Петр Асташенков - Что такое бионика

Исследования биологических часов проводились в ряде зарубежных университетов и институтов. Они показали, что эти часы нечувствительны к изменению температуры лишь в определенных рамках. При выходе температуры за эти рамки, например при охлаждении до 0°, биологические часы останавливаются. После повышения температуры до нормальной они начинают снова идти, отставая на время остановки.

Специалисты за рубежом стремятся создать электрический аналог биологических часов. В состав аналога введен генератор, характер колебаний которого зависит от воздействия окружающей среды — чередования света и темноты, фаз Луны и т. п. Этот прибор, по замыслу его конструкторов, «должен пролить свет на процессы функционирования биологических систем при воздействии периодически меняющихся условий окружающей среды».

В павильоне «Атомная энергия» на Всесоюзной выставке достижений народного хозяйства СССР внимание посетителей привлекает манипулятор, который как бы удлиняет руки оператора и позволяет ему выполнять работу там, где никак нельзя находиться человеку. Такая обстановка может, например, возникнуть на предприятии атомной промышленности, где имеются зоны радиоактивного заражения. И вот в том месте, где надо выполнить какие-либо операции, действуют манипуляторы, управляемые на расстоянии. Они обладают большим числом степеней свободы и способны по командам оператора, наблюдающего из безопасного места, выполнять разнообразные операции. Они могут брать сосуды, переливать жидкости, зажигать спички и т. д.

Если вникнуть в устройство манипулятора подробнее, то можно установить, что это — по принципу действия — рычажное устройство. Оно предназначено для выполнения строго определенного числа операций, требуемого для осуществления эксперимента. Но нельзя ли создать манипулятор без рычажной системы? И тут на помощь ученым может прийти знание основ управления в живом организме, и в частности биотоки.

Что такое биотоки и когда они обнаружены? Электрические рыбы, то есть рыбы, в теле которых возникают высокие разности потенциалов, были известны людям задолго до того, как удалось создать первый искусственный источник тока. Конечно, на людей тех отдаленных времен электрические свойства рыб наводили страх, так как в их присутствии из-за электрических разрядов гибли мелкие животные, наносились поражения человеку.

Первым, кто исследовал электричество в живом организме, был итальянец Луиджи Гальвани. В 90-х годах XVIII века он провел ряд опытов с лягушкой и установил, что в нервно-мышечной ткани при определенных условиях возникают кратковременные токи. Электричество, сделал вывод ученый, имеется в живом организме.

Против этих выводов выступил ученый Алессандро Вольта, создавший первый источник тока, названный позже гальваническим элементом. Но современная наука подтверждает правильность выводов Гальвани. Действительно, в живом организме электричество существует.

…У морской рыбы из рода Astroscopus имеется как бы автомат для добычи пищи, основанный на использовании электрической энергии. Глаза и рот у этой рыбы расположены на спине. Если в ее поле зрения попадает небольшой малек, хищник изготавливается к «атаке». В момент появления малька на уровне глаз к электрическим органам поступает сигнал, и в сторону малька направляется электрический разряд. Оглушенный малек падает прямо хищнику в рот.

В настоящее время известно свыше ста видов рыб, способных вырабатывать электричество с довольно высокой разностью потенциалов. Так, электрический скат может создать напряжение до 70 в. Разряд при такой разности потенциалов служит средством защиты ската от нападения врагов. Электрический сом в зависимости от раздражения способен вызвать напряжение в 80—100 в и больше, а электрический угорь — от 300 до 500 в.

Рыбы, способные создавать сильные электрические разряды, встречаются главным образом в тропических морях. Вырабатывают электричество у них специальные электрические органы.

Но это не значит, что только некоторым живым организмам свойственно электричество. Просто у них электрические свойства выражены в более сильной степени. Более слабые токи систематически возникают во всех живых и даже растительных организмах. В исследование токов в организмах, названных биоэлектрическими, внесли большой вклад такие ученые, как Дюбуа-Реймон, И. М. Сеченов и другие. Замечательный русский физиолог Н. Е. Введенский в 1882 г. заставил биотоки подать свой голос: он сумел услышать в телефон токи мышц и нервов человека. Несколько позже наш соотечественник В. Ю. Чаговец на основе обобщения всех полученных до него данных о биотоках обосновал теорию их возникновения в живом организме. Эта теория легла затем в основу современных представлений о биотоках. Возникла специальная отрасль физиологии, занимающаяся электрическими процессами в органах и тканях организма.

Как же она объясняет теперь происхождение биотоков? В процессе обмена веществ между организмом и окружающей средой, между тканями и органами происходят сотни биохимических реакций, образуются электрически заряженные молекулы и атомы, называемые ионами. Положительные ионы (катионы) меньше по размерам, более подвижны, чем отрицательные ионы (анионы). В результате катионы легче проходят через клеточные перегородки, чем анионы, создаются условия для их разделения, то есть образования между отдельными участками мышечной, железистой или нервной ткани разности потенциалов. В теле неработающего человека она достигает 0,01 в, в теле работающего — доходит до 0,03 в. При повреждении тканей разность потенциалов может достигать 0,06—0,07 в. Роль проводника для токов, образующихся в результате наличия разности потенциалов, играют ткани, обладающие более высокой проводимостью, чем соседние.

Во всех органах и тканях образуются биотоки. Возникают они и при работе сердца, расходясь затем по всему организму. Расслабленное сердце имеет положительный потенциал, сокращенное — отрицательный.

Особенно важное значение придается изучению токов, образующихся при работе мозга. Разность их потенциалов измеряется миллионными долями вольта. Токи мозга можно обнаружить, наложив на голову специальные электроды и соединив их с электронным усилителем (с коэффициентом усиления в десятки тысяч). В результате на экране осциллографа можно видеть характер токов и их изменения. Учеными установлено, что токи мозга обладают определенной ритмичностью. Уже известно несколько таких ритмов — альфа, бета, гамма и другие. Частота изменений у альфа-ритма (8—12 колебаний в секунду), она выше у бета-ритма (20–30 колебаний в секунду) и еще выше у гамма-ритма. Частоты, а значит и ритмы, зависят от состояния, в котором находится человек. Определенное нарушение работы мозга вызывает определенные же изменения биотоков. Такая зависимость характера токов от состояния организма позволяет ученым изучать процессы, происходящие в мозгу человека. И не только изучать, но иногда и судить о том, здоров ли человек, если болен, то чем, и т. д.