Как только мембрана, одевающая основание аксона, захлопнет обе «дверцы», новый нервный импульс может отправиться с этого старта в путешествие по аксону.
Если сигналы, побуждающие нейрон к действию, очень сильные, «пробой» быстро нарушает преграду, разделяющую внутренние и наружные ионы. Поэтому и нервные импульсы быстро бегут друг за другом: иногда через каждую сотую секунды. Но когда сигналы слабые, требуется больше времени для преодоления ионами пограничных постов мембраны. Тогда и частота нервных импульсов невелика.
По толстым нервным волокнам электрические разряды продвигаются быстрее, чем по тонким.
У человека есть аксоны, по которым они мчатся со скоростью урагана: 100 метров в секунду! Но есть и другие: возбуждение проходит по ним не быстрее пешехода — 3–4 километра в час (метр в секунду).
Однако с какой бы скоростью и частотой ни распространялись импульсы по нерву, они приходят к финишу в отличной форме: такими же сильными, какими тронулись со старта. Даже если от старта до финиша расстояние в тысячу раз больше, чем диаметр проводника, то есть нервного волокна.
В начале физиологи никак не могли понять, почему так невероятно «выносливы» эти электробегуны по нервам. Теперь мы знаем почему: ведь каждый «пробой» возбуждает импульс такой же силы, какой обладал породивший его самого импульс от предыдущего «пробоя». Таким образом, импульсы на всем пути своего продвижения бесконечное число раз заново возрождаются.
А энергию, необходимую для питания этой бесконечной регенерации, нервная клетка черпает, принудительно поддерживая (против норм осмотического давления) неравную концентрацию ионов натрия и калия по обе стороны своей оболочки.
Ионная сегрегация на границах атома жизни — вот, по-видимому, первичный источник энергии наших ощущений и чувств.
Касающийся света кусочек мозга
Когда мы смотрим на что-нибудь, в глаза попадают лучи света. Они могут идти прямо от солнца или лампы, но чаще — это отраженный свет. Поверхности предметов неровные и отражают свет по-разному. Поэтому мы и видим мир не однотонным и аморфным, а богатым красками и формами.
Наш глаз устроен, как фотографическая камера. Еще в прошлом веке Гельмгольц доказал это. Но как световая энергия преобразуется глазом в энергию нервных импульсов?
Примерно так же, как на фотопленке: одно вещество, превращаясь под действием света в другое, возбуждает в нерве электрический импульс. Фотопленкой служит сетчатка — внутренняя оболочка глаза, сплошь усеянная светочувствительными клетками[39], а веществом-преобразователем энергии — родопсин, или зрительный пурпур. Это белок опсин, соединенный с ретиненом. А ретинен — окисленный витамин А. Поэтому, когда в пище мало витамина А, человек слепнет. Он плохо видит главным образом в сумерках: это называют куриной слепотой. Дело в том, что родопсин содержит в себе так называемые палочки — воспринимающие свет клеточки в сетчатке глаза. Кроме них, есть еще и колбочки. Но они приспособились оповещать нас о красках зримого мира и реагируют, кроме цветных, преимущественно на лучи яркие, несущие много световой энергии. Палочки же функционируют в сумерках, ночью — в общем всегда, когда света мало. Так что, когда не хватает витамина А, в палочках — дефицит родопсина, и глаз плохо видит в сумерках.
Установлено, что каждый фотон, поглощенный молекулой родопсина, возбуждает одну палочку. Но кванты света действуют на сетчатку глаза иначе, чем на хлорофилл в листьях растений. Они не производят здесь, по-видимому, никакой фотохимической работы, лишь включают «ток» в уже заряженных энергией нервных проводниках. Пусковой механизм действует не прямо на аксоны: сначала фотоны заставляют родопсин разделиться на ретинен и опсин; некоторые вещества, возникающие при этом превращении, возбуждают палочки. А те уже, возбудясь через биохимические клеммы нейронов, «включают свет» и в мозгу: от сетчатки по аксонам зрительного нерва побегут электрические импульсы, частота которых расскажет слепому мозгу в образах о картинах мира, спроецированных на сетчатке.
Нескольких квантов света достаточно, чтобы сработала система передачи зрительных ощущений. Наш глаз видит едва не минимум световой энергии, почти самую малую возможную во вселенной ее «расфасовку» — шесть-десять фотонов! Такая фантастическая чувствительность обеспечивается изумительно экономичным пусковым механизмом сетчатки, который приходит в действие, поглощая только квант света. Нужен лишь очень слабенький световой «щелчок», чтобы чуть толкнуть один электрон в молекуле ретинена, и тогда заработают калиевые и натриевые дверцы зрительных нейронов, и в мозг побежит поток информации.
Химическая формула ретинена такова, что боковая ветвь составляющих его атомов углерода содержит серию чередующихся двойных связей. В них все дело. «Я немного расскажу об этом, — говорит Р. Фейнман в своих великолепных лекциях по физике. — Двойная связь означает, что там есть дополнительный электрон, который легко сдвинуть вправо или влево. Когда свет ударяет по этой молекуле, то электрон каждой двойной связи на один шаг сдвигается. В результате переместятся электроны во всей цепи, подобно тому, как упадут при толчке поставленные друг за другом костяшки домино, и хотя каждый из них проходит очень небольшое расстояние, в целом получается такой же эффект, как будто электрон с одного конца перескочил на другой!.. А поскольку двигать электрон взад и вперед не так уже трудно, то ретинен очень сильно поглощает свет».
Но прежде чем все это случится, свет должен упасть на сетчатку. Ее клетки, преобразуя световую азбуку в код, понятный мозгу, сработают точно и воспроизведут в нашем сознании четкую картину увиденного в том случае, если оптическая система глаза наложит на сетчатку хорошо сфокусированное изображение предмета, который мы рассматриваем.
Свет фокусирует («загибает» его лучи в один центр) вначале роговица — прозрачная полусфера, образующая переднюю стенку глаза (когда мы спим, ее прикрывают веки).
Впрочем, форма роговицы не совсем сферическая. Природа, изобретая глаз, «продумала» все (почти все!) до мелочей. «Сферическая линза, — говорит Р. Фейнман, — обладает известной оптической оберрацией. Наружная часть роговицы более „плоская“, чем у сферы, причем как раз настолько, чтобы аберрация ее оказалась меньше, чем у линзы, которую мы поставили бы вместо нее!»
За роговицей — цветная радужина (черная, коричневая, голубая, серая — у каждого своя). В ней дырочка — зрачок. Радужина — это диафрагма: она, то сжимаясь и уменьшая зрачок, то растягиваясь и увеличивая его, пропускает в глаз столько света, сколько нужно. Как в фотоаппарате: в сумерках — диафрагма маленькая, зрачок большой. При ярком солнце — диафрагма большая, зрачок маленький.
За радужиной лучи света попадают прямо в «объятия» хрусталика — двояковыпуклой линзы из органического вещества. Он их «загибает» к центру еще больше, чем роговица. Хрусталик, как луковица, сложен из разных слоев, и каждый его слой преломляет лучи под определенным углом: центральные слои сильнее, чем наружные. Поэтому он может позволить себе быть менее кривым, чем любая монотонно преломляющая линза на его месте.
Роль хрусталика двойная: просто фокусировка и аккомодация — установка зрения на разные дистанции. Каждый, кто хоть раз фотографировал, знает, что, снимая близкие и далекие предметы, фокус в аппарате постоянно приходится менять: то удалять, то приближать объектив к светочувствительной пленке. Точно так же устроены глаза каракатиц, кальмаров и осьминогов. Когда смотрят они вдаль, хрусталик «отъезжает» вперед. Когда рассматривают что-нибудь у себя под щупальцами, глазные мышцы тянут его назад — к сетчатке.
У нас и наших родичей позвоночных животных механика аккомодации другая: хрусталик не ползает взад-вперед, как объектив в фотокамере, но лишь сильнее сжимается в шарик, либо растягивается в чечевицу и так меняет фокусное расстояние пронзающих его лучей.
Пройдя через хрусталик, они падают на сетчатку, а это, в сущности, частичка мозга. Сетчатка сплошь сложена из нейронов и световых рецепторов — палочек и колбочек. По непонятной причине она словно вывернута наизнанку: сверху, ближе ко входу в глаз, лежат нервные клетки, а за ними рецепторы, так что свет должен вначале пройти через нечто непрозрачное, чтобы достичь цели — алчущих его палочек и колбочек. И это после того, как столько изобретательности было потрачено на создание совершеннейшей оптики на передней стенке глаза! «В общем, — сокрушается Фейнман, — некоторые вещи в устройстве глаза кажутся нам великолепными, а некоторые просто глупыми». Вот вам пример того, что не все в природе разумно и целесообразно.
39
На каждом квадратном миллиметре сетчатки человеческого глаза — 400 тысяч воспринимающих свет клеток (а всего 130 миллионов палочек и 7 миллионов колбочек). Почти столько же у кошки. А у совы даже в полтора раза больше — 680 тысяч. У других животных меньше: у кальмара — 162 тысячи, у осьминога — 64 тысячи, у карпа — 50 тысяч, а у паука — только 16 тысяч.