В связи с выходом на сушу и увеличением многообразия форм поведения у позвоночных животных продолжалось и усложнение нервной подсистемы. У позвоночных нервный тяж расположен на спинной стороне тела и имеет центральную полость, тогда как у беспозвоночных нервная цепочка расположена на брюшной стороне, под пищеварительным трактом, и не имеет полости внутри. У рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих нервная трубка заключена в позвоночный столб, а из переднего отдела нервной трубки образуются отделы головного мозга, заключенные в черепную коробку. Начиная с амфибий, формируется кора головного мозга, наибольшего развития достигая у млекопитающих, особенно у человека. Основной план развития и строения нервной системы у всех позвоночных сходен, различия же касаются, главным образом, развития отдельных частей головного мозга и размеров последнего по отношению к размерам спинного мозга, формирования тесной связи между гипоталамусом и гипофизом (Томинский, 2002).
Видно, что в ходе эволюции у живых организмов возникало и усложнялось большое количество специализированных нейронных сетей, похожих на те, о которых мы говорили в начале главы. При этом каждая из таких сетей (количество нейронов и структура их связей) эволюционировала по генетическому алгоритму и передавалась, будучи закодирована в хромосомном наборе, из поколения в поколение.
В таких сетях количество нейронов, их тип, структура их связей жестко определены и представляют собой совершенное творение природы, отточенное естественным отбором.
Например, могильный червь Caenorhabditis elegans — излюбленный объект исследований нейробиологов — имеет очень нехитро устроенную нервную систему. У этого червя всего 302 нейрона, и связи между ними прекрасно изучены (Brenner, 1974).
Такие специализированные нейронные сети управляют в организме человека всеми физиологическими процессами, обслуживают все базовые функции, связанные с органами чувств, срабатыванием рефлексов, проявлением эмоций. Эти сети можно рассматривать как носители наследственной памяти, которая включает в себя опыт и умение наших предков жить в этом мире.
Однако мир изменчив, и, конечно, преимущество получают те организмы, которые умеют приспосабливаться к изменениям среды, адаптироваться к ним. Существует два основных способа адаптации:
1. При огромной численности популяции всегда присутствуют «уроды» с новыми, вызванными мутациями свойствами. При резком изменении среды может получиться, что именно эти свойства окажутся полезными для выживания. Вымрет большинство, а «уроды» дадут жизнь новым поколениям. Так возникают новые штаммы, устойчивые к старым антибиотикам, так селекционеры выводят новые сорта растений.
2. У сложных существ возникли механизмы, позволяющие им изменяться под действием внешней среды. Изменяться — означает менять свое поведение, менять инстинкты и приобретать новые рефлексы, приспосабливаясь к жизни в новых условиях. Именно этому способу выживания будет далее посвящена большая часть книги.
Ранее мы говорили о том, как организованы простейшие нейронные сети. Так, у гидры одни ветви нервной сети направляются к рецепторным клеткам, а другие — к сократимым. Такая организация связей позволяет реализовать простейший алгоритм поведения — реакцию на изменение окружающей среды: рецептор среагировал на определенное раздражение — сократилась мышца. Так природа «научила» живые существа реагировать на многие вводные: изменение температуры, освещенности, химического состава среды, внезапное прикосновение и многое другое.
Эволюция нейронных сетей долгое время шла по пути создания новых поведенческих правил (алгоритмов). Для многих живых организмов набор таких правил полностью определяет все поведение. Иногда такое поведение кажется со стороны необъяснимо сложным, однако при детальном рассмотрении всегда находится достаточно простой механизм, объясняющий это поведение.
Чтобы сохранить пищу на зиму и закрыть вход в свою нору, дождевой червь очень часто втаскивает в нору листья, которые там остаются и которыми червь может питаться в течение довольно длительного времени. Исследователи обратили внимание на удивительный факт: втаскивая в нору лист, червь всегда «берет» его за передний конец. Получается, из всех возможных способов введения листа в узкое отверстие норы он выбирает наиболее целесообразный.
Может показаться, что червь различает форму листа и использует его острый конец, позволяющий ему провести нужную операцию самым экономичным путем.
Исследования такого поведения привели к предположению, что червь реагирует на химические соединения, находящиеся в острой части листа.
Чтобы проверить его, была проведена серия остроумных опытов (она принадлежит исследователю Мангольду). Исследователь взял палочки одинаковой толщины и смазал у каждой один конец эмульсией, полученной из верхней (острой) части листа, а другой — эмульсией, полученной из нижней (тупой) части. Оказалось, что червь брал эти палочки всегда за тот конец, который был смазан эмульсией из острой части листа (Лурия, 2007).
Вообще надо отметить, что огромную роль в работе таких алгоритмов играет способность рецепторов нейронных сетей реагировать на наличие тех или иных химических веществ (воспринимать запахи). Наблюдая со стороны за сложным поведением насекомых, да и высших животных, мы обычно просто не «видим» тех химических меток, которые запускают алгоритмы их поведения.
Такие алгоритмы поведения называются рефлексами.
Рефлексы (от лат. reflexus — «повернутый назад», «отраженный»),— реакции организма, вызываемые центральной нервной системой при раздражении рецепторов агентами внутренней или внешней среды (Киселев, 1970).
Рефлексы, генетически предопределенные и присутствующие с момента рождения, называются безусловными рефлексами. Далее в этой главе, говоря о рефлексах, мы будем иметь в виду безусловные рефлексы.
Поведение новорожденного ребенка определяется безусловными рефлексами. Они помогают ему выжить.
Попробуйте провести по ладошке малыша пальцем. Тут же сработает хватательный рефлекс, и ваш палец будет цепко схвачен. Рефлекс этот достался нам от шерстистых сородичей-приматов, ведь от того, насколько крепко детеныш обезьяны держится за мать во время ее перепрыгивания с ветки на ветку, напрямую зависит его жизнь.
Если коснуться щеки или уголка рта малыша, сработает поисковый рефлекс — ребенок тут же повернет голову в сторону раздражения и откроет рот. Таким образом он ищет материнскую грудь. А как только грудь найдется, сразу сработает сосательный рефлекс — новорожденный крепко захватит сосок и начнет усиленно сосать.
Пожалуй, самая большая группа безусловных рефлексов — это защитные, или оборонительные. И основной представитель этой группы — так называемый ноцицептивный флексорный рефлекс. Этим труднопроизносимым словосочетанием обозначается отдергивание руки или ноги от любого болевого раздражителя — будь то острый, горячий, холодный или чем-то еще неприятный предмет.
«Засвербило» в носу, и мы тут же чихнули — это чихательный рефлекс не пустил в легкие потенциальный «загрязнитель». Попала в глаз соринка — на страже мигательный рефлекс: частые движения веками, обильное смачивание конъюнктивы слезой устраняют с поверхности глаза потенциальную опасность. За спиной что-то грохнуло — человек присел, закрыл голову руками, постарался вжаться в складки местности. Это тоже защитный рефлекс. А если оказалась недоброкачественной пища — спасет рвотный рефлекс.
Классический «медицинский» рефлекс — коленный. Его биологическое значение скрыто в глубине веков, но диагностическая ценность несомненна. Это один из так называемых сухожильных рефлексов — сокращение мышц в ответ на раздражение соответствующих сухожилий. Сходная реакция возникает при ударе неврологическим молоточком по сухожилиям бицепса и трицепса, а также по ахиллову сухожилию.
В зависимости от того, какие рефлексы вызываются свободно, а какие заторможены или вообще отсутствуют, невропатологи могут достаточно точно определить уровень поражения нервной системы (Варначева, 2008).
На рис. 11 показано, как выглядит нейронная конструкция, отвечающая за реализацию рефлекса (рефлекторная дуга).
Рисунок 11. Схема рефлекторной дуги
Путь импульса показан стрелочками: 1 - вставочный нейрон; 2 - дендрит; 3 - тело нейрона; 4 - аксон; 5 - синапс между чувствительным и вставочным нейронами; 6 - аксон чувствительного нейрона; 7 - тело чувствительного нейрона; 8 - дендрит чувствительного нейрона; 9 - аксон двигательного нейрона; 10 - тело двигательного нейрона; 11 - синапс между вставочными и двигательными нейронами; 12 - рецептор в коже; 13 - мышца.
