Александр Драбкин - ЭВМ и живой организм

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.