адких мест: на нежной щеке Киры Найтли, к примеру. Однако, приглядевшись, вы обнаружите, что этот прекрасный участок женского лица на самом деле покрыт множеством тонких, коротких и светлых волосков, называемых пушковыми. Они растут и в других на первый взгляд гладких местах на теле человека, таких, как внутренний бицепс или внутренняя поверхность бедра.
Эти мягкие пушковые волосы обладают важной способностью впитывания, отводя пот от кожи и повышая эффективность испарительного охлаждения. Только на ладонях рук (включая внутренние стороны пальцев), на ступнях ног, губах, сосках и участках гениталий обнаруживается настоящая голая кожа. У женщин кожа малых половых губ и клитор голые, но кожа больших половых губ покрыта волосами. У мужчин крайняя плоть и кожа, покрывающая головку полового члена, голая, но тело пениса покрыто волосами.
Волосатая и гладкая кожа имеют одинаковое строение. Представьте себе двухслойный торт с разделенной на подслои верхушкой (рисунок 2.1). Оба типа кожи имеют наружный подслой уплощенных мертвых клеток кожи (роговой слой) и три нижележащих подслоя, каждый из которых сочетает нескольких типов живых клеток, включая кератиноциты, клетки Лангерганса (которые являются частью иммунной системы) и меланоциты. Меланоциты производят гранулы пигмента меланина, который определяет цвет кожи. Вместе эти четыре подслоя составляют эпидермис. Клетки эпидермиса постоянно регенерируются. Новые, созданные делением клеток в самом глубоком подслое, постепенно мигрируют вверх. При этой миграции клетки сжимаются, выталкиваются наверх, а их структура разрушается, оставляя в роговом слое жесткие шелушащиеся клетки, которые в конечном итоге сбрасываются с поверхности кожи. Таким образом, эпидермис полностью обновляется примерно каждые пятьдесят дней. Ниже эпидермиса расположен еще один слой, дерма, где находятся нервы, кровеносные сосуды, потовые железы и густая сеть эластичных волокон.
Рисунок 2.1. Строение кожи
Волосатая кожа имеет как тонкие бледные волоски, так и более длинные, и более толстые, лучше видимые глазу защитные волоски. Эпидермис у голой кожи обычно толще, чем у волосатой. У него также другая форма – волнистая, а не плоская. На поверхности кожи мы узнаем эти волнистые гребни, называемые папиллярными гребнями, как отпечатки пальцев (а также отпечатки пальцев ног, ладоней и подошвы). Внутренняя поверхность волнистого эпидермиса образует дополнительные структуры, называемые первичными и вторичными эпидермальными грядами, и мы можем рассматривать их как отпечатки пальцев, обращенные внутрь.
Отпечатки пальцев обладают глубоким эмоциональным и духовным значением. В них есть нечто захватывающее – это видимый знак человеческой индивидуальности, зашифрованный природным художником. Отпечатки пальцев у плода в утробе начинают формироваться в возрасте примерно 26 недель и складываются в законченный рисунок при рождении. В традиции народа динех (также известного как навахо) Духовые Ветры, как жизненная сила, исходят из отпечатков пальцев:
«Существуют узоры на кончиках наших пальцев, такие же, как и на пальцах наших ног. Ветра живут в этих местах, в спиралях… Эти Ветра, выглядывающие из узоров на кончиках наших пальцев ног, удерживают нас на Земле. Те, что на кончиках пальцев рук, держат нас в небесах. Из-за этого мы не падаем, когда движемся».
Это трогательное описание. Но какова функция отпечатков пальцев (и отпечатков ладоней, пальцев ног и подошв) с биологической точки зрения? Давняя гипотеза утверждает, что они помогают лазать и хватать, но эта идея была оспорена. Когда измерили трение между кончиком пальца и гладкой сухой поверхностью, обнаружили, что, вопреки ожиданиям, отпечатки пальцев снизили эффективность захвата примерно на 30 процентов. Однако, если поверхность влажная или шероховатая, отпечатки пальцев увеличивают трение и стабилизируют захват. В этом отношении они напоминают автомобильные шины: гоночные авто, которые сталкиваются только с гладкими сухими трассами, оснащены гладкими шинами, чтобы максимально увеличить площадь контакта между шиной и дорожным полотном и тем самым обеспечить максимальное сцепление. Напротив, легковые автомобили, как правило, движутся по мокрым и неровным поверхностям, и в этих условиях шины с канавками, прорезанными для отвода воды от зоны контакта, превосходят их.
Рисунок 2.2. Отпечатки пальцев человека, коалы и шимпанзе практически неразличимы. Эволюционные пути человека и коал разошлись, по крайней мере, 70 миллионов лет назад, но люди и коалы имеют общие отпечатки пальцев, в то время как другие виды, являющиеся близкими родственниками коал, их не имеют
Отпечатки пальцев не являются исключительно человеческой прерогативой: у коал, горилл и шимпанзе они тоже есть (рисунок 2.2). И даже для приматов они не уникальны. На самом деле, они характерны для многих видов млекопитающих. В Австралии они есть у коал, но не у их близких родственников – волосатоносых вомбатов или других лесных жителей – древесных кенгуру. Отпечатки пальцев обнаружили у североамериканских ласк, но не у других членов этого семейства. В настоящее время нет уверенности в том, что наличие отпечатков пальцев у конкретного вида связано с его хватательным поведением. Несмотря на их символическое значение, мы до сих пор не знаем, для чего нужны отпечатки пальцев.
Принято считать, что морщинистые подушечки пальцев после принятия ванны – результат процесса, при котором вода постепенно поглощается мертвыми клетками кожи рогового слоя. Однако это мнение было опровергнуто в 1936 году. Ключевое наблюдение, связанное с этим феноменом, заключается в том, что морщины на пальцах рук и ног не возникают, если электрические сигналы, поступающие от спинного мозга к коже, прерываются из-за разрыва нерва или применения препарата, блокирующего нервные сигналы. В частности, реакция морщин требует ответвления подсознательной вегетативной нервной системы, называемого симпатическим оттоком.
Марк Чанцизи и его коллеги из 2AI Labs предположили, что, как и отпечатки пальцев, морщинки нужны, чтобы увеличить сцепление на мокрой поверхности. Исследователи отмечают морщинки у макак и шимпанзе и предполагают, что они обеспечивают адаптацию приматов к влажным скользким условиям. В поддержку этой гипотезы Кириакос Кареклас и его коллеги из университета Ньюкасла показали, что подопытные с морщинистой кожей пальцев могли переносить влажные шарики из одного контейнера в другой значительно быстрее, чем их собратья с пальцами без морщинок. Однако морщинистые пальцы не дают никаких преимуществ при работе с сухими шариками.
Как расположены специальные сенсорные датчики на коже и как это влияет на наше тактильное восприятие? Чтобы исследовать вопрос, давайте рассмотрим ежедневную работу, которую выполняют наши руки, и разложим ее составляющие. Допустим, вы опаздываете на просмотр фильма и с облегчением обнаруживаете свободное место для парковки возле кинотеатра. Стоя перед механическим парковочным счетчиком старого образца, вы видите, что он принимает монеты только одного достоинства. Вы начинаете рыться в карманах в поисках нужной монеты, пытаясь обнаружить ее среди прочего барахла. Вы исследуете содержимое карманов, пробуя каждый предмет наощупь, пока не найдете монету, достанете ее и вставите в щель автомата. Затем вы берете ручку и поворачиваете. Поворачивая ее, вы чувствуете правильное движение механизма в сцеплении автомата, вибрацию падающей монеты внутри и, наконец, скручивающую силу, когда ручка поворачивается, чтобы вернуться в исходное положение.
Это элементарная задача, мы выполняем ее почти автоматически, с минимальными умственными усилиями, и все же по сложности алгоритма она превосходит программу любого современного робота. Следовательно, даже простые тактильные задачи требуют обширного потока информации (а также расчетов относительно физики нашего тела и внешнего мира). Оплачивая парковку, мы опираемся на четыре основных типа сенсорных датчиков и связанных с ними нервных волокон, встроенных в гладкую кожу кончиков пальцев.
Залезая в карман брюк (в свою сумочку или рюкзак) и пытаясь определить достоинство монеты одним касанием, вы можете заодно обнаружить и потрогать флэш-накопитель USB, две таблетки ибупрофена, мелкие монетки, прежде чем узнаете нужную, основываясь на размере, текстуре и ребристых краях. В этом процессе задействованы все четыре основных типа сенсорных датчиков на коже ваших пальцев, но ключевой датчик, который позволяет определять края объектов, локальную кривизну и грубую текстуру, называется клетками Меркеля. Они названы в честь немецкого анатома Фридриха Меркеля, который впервые описал их в 1875 году, назвав Tastzellen, или «осязательные клетки».
Эти особые эпидермальные рецепторы сгруппированы в ячейках, состоящих из различных клеток. Ячейки расположены на вершинах первичных эпидермальных гребней, на границе эпидермиса и дермы. Клетки Меркеля соединены с отдельным нервным волокном, которое передает информацию к спинному мозгу и, в конечном счете, к сенсорным областям головного мозга. Эта электрическая информация кодируется скачками напряжения.
Клетки Меркеля расположены в самой глубокой части эпидермиса, где она граничит с дермой на вершинах первичных эпидермальных гребней. Клетки Мейснера находятся только в самых мелких частях дермы и во в впадинах между эпидермальными грядами, в то время как тельца Пачини и окончания Руффини расположены глубже в дерме. Нервные волокна, принимающие сигналы от тельца Мейснера и Пачини, посылают электрические сигналы в мозг на короткое время, только в начале и в конце устойчивого прикосновения, в то время как те, которые получают сигналы от окончаний Руффини и клеток Меркеля, непрерывно сигнализируют в течение всего сенсорного раздражения. Также показаны свободные нервные окончания, являющиеся датчиками определенных химических веществ, температуры, боли и зуда. Это будет обсуждаться в следующих главах.
Ключевой вопрос заключается в том, как механическая энергия деформации кожи преобразуется в электрический сигнал в нервном окончании. Лучшая из существующих гипотез заключается в том, что метаморфоза происходит с помощью молекул, встроенных в мембрану нервного окончания, – ионных каналов. Эти молекулы образуют пору, закрытую в состоянии покоя, но когда клеточная мембрана растягивается, пора открывается, позволяя положительным ионам, таким как натрий и кальций, проникать в нервную клетку и вызывать электрический импульс.