Для того чтобы защищаться от нападения, всякий представитель животного мира должен уметь быстро распознавать сигналы, поступающие из внешней среды, и быстро реагировать на них. Какие нервные механизмы позволяют живым существам осуществлять этот процесс?
Те из них, которые имеют центральную нервную систему, получают сигналы через специальные органы, связанные с мозгом многими тысячами нервных волокон. Исполнительные сигналы в виде последовательных импульсов передаются нервными волокнами двигательным мышцам, мускулам. В этих сложнейших процессах соприкасаются явления, которые изучаются многими отраслями зоологии, физиологии и психологии.
Даже высшие, последние достижения технической мысли позволяют создать аппаратуру, при помощи которой можно изучить импульсы всего лишь пяти или десяти (из многих тысяч) типов нервных волокон, связанных с мозгом млекопитающих. Попытки сделать на этой базе какие-то обобщения о характере получения и переработки информации всей нервной системой животного подобны изучению общественного мнения жителей большой страны на основе двух-трех интервью. (Кстати, если продолжить сравнение, то процесс выработки сигнала к действию на основе полученной информации можно уподобить формированию общественного мнения, которое складывается из различных взглядов, но в котором побеждает мнение большинства).
Дальнейший прогресс техники эксперимента может дать нам возможность исследовать сигналы в тысячах разных нервных волокон. В то же время не менее важно изучение живых организмов, обладающих простейшей системой нервного возбуждения.
Кенес Д. Роед и его коллеги долгое время изучали связь уха и центральной нервной системы ночного мотылька, который имеет всего лишь по два чувствительных нервных окончания в каждом ухе.
Многое в поведении этих насекомых не изучено. Исследования носили поисковый характер и сулили многое: ведь предстояло познать «механизм выживания» мотылька, который только благодаря своим ушам, своевременному распознаванию сигнала опасности и предвидению следующих за сигналом действий может уцелеть в борьбе за существование со своим главным врагом – насекомоядной летучей мышью.
Нужно сказать, что летучие мыши способны обнаружить свою жертву во время полета в полной темноте. Эти ночные хищники испускают серию ультразвуковых сигналов и по характеру их отражения от предметов («ультразвуковая локация») определяют местоположение, направление полета и расстояние до возможного объекта нападения.
Механизм «ультразвуковой локации» мыши настолько совершенен, что она может обнаружить насекомое много меньше москита.
Некоторые ночные мотыльки имеют уши, способные различать ультразвуковые сигналы мыши. Эти насекомые, услышав приближение врага, резко меняют направление своего полета, начинают петлять или взмывают вверх с огромной скоростью, удаляясь от источника ультразвука. Любопытно отметить, что такое насекомое меняет направление своего полета раньше, чем ультразвуковой сигнал, отразившийся от его тельца, возвращается обратно к мыши.
Слуховые органы мотылька размещены на задней части его грудной клетки и имеют выходные отверстия в районе сужения между брюшком и грудной клеткой. Каждое ухо выглядит, как маленькая раковина, внутри которой ясно видна барабанная перепонка, закрывающая воздушную полость. Внешние сигналы, воспринимаемые барабанной перепонкой через воздушную полость, передаются в центральную нервную систему мотылька к нервным волокнам, поддерживающим скелет, по тончайшему каналу. Внутри этого канала размещаются два акустических нервных волокна, известные, как А-волокна. Они-то и передают «волну ощущений» от барабанной перепонки к скелетным нервным волокнам. (Используя техническую терминологию, можно сказать, что два А-волокна собирают всю информацию о звуках и передают ее в центральную нервную систему.) Рядом с двумя А-волокнами в том же канале расположено неакустическое В-волокно. Все эти волокна продолжаются как «барабанный нерв» внутри центральной нервной системы.
Нервные импульсы в простом нервном волокне проявляются как электрическая «разность потенциалов» в несколько милливольт, возникающая на доли миллисекунды последовательно между отдельными точками волокна.
Скорость распространения этих сигналов может быть охарактеризована одной цифрой: по А-волокну от чувствительного органа до центральной нервной системы сигнал проходит менее чем за 2 миллисекунды.
Продвижение электрического сигнала по нервному волокну может быть воспринято специальным тончайшим электродом и передано затем на осциллограф, на экране которого возникает при этом характерная «пика».
Делается это следующим образом. Одна из мышц мотылька рассекается под микроскопом, и из нее выделяется «барабанный нерв». Тончайшие серебряные электроды соединяются с нервом. Они передают электрические сигналы, проходящие по нервным волокнам, на осциллограф. С мотыльками, подготовленными таким образом, и проводили эксперименты в импровизированной лаборатории на открытом воздухе.
Чтобы сделать точные измерения электрических явлений в нервах, был нужен контрольный источник ультразвуковых импульсов, подобных сигналам летучих мышей. Искусственный ультразвуковой электронный стимулятор в точности воспроизводил такие сигналы.
Используя электронную аппаратуру для выявления последующих ответных реакций А-волокон, удалось определить, какая акустическая информация доступна мотыльку. Ухо мотылька передавало к осциллографу такие импульсы, которые оно обычно посылает в центральную систему. А именно это интересовало исследователей.
Оказалось, что чувствительность слуховых органов мотылька примерно в 100 раз выше, чем у человека. Так, например, на расстоянии более 200 метров мотылек может слышать ультразвуковые сигналы мыши, чего человек не может вовсе.
Ухо мотылька принимает сигналы с частотой 10 килоциклов так же хорошо, как с частотой 100 килоциклов, одинаково хорошо воспринимает звуковые и ультразвуковые колебания. И еще: мотылек обладает свойством воспринимать чрезвычайно короткие звуковые сигналы, подлинные взрывы звуков.
Реакция А-волокна на искусственный или естественный сигнал-раздражитель отражалась на экране осциллографа в виде кривой с пиками, характеризующей электрический поток в нервных волокнах. Анализ кривых позволил установить, что насекомые пользуются четырьмя видами акустической информации.
Первый вид. Возникновение «пик» на экране осциллографа, что свидетельствует о наличии источника звука. Этот вид информации нельзя признать достаточным, так как пики, возникающие от длинных «вялых» криков далеко летящей, и потому безопасной мыши, могут быть похожи на пики коротких сильных сигналов приблизившегося хищника.
Поэтому мотылек должен «учитывать» и второй вид информации – частоту «пик». Чем чаще эти «пики», тем ближе мышь к мотыльку, ибо по мере их сближения на орган слуха насекомого действуют уже не только слышимые, но и «неслышимые» ультразвуковые колебания.
Третий вид информации характеризует непосредственную опасность. Если раньше в обоих рассмотренных случаях работало только одно А-волокно в каждом ухе, то после «опасного» сближения мотылька и мыши интенсивность сигналов становится так велика, что их воспринимают уже оба А-волокна.
И наконец, четвертый вид информации указывает, откуда приближается опасность: «пики», возникающие от действия звуков в одном ухе, появляются раньше, нежели подобные «пики» от звуков в другом ухе.
Эти выводы требовали экспериментальной проверки. Исследователи совместили «атаку звуками» от громкоговорителя со специальной фотографией, которая позволила зафиксировать, как мотылек в поле меняет направление полета в момент подачи сигнала.
Было установлено, например, что мотыльки, которые летели на большой высоте над источником звука, после подачи сигнала, меняли направление своего полета в горизонтальной плоскости. Те же, которые двигались непосредственно над источником звука, взмывали прямо вверх или резко поворачивались под острым углом к первоначальному пути. (Изменение полета в горизонтальной плоскости, очевидно, было связано с тем, что одно ухо мотылька воспринимало сигнал раньше другого).
Однако оставался нерешенным вопрос: как мотылек, имеющий только четыре А-волокна, то есть обладая очень примитивными органами чувств, точно ориентируется и по горизонтальным, и по вертикальным осям в зависимости от сигнала опасности?
Результаты опытов позволяют предположить, что существует взаимосвязь между положением крыльев мотылька и раздражением А-волокон акустическими сигналами. В зависимости от того, в каком положении находятся крылья мотылька – горизонтальном или вертикальном, – изменяется и степень «легкости» получения звуковой информации. Звук доходит до слуховых органов насекомого, преодолевая большие или меньшие помехи, создаваемые крыльями. А это, в свою очередь, определяет вертикальное направление его полета. Так, отсутствие различий между акустической информацией левого и правого уха, наличие четких колебаний в левом и правом «барабанных нервах» в момент взмаха крыльев сигнализируют мотыльку, что мышь – над ним. Если же различия в восприятии звуковых сигналов обоими ушами нет – значит, мышь ниже или сзади мотылька (заметим, что мотылек делает крыльями 30–40 взмахов в секунду; следовательно, информация о необходимости изменить или сохранить прежним направление полета по вертикали поступает в его нервную систему практически непрерывно).
Конечно, все сказанное здесь несколько идеализирует реальную природную ситуацию. Взаимодействия мыши и мотылька очень сложны. Мотылек может опознать врага на большем расстоянии, нежели мышь свою жертву. Но мыши передвигаются с большей скоростью.
Если мотылек быстро среагировал на опасность, раньше чем его заметила мышь, у него много шансов спастись. Если же мышь «засекла» мотылька и получила отраженный сигнал от своей мишени, мотылек подвергается огромной опасности. Хотя и в этом случае положение не безнадежно – мотылек маневреннее «противника» и может проделать фигуры высшего пилотажа, которые сбивают мышь с толку.
Прибавьте к этому умение некоторых видов мотыльков издавать лапками ультразвуковые колебания, слышимые мышью. Мотылек как бы говорит мыши: «Приди и съешь меня». Это кажется невероятным. Ученым еще предстоит разгадать цель этого сигнала.
Сейчас исследована лишь часть комплекса проблем, лежащих в основе изучения акустических систем мотылька.
Описанная работа американских исследователей представляет большой интерес для разных отраслей науки. Прежде всего нужно отметить высокую технику эксперимента: ввести в лапку мотылька крошечное передающее устройство, позволяющее следить за работой акустического нерва насекомого в свободном полете, – чрезвычайно сложная задача. Однако здесь техника не ради техники. Физиологи давно мечтали о возможности изучать различные процессы живых организмов в привычной, а не в искусственной среде. Для этого нужны были сигнальные устройства, которые не мешали бы исследуемому объекту жить обычной жизнью. Работа американских ученых наглядно показала возможность создания микроминиатюрных датчиков, источников сигналов, не нарушающих обычной деятельности даже таких «хрупких» подопытных объектов, как насекомые. Подобные наблюдения могут быть расширены и с успехом применены для изучения процессов жизнедеятельности многих животных.
И наконец, знание структуры слуховых органов мотылька принесет немалую пользу инженерам, работающим в области ультразвуковых устройств. Ведь ухо мотылька «сконструировано» поразительно просто. Технические устройства, созданные людьми для подобных целей, много сложнее.
Нельзя не отметить здесь и замечательное явление природы: организм в процессе борьбы за существование может с поразительной точностью отразить в своей структуре внешние факторы, имеющие существенное значение для жизни. Нападающий в процессе естественного отбора «изощряется» в средствах поиска и нападения (локация мыши), а защищающийся (мотылек) в ответ на это развивает еще более совершенные средства защиты (органы чувств).
В рассматриваемом примере видно величие природы, которая использует все возможные средства материи, лишь бы выжить и продолжить в своем потомстве существующие виды.