро успокаивается. Поэтому мы ощущаем запахи только в момент первого соприкосновения с пахучими веществами или когда запах усиливается.

Гамма вкусовых ощущений также создается путем сочетания простых компонентов. Их гораздо меньше, чем обонятельных. Для человека называют 4: сладкое, соленое, кислое, горькое. Есть животные, способные почувствовать вкус только одного-двух элементов.

У синей мухи вкусовые рецепторы находятся на покрытом волосками хоботке. В основании каждого волоска три чувствительные клетки. Удалось выяснить, что две из них анализируют вкус, третья служит осязательным рецептором. В микроскоп видно, что одна из обонятельных клеток похожа на букву S, другая имеет форму запятой. Надев на волосок тончайшую капиллярную трубочку, заполненную исследуемым веществом, и отводя биопотенциалы от нервных волокон, ученые подслушали, какие сообщения посылают рецепторы крохотному мушиному мозгу. Оказалось, что S-образная клетка реагирует только на сахар, а вторая – на такие вещества, как соль, кислоты, алкоголь, но ни при каких условиях не отвечает на сахар.

Сахарные рецепторы всех волосков хоботка посылают сигналы в пищевой центр и запускают его работу. Синяя муха питается сахарами. Остальные вещества, возбуждая второй вкусовой рецептор, затормаживают пищевой центр. Что попало муха есть не будет.

Вкусовые рецепторы мухи реагируют не на химическую природу, а на размер и форму молекул. Такое предположение позволили сделать специальные опыты. Синюю муху кормили четырьмя различными веществами, состоящими из одних и тех же атомов, но соединенных по-разному. Запятаяобразный рецептор возбуждался тремя из этих веществ, S-образный – четвертым.

Вкус позвоночных, возможно, действует по химическому способу. Ученые исследовали белки участка языка коровы, который более всего чувствителен к сладкому. Они обнаружили особый белок, легко взаимодействующий и с естественным, и с синтетическим сахаром – с молекулами, обладающими сходными структурами. Специальная комиссия дегустаторов определила, какой состав является более сладким. Выяснилось, что чем сильнее химическая связь между белком и сахаром, тем слаще это вещество казалось дегустаторам! Позже ученые выделили из области вкусовых бугорков языка коровы еще один белок. Он взаимодействует с молекулами, определяющими горький вкус.