Тайны памяти

Окна в мир

Саади, великий таджикский поэт средневековья, в книге нравоучительных рассказов «Голистан» («Розовый сад») говорит: «Спросили мудреца: у кого ты учился мудрости? Каким образом ты так преуспел в знаниях?» — «Я не стыдился спрашивать», — ответил философ Газали. «У слепых учился, которые не ставят ногу на место, что не ощупали палкой», — сказал Лукман, легендарный мудрец персидско-таджикского эпоса.

Наш современник на подобный вопрос ответил бы, что всю жизнь собирал, копил, сортировал и анализировал информацию. Таков уж человеческий удел.

В наш век, когда информация приобрела значение одной из главных человеческих ценностей, это понять нетрудно. Огромные массы людей работают в сфере информации. Журналисты и сотрудники издательств, статистики и служащие библиотек, органов планирования и учета, связи, службы погоды, справочной и патентной служб, следственных органов, разведки и контрразведки — вот начало длинного списка профессий, для которых сырьем и продукцией служит информация. Я уже не говорю об армиях ученых, как рудокопы, выдающих на-гора информационную руду.

Информации накапливается так много, что разобраться в ней становится нелегко. Американцы подсчитали, что, если стоимость изобретения не превышает 100 тысяч долларов, при необходимости его дешевле совершить повторно, чем получить о нем информацию, роясь в архивах патентных бюро.

Жизнь любого организма теснейшим образом связана с окружающей средой. Из нее он получает пищу, воду, кислород. Он постоянно должен опасаться врагов и поставлен в необходимость искать контакт с себе подобными существами, чтобы обзавестись потомством и обеспечить дальнейшее существование вида. Чтобы выжить, надо прежде всего быть хорошо информированным.

Живые организмы нашей планеты обзавелись большим арсеналом самых разнообразных рецепторных систем, призванных собирать, анализировать и направлять в мозг информацию, поступающую со стороны и от органов собственного тела. Значение для организма отдельных органов чувств в известной степени связано с образом жизни и средой обитания животных. Человек и большинство обезьян более трех четвертей информации получают с помощью зрения.

Каждая анализаторная система имеет приемный пункт и место хранения и обработки собранных сведений. Окнами зрительной системы служат глаза. Вот что происходит на их подоконниках.

Световые лучи проникают в глаз через зрачок. Они преломляются в хрусталике и с его помощью фокусируются на сетчатке. Редко изображение падает сразу в зону с достаточно высокой разрешающей способностью. Если информация заинтересовала владельца глаз, он должен как можно скорее добиться, чтобы она попала в центральные ямки обоих глаз, место наиболее плотной упаковки световоспринимающих элементов. Для этого существуют специальные мышцы, поворачивающие глазное яблоко.

Лиха беда поймать в поле наилучшего видения нужный объект, необходимо его там удержать. Трудная задача, так как глаз не способен оставаться неподвижным. Он постоянно медленно движется, и изображение рассматриваемого предмета ползет по сетчатке.

Движения эти происходят не от хилости мышц. Они в состоянии его удержать, да у неподвижного глаза перестают работать фоторецепторы, утомившись от однообразного зрелища. Движущийся глаз обеспечивает им смену впечатлений. Когда изображение сместится достаточно далеко, глаз скачком возвращается на прежнее место, переводя изображение поближе к исходной точке Предполагают, что наведение глаза на цель осуществляет специальная следящая система мозга.

Когда нам приходится рассматривать движущийся предмет, работа следящей системы усложняется. Ее задача остается прежней: держать глаз точно нацеленным и в то же время не утомить однообразным зрелищем фоторецепторы. Для этого необходимо знать направление и скорость движения объекта, а если они меняются, многократно обновлять сведения, иначе глаз не поспеет за целью.

Наведение происходит молниеносно. Через 0,15–0,17 секунды после появления в поле зрения нового предмета глаз бросается в погоню, вмиг догоняет и, уже не отпуская ни на шаг, следует за ним, как бычок на веревочке, если, конечно, скорость предмета не чересчур велика, не более 10 градусов в секунду. Малые движения объекта, менее 5 угловых минут за секунду, не замечаются.

Глаз способен проследить любое движение: прямолинейное, криволинейное, маятникообразное. Наведение бывает особенно точным, если удается заранее предсказать траекторию движения объекта. Для этого наша память должна хранить сведения о пройденном объектом пути и его скорости. Я говорю «наша» потому, что ни одно животное, даже обезьяны, не в состоянии это сделать.

Второй ответственный момент зрительного процесса — преобразование энергии света в нервное возбуждение. Существуют два типа световоспринимающих клеток: палочки и колбочки. Каждый фоторецептор имеет наружный и внутренний сегменты. Наружный сегмент заполнен высокой стопкой дисков, наложенных друг на друга, как блины в миске. Именно здесь и происходят первые этапы фоторецепторного процесса.

В мембранах дисков содержится родопсин — зрительный пигмент, состоящий из белка — опсина — и вещества, поглощающего свет, — альдегида витамина А, называемого ретиналем. Молекула ретиналя может находиться в пяти различных геометрических формах, но только одна из них, наиболее чувствительная к свету и теплу, используется для зрения.

Обычно ретиналь изогнут. Под воздействием света его молекула выпрямляется. Это и есть первое звено фоторецепции, переход энергии света в энергию химической реакции. В таком виде ретиналь не может быть соединен с опсином. Молекула как бы разваливается на две части. В мембране дисков образуются дырки, и она становится проницаемой для некоторых ионов.

Обычно внутри клеток высока концентрация калия, а в межклеточных пространствах — натрия. В дисках, наоборот, натрия много, а калий находится преимущественно снаружи.

Эту странность легко понять, если проследить, как образуются диски. В электронном микроскопе при увеличении в 60–100 тысяч раз видно, как мембрана наружного сегмента фоторецептора понемногу вворачивается внутрь. Когда впячивание оказывается достаточно глубоким, стенки наружного сегмента сближаются, ликвидируя дефект: ямка превращается в пузырек, который отшнуровывается от стенки сегмента и всплывает готовым диском, унося с собой кусочек внеклеточного пространства с обильным содержанием натрия.

Перераспределение ионов между дисками и внутриклеточной средой в момент разрушения ретиналя приводит к возникновению электрического потенциала.

Чувствительность фоторецепторов очень велика. Минимальное количество света, которое может почувствовать человек, составляет 50–150 квантов. Это немного. Часть световой энергии обычно или отражается от роговицы, или поглощается, проходя внутри глаза. До сетчатки добирается только половина — 25–75 квантов света. Большая их часть пропадает зря. Только 20 процентов поглотится световоспринимающими клетками, всего 5–15 квантов. Трудно представить, что из этого мизера квантов, нашедших диски, два или три застрянут в одной рецепторной клетке. Таким образом, приходится признать, что достаточно одного кванта света, чтобы возбудить фоторецептор глаза.

Как ни странно, сведения об устройстве глаз на первых порах не столько помогали, сколько мешали понять зрительный процесс. В древности ученым было легче. Они предполагали, что человеческая душа смотрит на мир через дыры глаз, как мы глядим из окна вагона на пролетающий мимо пейзаж. Когда стало понятно, что луч света, пройдя через роговицу, хрусталик и стекловидное тело, упирается в чувствительную клетку и только она способна информировать мозг о зрительных впечатлениях, возникла масса вопросов.

Нужно честно сказать, физиологи вздохнули свободнее, когда выяснилось, что в мозгу есть слоистые структуры (впоследствии названные экранными) и каждый участочек сетчатки имеет там свое представительство. Правда, проекция в мозгу передана в особом масштабе. Та часть сетчатки, где плотность фотовоспринимающих клеток велика, занимает непропорционально большую площадь. Такая же проекция сетчатки найдена в мозгу большинства млекопитающих. У кошки центральная ямка занимает почти все отведенное для сетчатки поле. У кролика, крокодила и лягушки проекция имеет сильно вытянутую форму в соответствии с тем, что они лучше всего видят в горизонтальной плоскости. У птиц — два или три желтых пятна. Для каждого есть своя зона.

У человека и высших животных в коре больших полушарий два экрана: первичный и вторичный. Информация сначала передается на первичный экран и отсюда транслируется на вторичный. Если на первичном экране разрушить какой-нибудь участок, в соответствующем месте вторичного появится дырка. Изображения не возникнет. Таким образом, глаз передает по нервам изображение в мозг, и там оно перерисовывается мозаикой возбужденных и заторможенных клеток.

Выходило, что глаз, как съемочная телекамера, считывал изображение и развертывал его вновь на экранах мозговых телевизоров. Кажется, все понятно? Если бы это было так! Чтобы понять изображение, кто-то все-таки должен смотреть на мозговой экран.

Неожиданно оказалось, что значительную обработку зрительная информация проходит уже в глазу, а в мозг передаются ее результаты. Фоторецепторы посылают информацию находящимся в глазу ганглиозным клеткам, аксоны которых уходят в мозг.

Благодаря тому, что ганглиозная клетка может быть связана с различным числом фоторецепторов, она обладает способностью замечать некоторые свойства рассматриваемых объектов. Такие ганглиозные клетки получили название детекторов, что в переводе с латинского означает — обнаруживающий.

У лягушек их пять типов. Наиболее важный из них — детектор темного пятна. Он посылает в мозг информацию о движущихся темных пятнах небольшого размера. На светлое пятно и прямые линии этот детектор, получивший также название детектора обнаружения насекомых, не реагирует. Даже если лягушке дать живую муху, но подсвечивать ее так, чтобы она показалась значительно светлее фона, реакции не последует. Детекторы длительного контраста не реагируют на предметы округлой формы и на изменения общей освещенности. О любых быстрых перемещениях в поле зрения лягушки сигнализируют детекторы движущихся границ. Детекторы общего затемнения сигнализируют только об изменении освещенности.

Показания детекторов сетчатки прямо, без дальнейшей обработки передаются в двигательные отделы мозга, обеспечивая максимальную быстроту реакций животного: темное пятно — выстрел языком, как говорят охотники — навскидку, и жертва в желудке; движется большая тень — мгновенная оборонительная реакция, затаивание или прыжок в воду.

У лягушки мозг не утруждает себя анализом зрительной информации, полностью полагаясь на детекторы сетчатки. Их малое число, безусловно, сильно сужает объем воспринимаемой информации. Однако амфибиям этого вполне достаточно. Их устраивает известное ограничение. В хаосе быстро меняющихся зрительных впечатлений хилому мозгу амфибий просто не удалось бы разобраться.

Чтобы избежать опасности или пообедать, получаемых сведений вполне хватает. Например, с помощью детектора обнаружения насекомых можно поймать и червяка, так как этот детектор отлично реагирует на появление в поле зрения длинной полосы, если она двигается узким концом вперед. Выстрел языком может не принести желаемого результата, тогда жаба преследует голову строптивого червя (детектор на задний конец уходящей из поля зрения полоски не реагирует) и, если червь не догадается сунуть голову в норку, непременно его съест.

Детекторы могут здорово подвести, если лягушке посчастливится напасть на большую компанию жучков, паучков. Кому приходилось держать лягушек или жаб у себя дома, несомненно замечал, что они вели себя как Буриданов осел между двумя охапками сена: не знали, куда кинуться, когда им давали сразу много живого корма.

Возбужденный участок сетчатки создает вокруг себя обширное тормозное поле. Когда насекомых много, каждый возбужденный участок сетчатки оказывается в тормозном поле соседнего возбужденного. Чем больше в поле зрения лягушки насекомых, чем ближе они друг к другу, тем слабее реакция детекторов.

Очень важны детекторы направления движения. В нервной системе крабов, бабочек, саранчи, пчел, мух найдены нейроны, реагирующие на объекты, двигающиеся только в каком-то одном направлении. Детекторы поворота обнаружены у хрущей. Они реагируют при одновременном движении вперед в поле зрения одного глаза и движении назад в поле зрения другого.

Детекторы — врожденные устройства. Учиться пользоваться ими не надо. Зато и перестроить их работу мозг не в состоянии. Так как хрусталик, преломляя световые лучи, переворачивает изображение, в глазу человека и животных видимый мир оказывается опрокинутым вверх тормашками. Если мозгу лягушки предоставить возможность видеть изображение правильно, хирургическим путем повернув глаза на 180 градусов, она никогда не научится ими пользоваться. Муха, ползущая у ее ног, будет казаться лягушке наверху. Она туда и направит выстрелы языка. Так же беспомощны окажутся куры, если их заставить носить очки, переворачивающие изображение. Уже небольшое вмешательство полностью нарушает зрительное восприятие. Призмы, одетые на глаза цыплятам, сдвигали изображение всего лишь на семь градусов в сторону, однако малыши, клюя зерна, всегда промахивались и оставались голодными. Обезьяны с большим трудом после длительной тренировки несколько свыкались с жизнью в очках, перевертывавших изображение.

Приспособиться под силу только человеку. Впервые это испытал на себе английский психолог Д. Стрэттон. Первые отчетливые признаки переучивания появились у него на четвертый день ношения «перевертывающегося» приспособления. (Стрэттон носил линзу на одном глазу, а другой закрывал темной повязкой.) На пятый день он мог свободно гулять в своем саду, а на седьмой — начал вновь получать удовольствие от красоты окружающего пейзажа.

Приспособиться очень помогали остальные органы чувств. Если воробей молчал, он казался прыгающим по дорожке сада, но, как только раздавалось чириканье, Стрэттон сразу же замечал, что птица находится на дереве. Правильно видеть движущиеся предметы было легче, чем неподвижные. Экипаж, стоящий у подъезда, казался перевернутым вверх колесами, но, как только он трогался с места, сразу же обретал правильное положение. Если стенные часы останавливались, они начинали казаться перевернутыми, но, пока маятник качался, воспринимались правильно.

В конечном итоге после нескольких дней ношения очков, переворачивающих изображение, люди начинают видеть окружающий мир вполне правильно и даже способны водить машину, только нужно вести активный образ жизни. Специальный эксперимент подтверждает это утверждение. Два человека одновременно надели переворачивающие очки. Один из них свободно передвигался и мог делать все, что хотел. Второй все время находился в кресле на колесиках с заложенными за спину руками. Ничего делать сам он не имел права. Возил его, кормил и ухаживал первый испытуемый. Переучивание произошло только у активного испытуемого. Пассивный не продвинулся ни на шаг.

Устройство детекторов несложно, но они могут по очень простым признакам узнавать нужный предмет. Наиболее впечатляющий пример — детекторы метро. Они опознают человека по тени. Детектор не способен отличить тень человека от тени верблюда, но ошибки редки, так как в узких проходах, ведущих к эскалатору, верблюдам быть не положено. Простые детекторы могут быть использованы для распознавания сложных изображений. Еще в 1959 году американец Л. Хармон сконструировал анализатор, способный почти безошибочно распознавать цифры от нуля до девяти, написанные от руки словами на английском языке (0 — nought, 1 — one, 2 — two, 3 — three, 4 — four, 5 — fife, 6 — six, 7 — seven, 8 — eight, 9 — nine).

Принцип был очень прост. Машина подсчитывала, сколько раз перо поднялось выше или опустилось ниже общего уровня строчки, вычерчивая h, g, f и t, выясняла, поставлены ли точки над i и черточки на t, да, пожалуй, еще прикидывала общую длину слова. Вот как просто разобраться в самом неразборчивом почерке.

Детекторы зрительной системы человека перекочевали в мозг. Там зрительная информация последовательно развертывается на нескольких экранах, причем каждый последующий обычно больше предыдущего. Поэтому изображение каждый раз увеличивается и становится более разборчивым.

Первые экранные структуры — в заднем ядре наружного коленчатого тела. Так как в ядре 6 слоев клеток, то и экранов 6. Половина их (1, 4 и 6-й слои) получают информацию от глаза той же стороны тела, остальные от противоположного, ⁴/₅ площади каждого экрана занимает проекция центральных отделов сетчатки. На ¹/₅ пространства теснятся ее остальные части. Кроме того, на обращенных внутрь участках экранов зеркально дублирована проекция его наружных частей. Итак, только на первом этапе мозговой обработки зрительной информации изображение дублируется на 24 экранах.

Последующие отделы мозговой части зрительного анализатора тоже обильно экранизированы. Здесь и сосредоточены детекторы. Одни из них обнаруживают движущиеся объекты и определяют направление. Это значит, что нервные клетки отвечают активностью только в случае определенного направления движения. У кролика и кошки большая их часть занята уточнением направления движения в горизонтальной плоскости. У белки-летяги, живущей на деревьях, оба вида детекторов (движения в горизонтальной и вертикальной плоскостях) представлены в одинаковых количествах.

Реакция детекторов направления тем сильнее, чем быстрее движутся предметы. Особенно сильная реакция возникает, если движущийся объект пересекает вертикальный диаметр зрительного поля и удаляется к периферии. Для кошки это значит: «Не зевай, а то упустишь добычу». Для кролика: «Уф, кажется, на этот раз пронесло». Если детекторы движения разрушить, все животные, кроме обезьян, теряют способность следить за двигающимся предметом, как бы он их ни интересовал.

У крыс найдены детекторы освещенности. В отличие от большинства детекторов зрительной системы они реагируют возбуждением на длительно действующие раздражители. После их разрушения животные теряют способность различать яркость света и точно оценивать площадь освещенной поверхности.

Верховным зрительным центром млекопитающих, безусловно, является затылочная кора. Она разделена на три зрительные области: 17, 18 и 19-е поля. Это первичная, вторичная и третичная зрительные области. Вторичные поля получают информацию от 17-го поля (поэтому оно и называется первичным). Кроме того, у кошек и собак в зрении участвуют теменные отделы коры, у человека и обезьян — височные.

Кора головного мозга — слоистая структура. Волокна, несущие зрительную информацию, ветвятся здесь в радиусе 100–200 микрон, вступая в контакт с 5 тысячами нейронов каждый. Нервные клетки разных слоев коры, находящиеся друг над другом, объединяются в вертикальные столбики. К ним посылает свою информацию огромное количество нейронов из всех отделов мозга, занятых обработкой зрительной информации. Возможно, в колонках объединяются все свойства видимого изображения: цвет, объемность, размер, удаленность и другие.

В коре млекопитающих обнаружены детекторы, реагирующие на линию, если хотя бы один ее конец окажется в поле зрения. Другие детекторы реагируют только на появление двух линий, оценивая величину угла между ними. Существуют детекторы, измеряющие степень кривизны линий. Более сложные корковые детекторы способны запомнить и узнать предмет, если его ориентация в пространстве не изменится, на какое бы место сетчатки ни упало изображение.

Функциональная единица коры — рецептивное поле. У кошек и обезьян обнаружено три типа полей: простые, сложные и сверхсложные. Рецептивные поля имеют вытянутую форму и реагируют на что угодно, кроме изменения освещенности. Простые рецептивные поля разделены на две или три полоски — зоны. Одна из них возбудительная, а к ней (иногда с двух сторон) примыкают тормозные. Такое устройство рецептивных полей очень помогает им выискивать прямые линии.

Предположим, что для обнаружения линии необходим сигнал ста нейронов рецептивного поля. Не будь тормозных зон, потребовалось бы, чтобы прореагировало сто нейронов из возбудительной зоны. Тормозные зоны берут часть работы на себя, увеличивая чувствительность рецептивного поля. Они как бы сообщают мозгу, что ничего не видят, что линия находится где-то сбоку. Значит, она действительно прямая, а не волнистая и не залезает на территорию тормозных зон. С их помощью линия будет опознана, если в обеих частях рецептивного поля отреагирует по 50 нейронов.

В простое корковое рецептивное поле коры посылают информацию несколько рецептивных полей сетчатки, расположенных по прямой линии. Когда линия ляжет вдоль рецептивных полей сетчатки, возникнет ответ в соответствующем рецептивном поле коры больших полушарий. Таким образом, каждое простое рецептивное поле коры отвечает на раздражитель, появившийся только в определенном районе сетчатки. Простые рецептивные поля одной ориентации располагаются друг над другом, что позволяет следить за движением прямой линии.

В сложных рецептивных полях возбудительных и тормозных зон не удается обнаружить. Они объединяют информацию от простых рецептивных полей и поэтому реагируют на прямую линию, где бы она ни появилась. В свою очередь, сверхсложные поля обобщают показания нескольких сложных полей, обнаруживая углы, концы отрезков прямой, отвечая возбудительной реакцией на линии одних направлений и тормозной — на линии, находящиеся к ней под определенным углом.

Простые рецептивные поля сосредоточены в 17-м поле, сложные — в 18-м, а сверхсложные — в 19-м. К ним доходит информация только от небольшого участка центральной сетчатки. Чтобы можно было рассмотреть детали, изображение должно быть спроецировано на этот участок. Вот почему необходимы следящие движения глаз.

Информация о разных свойствах раздражителя (о цвете, освещенности, линиях, углах, окружностях и т. д.) передается в кору по разным каналам и здесь объединяется.

Вся ее обработка производится нами совершенно бессознательно. В зрительных ощущениях остается только окончательный результат, хотя зрительное восприятие — активный процесс. Об этом свидетельствуют опыты с так называемыми «двусмысленными рисунками».

Грубо их можно разделить на две группы. При рассматривании одних попеременно воспринимается одна часть рисунка то как фон для другой, то как фигура. Из таких рисунков наиболее известны два обращенных друг к другу человеческих профиля, вместе образующие силуэт вазы. Мы попеременно видим то вазу, то профили.

Ко второй группе относятся рисунки, спонтанно меняющие свою глубину. Один из них — фигура Маха — профильное изображение каркаса полуоткрытой книги. Когда на него смотришь, видишь книгу, то повернутую к тебе страницами, то со стороны переплета.

«Двусмысленные рисунки» содержат недостаточно информации, чтобы можно было остановиться на какой-то одной гипотезе. Но, так как восприятие должно быть однозначным, мозг мечется, принимая то одно, то другое решение. Сколько бы мы ни рассматривали «двусмысленные рисунки», наш мозг будет до бесконечности выдвигать поочередно каждую из двух возможных гипотез, чтобы, тут же ее отбросив, обратиться к другой.

Мозг активно ищет однозначного решения. Он обязан определить, что за предметы у нас перед глазами. Выбирается наиболее вероятная гипотеза. Вот почему очень трудны для восприятия незнакомые предметы. Индийский средневековый поэт Бедиль писал:

Вогнутая маска человеческого лица или ее фотография может восприниматься как лицо. Обыденность человеческих лиц столь велика, что информация о глубине отбрасывается нашим мозгом как неправильная и не принимается в расчет.

Итак, подведем итог. От наивного представления, что глаз просто перерисовывает в мозгу картины, возникшие на его сетчатке, пришлось отказаться. В мозг передается лишь самое необходимое. Ведь избыток информации отбрасывается. Рассматривая тучу, достаточно установить ее форму и, если она однородна, цвет. Нет необходимости, разбив ее на мелкие участки, сообщать о каждом, что его цвет такой же, как у соседнего.

Мозг оперирует показаниями детекторов, которые вычленяют отдельные признаки изображения. Все детекторы смотрят на мир одними и теми же фоторецепторами, но каждый способен заметить только то, на что настроен: прямую линию, угол, окружность. У каждого вида детекторов своя локализация, в связи с этим видимый мир разбивается на куски, систематизируется, и сведения об отдельных его свойствах раскладываются по заранее подготовленным полочкам.

Картина, видимая мозгом, напоминает мозаичное панно, которое рассыпали на составляющие части, а затем кусочки смальты рассортировали по отдельным коробочкам. Мозгу, чтобы узнать изображение, достаточно знать, из каких деталей оно построено и откуда взят каждый отдельный кусочек. Примерно так работает зрительный анализатор человека.

Большинство людей крайне ненаблюдательны. Многие ли могут с уверенностью сказать, с какой полосы, белой или черной, начинается зебра. Зато все без тени сомнения будут утверждать, что зебра — это белое животное, похожее на лошадь, с поперечными черными полосами. И не ошибутся! В недавно вышедшем шестом томе «Жизни животных» А. Г. Банников и В. Е. Флинт пишут: «По светло-серому или буроватому фону тела зебр идут поперечные черные или черно-бурые полосы».

Кажется, сомнений здесь быть не может. Не совсем так. Спросите о зебре любого африканца, и он, ни на минуту не задумавшись, скажет, что зебра черное животное с белыми полосами. Так представляет себе зебру коренное население Африки.

Образ предмета — это обобщение. Используя с помощью детекторов сжатое описание предмета, мы узнаем его независимо от положения в пространстве, изменения освещенности или масштаба и можем обобщать, следовательно, узнавать разные предметы, относящиеся к одному классу.

Мы легко узнаем букву «а», каким бы шрифтом ее ни напечатали и каким бы почерком ни написали. Одинаково хорошо узнаем воробья, сидящего на ветке, клюющего корку хлеба, купающегося в весенней луже или нахохлившегося зимним морозным вечером.

Наш мозг находит для этого бесспорные признаки, но держит их в секрете. Мы легко отличаем собаку, к какой бы экзотической породе она ни относилась, от любой экстравагантной кошки. Но попробуйте для пришельца из космоса, который еще не видел ни собак, ни кошек, составить программу, пользуясь которой он мог бы легко их различать, и убедитесь, как это трудно. Для таких сложных операций в мозгу не предусмотрены готовые аппараты. Они формируются в течение жизни, по мере знакомства человека с окружающей средой, в том числе и социальной. Вот почему неоднозначно воспринимают цвет зебр европейцы и коренные жители Африки.

Детекторы животных могут вычленять весьма сложные изображения. У куриных птиц существует детектор, позволяющий им по контуру летящей птицы отличать хищника от безобидных тварей. Критерием служит короткий силуэт головы и длинный хвост для хищных птиц, вытянутая вперед на длинной шее голова и короткий хвост для гусей и уток. Распознаванию этих двух образов куры не учатся. Весь механизм в готовом виде имеется уже у только что появившихся на свет цыплят.

Некоторые ученые полагают, что и у человека существуют детекторы для узнавания очень сложных изображений, например человеческих лиц. Недавно было обнаружено, что, если самым маленьким детям предоставить возможность рассматривать различные рисунки, их взор дольше всего задерживается на изображении человеческого лица.

Чем сложнее был рисунок, тем дольше рассматривал его малыш. Изображения лица дети рассматривали вдвое дольше любого рисунка. Ни одна деталь лица сама по себе не привлекала особого внимания. Когда демонстрировался овал со всеми атрибутами лица: глазами, носом, ртом, бровями, волосами, но разбросанными в таком беспорядке, что признать рисунок за изображение лица было никак невозможно, — он не привлекал особого внимания младенца.

Единого мнения о возможности врожденного существования у человека таких сложных детекторов нет. Несомненно, что даже простыми детекторами человек должен учиться пользоваться. Слепые от рождения люди, которым оперативным путем удалось вернуть зрение, долгое время учатся видеть. Активные, разносторонне развитые субъекты значительно быстрее обучаются пользоваться зрением, зато менее развитые и очень поздно прозревшие не могут достичь сколько-нибудь значительных успехов. Нередко, несмотря на известные положительные результаты, они переставали пользоваться зрением и возвращались к прежней жизни, в мир осязания.

Вскоре после операции благодаря врожденным детекторам прозревшие легко обнаруживают прямые линии, но решить, какая из них горизонтальная, а какая вертикальная, не могут. Легко замечая разницу между цветами, долго не могут запомнить, какой цвет считается красным, а какой — синим. С помощью детекторов они могут увидеть шар и круг, квадрат и куб, но не в состоянии отличить ни круг от шара, ни шар от куба, хотя отлично умеют это делать на ощупь.

Особенно трудно дается узнавание более сложных предметов. Описан больной, долго не умевший отличить петуха от лошади. В его мозгу неправильно сформировались различительные признаки. Путаницу внес хвост, достаточно пышный и у лошадей и у петухов. Подсчитать ноги этот человек не догадывался. Другой больной не сразу научился отличать вилку от ложки со схожими черенками и суп черпал вилкой, а в телячью отбивную пытался вонзить ложку.

Очень трудно для восприятия то, что ранее не было осязательно известно. Больному, прозревшему в возрасте 48 лет, через шесть месяцев после операции предложили нарисовать трехэтажный дом, весь нижний этаж которого занимала кондитерская, и костел, построенный в готическом стиле. Оба здания ему были знакомы с детства, но лишь на высоту поднятой руки. В пределах знакомой зоны он справился с заданием довольно успешно, а чуть выше рисунок обрывался, никаких зрительных представлений о верхних частях здания этот человек, оказывается, не имел.

Некоторое время спустя на повторном рисунке над кондитерской была вывеска, а еще позже фасад поднялся выше, на нем появились не очень уверенно изображенные окна и крыша. С ней больной был немного знаком по игрушечному домику. Костел и через год дорисован не был. Больной так и не сумел запомнить и никогда не пытался нарисовать замысловатые силуэты остроконечных крыш, шпилей и башенок.

Значительные затруднения вызывает чтение. Больному 52 лет, читающему по методу Брайля для слепых, еще в школе запомнившему на ощупь крупные выпуклые буквы, почти не потребовалось специального обучения, чтобы узнавать крупные печатные буквы. Зато мелкие прописные, о существовании которых он раньше не знал, долго не давались. За три года он сумел научиться читать только наиболее простые и короткие слова.

Зрение в процессе эволюции совершенствовалось постепенно. Рыбы легко запоминают достаточно сложные изображения, но малейшие изменения собьют их столку. Треугольник, немного измененный по величине, остается треугольником, но перекрашенный в другой цвет или перевернутый они за треугольник не признают.

Сусликов и крыс удается, хотя и с трудом, научить узнавать фигуру, как бы ее ни повернули, но найти что-либо общее между черным кругом на белом фоне и белым на черном они не могут.

Обезьяны легко узнают фигуры, в какой бы цвет их ни окрасили и на каком бы фоне ни изобразили: шимпанзе узнает простые фигуры даже на ощупь. Бегло взглянув на рисунок и недолго порывшись в мешочке с вырезанными из картона фигурками (куда заглядывать ей не разрешается), она найдет треугольник.

Человек способен к более сложному обобщению. Двухлетний ребенок, если ему показать треугольник, составленный из отдельных кружочков (как складывают бильярдные шары), узнает в нем треугольник. Даже человекообразные обезьяны не в состоянии справиться с этой задачей.

Зрению приходится учиться. Прозревшие люди вначале напоминают рыб… Уже научившись узнавать основные предметы, они при малейшем изменении ситуации путаются. Привыкнув есть из тарелки с синей каемочкой, в фарфоровом предмете с золотым ободком тарелки пациент не узнает. Он не узнает ложки, если ее положить не перпендикулярно к краю стола или не тем концом к едоку.

Щенята, воспитанные без зрительных впечатлений, в матовых очках, пропускавших лишь рассеянный свет, не могут с помощью зрения догадаться о существовании на пути преграды и натыкаются на все встречные препятствия. Обезьянки не узнавали ни яблоки, ни бананы. Им, как и прозревшему человеку, приходилось долго учиться пользоваться своими глазами.

Кратковременное лишение зрения менее трагично. У месячных щенков, впервые получивших возможность смотреть на мир, так же быстро, как и у нормальных, вырабатывались условные рефлексы на крест, круг, треугольник. Они узнавали их в перевернутом виде и при других изменениях. Возможно, это врожденное свойство мозга, но разрушающееся, если кто-либо долго лишен возможности пользоваться зрением.

Обычно судьба поздно прозревших людей трагична. Большинство из них в конце концов отказывается пользоваться зрением и впадает в сильнейшую депрессию, хотя до восстановления зрения были достаточно жизнерадостными людьми.

Обучение должно быть активным. Котят с первых дней жизни, за исключением специальных опытов, содержали в полной темноте. На опыт малышей сажали в специальные корзиночки. Одна из них имела прорезь только для головы животного, другая — еще и для лапок. При вращении одной из корзинок в ту же сторону начинала вращаться вторая, так что оба котенка все время видели одинаковые картины. Вращал корзинки котенок, лапки которого касались пола. Зрение сформировалось только у него, пассивное животное, по существу, осталось слепым.

Простейшие изображения, линии определенного направления или углы человек узнает с помощью детекторов. Если испытуемому набор таких простых рисунков показывали на доли секунды, время поиска нужного изображения не зависело от общего их числа.

Иначе опознаются сложные рисунки. Даже когда человек был хорошо с ними знаком, ему требовалось тем больше времени на поиски, чем больше их одновременно показывали. Интересно, что ни размер изображения, ни сложность рисунков не удлиняли время поисков. Значит, время опознания не зависит у человека от количества простых признаков, с помощью которых мы узнаем предмет. Хотя на их основе мы формулируем сложный признак.

Видимо, обработка простых признаков идет одновременно по разным каналам и друг другу не мешает. Поэтому нет никакой разницы в том, сколько простых признаков привлечено к образованию сложного. Испытуемому безразлично, разыскивать ли самый маленький кружок среди кружков различной величины или искать его среди кружков и квадратиков. Время поиска от этого не изменится. Значит, эти операции — узнавание формы и величины — выполняются одновременно и не мешают друг другу.

Другое доказательство раздельной обработки простых признаков получено в опытах с фиксацией изображения на сетчатке. Изображение, удерживаемое строго на одном участке, очень скоро перестанет вызывать возбуждение, и человек его не видит. Неподвижность изображения достигается тем, что раздражитель на присоске крепят к глазному яблоку. Теперь при движении глаза изображение не смещается. Было отмечено, что первым всегда выпадает цветоощущение, а за ним — информация о форме. Значит, сообщения о цвете и форме передаются по разным каналам.

Одновременно рассматривать несколько сложных рисунков невозможно. Вначале предпринимается попытка рассматривать все сразу. Однако вскоре опознание сосредоточивается на одном рисунке. Лишь после того, как вероятность правильности опознания достигнет 70 процентов, начинается опознание второго, тоже до этого уровня и так далее. Каждое последующее изображение опознается чуточку быстрее предыдущего, так как начинается не с нуля. Все время, пока шло интенсивное опознание первого рисунка, мозг работал и над остальными, но в более медленном темпе.

Когда рисунок очень сложен, отдельные его части опознаются порознь, а затем формируется общая картина. Обычно мы этого не замечаем. Нам кажется, что мы видим все изображение сразу. Это один из обманов зрения. На самом деле мы последовательно переходим от детали к детали, и в тот момент, когда рассматривается только одна из его частей, все остальное, только что увиденное, выдает нам блок краткосрочной памяти. Разглядывая рисунок, мы не осознаем, что в данный момент нами распознается, а что дополнено нашей памятью.

Интересные результаты дает изучение зрительного восприятия у больных с различными повреждениями мозга. Удалось обнаружить участки, которые заведуют восприятием цвета, формы и местоположения в пространстве. Если разрушен один из них, возникает дефект восприятия.

Описаны больные с поражением определенных зон коры больших полушарий, у которых пострадало только цветоощущение. В задневисочной области найдены зоны, при поражении которых больной теряет способность узнавать предметы по внешнему виду. Ощупав их руками, он без труда скажет, что имеет дело с ложкой или балалайкой, а с помощью зрения сделать это не в состоянии. При поражении нижнетеменной области больной отлично узнает предметы, но затрудняется сказать, близко или далеко до них, что расположено выше, а что ниже, что дальше и что ближе и что куда движется.

Итак, образ не поточечное описание изображения. Спроецированное на многотысячных ансамблях сетчатки, оно становится образом на вершине многоэтажной пирамиды детекторов. Создание образа есть творческий процесс, связанный с явлениями памяти и обучения.

Иногда говорят: удар был так силен, что искры посыпались из глаз. Действительно, удар по лицу, подзатыльник и вообще удар по голове вызывает у пострадавшего зрительные ощущения: похоже, что хотя и не из глаз, но в непосредственной близости от них вылетает россыпь бенгальских огней. К сожалению, сторонний наблюдатель не в состоянии насладиться этим ослепительным зрелищем, а потерпевшему и вовсе не до того.

Аналогичный эффект можно вызвать и более деликатным способом, путем точечного раздражения электрическим током затылочных областей коры больших полушарий. Человек, некоторое время находившийся в темноте, или больной, потерявший зрение, видит вспыхнувшую в черном бездонном небе одинокую звезду, световое пятно или реже небольшую светящуюся полоску. Описанное явление носит название фосфена. Выходит, что мозг может видеть, не прибегая к помощи глаз. Значит, можно сделать попытку вернуть зрение лицам, потерявшим его в результате болезни глаз.

В Западной Германии 15 лет назад слепому вживили в затылочную область мозга 4 стальные проволочки. От 4 фотоэлементов на каждый электрод подавался электрический ток, усиливаемый специальным устройством. Водя вокруг себя батарейкой фотоэлементов, больной мог найти источник света: настольную лампу, зажженный карманный фонарик.

Четырех световоспринимающих элементов недостаточно, чтобы восполнить потерю глаз. Даже у мухи их неизмеримо больше. Человеческий глаз воспринимает зрительное изображение с помощью 7 миллионов колбочек и 130 миллионов палочек и передает в мозг по 900 тысячам нервных волокон.

В настоящее время искусственный глаз представляется следующим образом. Во-первых, нужна миниатюрная матрица световоспринимающих элементов и объектив, фокусирующий изображение. Во-вторых, — устройство, преобразующее оптическую информацию в электрический стимул. И наконец, в-третьих, — сложный, многоячеистый электрод, накладываемый на мозг для его раздражения.

Трудней всего создать среднее звено. Это должен быть крохотный, умещающийся под шляпой компьютер для преобразования информации фотоэлементов и подгонку ее под параметры мозга.

Геометрия раздражения мозга может не соответствовать геометрии возникающих ощущений. Машина должна разобраться в этом, держать в памяти сведения о местоположении фосфенов и преобразовывать соответствующим образом сигналы фотоэлементов.

Под разными электродами будут возникать фосфены неодинаковой яркости. Компьютер должен запомнить чувствительность каждого участка мозга и соответствующим образом регулировать раздражение, чтобы его яркость точно соответствовала яркости изображения.

Наконец, чтобы возник фосфен, нужно одиночные импульсы фотоэлементов многократно повторять с частотой до 100 раз в секунду.

На пути искусственного глаза стоят огромные трудности. На человеке нельзя экспериментировать, а у животного не спросишь, видит ли оно фосфен и каков он. У медиков нет уверенности, что постоянная стимуляция мозга окажется безвредной для человека, и никто из хирургов не решится надолго оставить толстый пучок электродов в мозгу больного.

В силу огромной сложности и значительного риска, искусственный глаз опробован лишь дважды. В первом случае в мозг ввели 80 электродов, из них 40 оказались способными вызывать фосфен. За 4 года из-за поломки большинство электродов перестали вызывать эффект, а оставшихся было недостаточно для моделирования зрения.

Вторым пациентом стал мужчина 60 лет, лишенный зрения на протяжении 30 лет. Ему вживили 75 электродов, 68 из них смогло работать. К сожалению, размер возникающих фосфенов был невелик. Они занимали в поле зрения площадь порядка 1 градуса. Для мозга не прошло бесследно длительное отсутствие зрительных впечатлений. С помощью искусственного глаза больной мог без труда опознавать простые зрительные изображения, однако, ощупывая рукой, он это делал быстрее.

Глазной протез позволял видеть только относительно крупные изображения, так как его разрешающая способность в 2 тысячи раз меньше человеческого глаза. Все-таки, хотя и подслеповатые, искусственные глаза смогут вернуть больному настоящее зрение, когда ученые сумеют вживлять в мозг раз в 100 больше электродов, чем было сделано в первых пробах. Проблема протезирования зрения кажется в настоящее время принципиально возможной.

Народная поговорка гласит: не каждому слуху верь. И не веришь! Мы живем в хаосе звуков, но на многие ли из них обращаем внимание?

Задача органа слуха — определить, что служит источником звуковых волн и какими свойствами он обладает: неподвижен ли, а если движется, то куда, с какой скоростью. Вся информация должна быть получена (можно сказать, высосана из пальца) путем анализа упругих волн, распространяющихся в воздухе, воде или в твердых телах (земле, древесине и т. д.).

Работа слухового анализатора человека не менее сложна, чем зрительного. Он обязан уметь оперативно разобраться в длинном потоке сложных звуковых колебаний, каким является наша обыденная речь. Животные также обладают довольно изощренным слухом. Малые африканские фламинго узнают по голосу своего ребятенка среди 50–100 тысяч таких же малышей, дожидающихся возвращения родителей.

Когда на нашей планете зарождалась жизнь, не было источников звука, способных передвигаться быстрее, чем распространялись звуковые волны. В этом и состояла огромная ценность звуковой информации. Она давала возможность заблаговременно получить достоверные сведения о существах, находящихся еще далеко. Значительно раньше, чем состоится личная встреча.

Периферический рецептор, воспринимающий звуковые волны, если описать его очень упрощенно (он расположен во внутреннем ухе), представляет собой миниатюрную арфу, с постепенно меняющейся длиной струн. Каждая струна отзывается, то есть начинает колебаться (и возбуждает соответствующую нервную клетку), лишь в ответ на звуковые волны определенной частоты в строгом соответствии со своей длиной.

У мозгового отдела слухового анализатора много общего со зрительным. На различных этажах мозга есть экранные структуры, в которых можно найти проекцию арфы — кохлеарного аппарата улитки. Поэтому высокие и низкие звуки анализируются в противоположных концах экрана. Только в коре каждого полушария не менее четырех проекций. На каждые 2 миллиметра проекции частота звуковых волн меняется на 1 октаву.

В слуховой системе долго не могли найти детекторов. Возможно, не то искали. Одним из первых был обнаружен детектор перемещения в пространстве. Он реагирует только на уменьшение интервала между звуками, приходящими в левое и правое ухо. Если мимо животного движется объект, производящий звуки, то пока он находится далеко слева, звуки в левое ухо приходят раньше, чем в правое. Постепенно этот интервал будет все короче и короче, пока звучащий объект не начнет удаляться вправо. Детектор, воспринимающий увеличение интервала между звуками, пока не обнаружен.

Детекторов расстояния известно три. Они реагируют на изменение интенсивности звуков. Для одних нейронов безразлично, усиливаются звуки или ослабевают. Видимо, этот детектор сторожевой. Он сообщает мозгу, что где-то недалеко находится зверь, который перемещается в пространстве.

Его сигналы вызывают настораживание остальных детекторов расстояния. Часть из них отвечает только на усиление звуков, то есть реагирует на приближение другого существа и прекращает импульсацию, как только оно начнет удаляться и звуки станут ослабевать. Другие воспринимают удаление звучащего существа, отвечая усилением электрических разрядов лишь на ослабление звуков.

В коре больших полушарий были обнаружены нейроны, реагирующие только на тоны строго определенной частоты, и три типа нейронов, откликающиеся на звуки с меняющейся частотой. Два — при изменении частоты только в каком-то одном направлении (возрастание или уменьшение), третий — в любом случае, лишь бы частота менялась.

Весьма загадочна функция «нейронов внимания». Они реагируют на звуки только в том случае, если животное рассматривает звучащий предмет. Может быть, их участие необходимо, когда животное должно выяснить и запомнить, что представляет собой объект, издающий новый, незнакомый звук. Возможно, это нейроны-скептики, не считающие достоверными и не обращающие внимания на те звуки, источник которых им неизвестен.

У насекомых детекторы звуков часто носят служебных характер, тотчас запуская специальные реакции животного (без предварительного обсуждения воспринятой информации мозгом). Так работает у ночных бабочек детектор обнаружения летучей мыши. Он воспринимает только ультразвуки. Если локационный луч охотящейся летучей мыши упрется в летящее насекомое, детекторы обнаружения, находящиеся в крыльях, мгновенно посылают команду мышцам, крылья складываются, и бабочка падает в траву.

Нелегко понять особенности звукового восприятия. Стрекотание сверчка — это приглашение самке явиться на свидание. Конечно, самец должен петь по правилам, чтобы самка узнала самца. От общения с иноплеменным потомства не будет.

Между тем песня некоторых сверчков весьма непостоянна. Иногда певец выдает длинные однообразные рулады, разделенные большими паузами: ч-ч-ч-ч-ч-ч — пауза, ч-ч-ч-ч-ч-ч — пауза. Длина рулад и пауз всегда постоянна. Иногда вместо сплошных рулад слышно несколько чирканий, разделенных паузой: чик-чик-чик-чик — пауза, чик-чик-чик-чик — пауза. Наконец, певец может просто долго-долго чиркать, не делая пауз: чик-чик-чик-чик-чик-чик-чик… На любую песню самка спешит к самцу. Что ее привлекает?

С помощью магнитофона исследователи записали все три песни и проиграли их для самки по отдельности. Выяснилось, что сплошные чирканья оставляют самку совершенно равнодушной, зато песнь, разделенная паузами определенного размера, ее привлекала. Значит, размер паузы является удостоверением личности самца, подтверждающим принадлежность к определенному виду. Затем сравнили степень привлекательности сплошных рулад и состоящих из отдельных чирканий, разделенных одинаковыми паузами. Когда обе песни звучали одновременно, справа и слева, самки, не задумываясь, поворачивали в ту сторону, откуда неслись чирканья. Именно чирканья служат призывом к встрече. Оказалось, что сплошные рулады тоже привлекают самок, но только в том случае, если сначала была разделенная паузами песня. Значит, детектор, определяющий величину паузы, запускает работу второго.

Изучение звуковых реакций животных и детекторов, воспринимающих звуки, еще только начинается и сулит нам немало интересных находок.

Чем должны пахнуть духи, толком никто не знает. Кроме духов «Нарцисс», «Красный мак», «Белая сирень», «Серебристый ландыш», которым парфюмеры стремились придать естественный запах, наша промышленность выпускает немало духов с удивительными названиями: «Белая ночь», «Красная Москва», «Кармен», «Лель», «Дон Жуан», когда-то продавались духи «Джамбул».

В обыденной жизни мы не замечаем, что постоянно пользуемся обонянием. Оно кажется лишним, необязательным и по сравнению со зрением, слухом и кожной чувствительностью не приносящим нам никакой пользы. Но случись у нас насморк, на несколько дней снизивший обоняние, и пища сразу делается невкусной. Еще страшнее посторонний запах, даже приятный. Прилейте в щи того же «Леля» или «Дон Жуана» и попробуйте их преодолеть.

В помещении, где царит неприятный запах, никакая пища в рот не пойдет. То же самое относится к вкусовым ощущениям. Большинство людей с трудом привыкают к пище, имеющей непривычный вкус. Обоняние и вкус, хотя и не относятся к ведущим человеческим анализаторам, держат нас под башмаком.

Неприятный запах — сильнодействующее средство, одинаково нестерпимое и для человека, и для животных. Провинившихся собак я наказываю флаконом духов. Вполне достаточно показать его издалека. Сильнее наказания для собаки не бывает.

Есть животное, главное оружие которого нестерпимо отвратительный запах. Его обладатель скунс чувствует себя в полной безопасности. Медведь и ядовитая змея, человек и собака — все спешат уступить ему дорогу. Случись кому зазеваться — зверек поднимет хвост и прыснет зловонной гадостью. Пострадавший запомнит знакомство со скунсом на всю жизнь.

Обоняние и вкус — химические лаборатории организма. Их работа загадочна. Неизвестен даже принцип опознания пахучих и вкусовых веществ. Ясно одно: восприятие запаха не связано с химическими превращениями молекул, так как оптические изомеры всегда пахнут одинаково.

Оптическими изомерами называются вещества, состоящие из одинаковых атомов, одинаковым образом соединенных, но расположенных зеркально друг к другу. Как порядок расположения пяти пальцев на пясти руки делает ее правой или левой, так и порядок присоединения четырех различных атомов к углероду делает молекулу правым или левым изомером. Изомерные молекулы химически во всем равны друг другу, одинаково хорошо участвуя в реакциях, пока дело не коснется такой же асимметричной молекулы. Исход встречи будет зависеть от того, одинакова или противоположна их конфигурация.

Все живые организмы синтезируют и используют лишь один какой-то изомер. Другой, непривычный, искусственно введенный в пищу, усваиваться не будет. Большинство органических веществ биологического происхождения, в том числе ферменты, являются оптическими изомерами и способны взаимодействовать только с одним из оптических изомеров. Поэтому, если бы обоняние было химическим процессом, только один из оптических изомеров обладал бы запахом. В лучшем случае запахи правого и левого изомеров резко различались. Между тем все опробованные пары оптических изомеров пахнут совершенно идентично. Значит, механизм обоняния иной.

Сравнительно недавно наиболее правильной считалась колебательная теория запаха. Ее сторонники предполагали, что колебания молекул пахучих веществ вызывают резонансные колебания в молекулах рецепторных клеток, возбуждая их.

Противники теории находили в ней немало слабых мест. Вещества могут резко отличаться по химическому составу и частоте колебаний, а запах иметь сходный. Если бы колебательная теория обоняния была бы верна, и мы и животные переставали бы ощущать запахи при температуре окружающего воздуха, равной температуре тела. На самом деле никакого ослабления обоняния в жаркую погоду не происходит.

В результате колебательных движений атомов и молекул или ритмических изменений формы молекул, несущих на себе электрические заряды, возникают электромагнитные волны. Появилось предположение, что именно их и воспринимает орган обоняния. В этом случае при достаточной чувствительности обонятельных рецепторов нет необходимости, чтобы сама молекула пахучего вещества попадала в обонятельную полость. Достаточно проникновения туда электромагнитных волн, для которых ткани носа не преграда. С помощью этой теории пытались объяснить способность насекомых улавливать запах на огромном расстоянии от источника пахучего вещества.

Электромагнитная теория несостоятельна. Ее возникновение — чистое недоразумение. Она противоречит физическим законам возникновения и распространения электромагнитных колебаний.

Большой популярностью пользуется теория замочной скважины и ключа. Она предполагает, что запах вещества непосредственно не связан с химическими особенностями атомов, из которых состоят пахучие вещества, а зависит исключительно от размеров и формы молекулы, от распределения на ней электрических зарядов или особых функциональных групп. Ими могут быть гидроксильная —ОН; альдегидная ; изотиоцианатная —N—С—S и др.

Подобно тому как все мыслимые оттенки цвета могут быть получены из семи основных цветов, так и запахи могут быть составлены из 7–14 первичных запахов: камфорного, мускусного, цветочного, мятного, эфирного, едкого и гнилостного.

Камфорным запахом обладают шаровидные молекулы с диаметром 7 ангстрем. Так как упаковка атомов в молекулах может иметь различную плотность, камфорным запахом обладают вещества с небольшим атомным весом, вроде гексахлорэтана, его формула С₂Cl₆, и состоящие из 15–25 атомов вроде циклооктана — С₈Н₁₆ и дихлорэтиламида тиофосфорной кислоты — C₂H₆NCl₂SP. Сама камфора имеет формулу C₁₀H₁₆O.

Молекулы веществ с мускусным запахом имеют вид плоского диска диаметром 10 ангстрем. У молекул с цветочными запахами — дискообразная головка диаметром 9 ангстрем — с хвостиком толщиной около 4 и длиной в 7–8 ангстрем, слегка поджатым, как у провинившейся собаки. Поэтому углубление для хвостика должно быть значительнее, чем для головки.

Замочная скважина для веществ с эфирным запахом имеет продолговатую форму. Ее ширина всего 5, глубина 4, а длина достигает 17 ангстрем. Предполагается, что крупные молекулы, имеющие эфирный запах, полностью заполняют скважину, а маленькие укладываются туда по две.

Едкий и гнилостный запахи свойственны очень маленьким молекулам, имеющим положительный (едкие) и отрицательный (гнилостный) заряд. Ключи по форме и размеру должны соответствовать замочной скважине, слишком маленький ключ вывалится раньше, чем клетка почувствует его присутствие, а чересчур большой вообще в нее не попадет.

В молекуле пахучего вещества важно местонахождение заряда или функциональной группы. Они должны лечь точно на соответствующее устройство замочной скважины. От этого зависит запах.

Молекула, состоявшая из 11 атомов углерода, 22 атомов водорода и одного атома кислорода

пахнет рутой (рута — травянистое или полукустарниковое растение, в диком виде растет в Крыму по каменистым склонам гор). Присмотревшись к ней, нетрудно заметить, что 10 атомов углерода, как богатыри дядьки Черномора, равны между собой и только один второй слева, к которому двойной валентной связью крепится кислород, выделяется из их стройного ряда. Этот углерод нетрудно переместить на третье, четвертое, пятое или шестое места. Что же при этом произойдет с запахом?

Оказывается, при перемещении группы СО к центру молекулы запах руты постепенно убывает и возникает фруктовый запах. Видимо, существуют разные замочные скважины для молекул с кислородом, находящимся в конце и в середине цепочки атомов.

Известно несколько веществ с общей для всех кольцеобразной формой молекулы и индивидуальным коротеньким хвостиком из различных атомов. Они имеют одинаковую конфигурацию, размер и обладают запахом миндаля. Замена в циклической части одного из атомов водорода соединением — ОСН₂ изменяет его запах на ванильный.

Молекулы многих веществ, строго сохраняя свое химическое строение, могут иметь различную конфигурацию. Две резко различные формы присущи молекулам, состоящим из 6 атомов углерода, 10 атомов водорода и одного атома кислорода. Упрощенно их можно передать следующим образом:

Их запах не имеет ничего общего.

Сложный запах может создаваться при одновременном действии нескольких различных молекул или благодаря тому, что молекула пахучего вещества действует одновременно разными своими частями на несколько рецептивных участков чувствительной клетки. Крупные молекулы могут одновременно дотягиваться до двух замочных скважин. Мелкие занимают первую попавшуюся.

Вещества с простым запахом, сколько их ни разбавляй, запах не меняют. Иначе ведут себя вещества со сложными запахами. Очень концентрированные и очень разведенные растворы могут пахнуть по-разному. Концентрированная смесь веществ, из которой приготовляют духи «Белая сирень», имеет запах, неприятный для человека, и совершенно не напоминает сирень. Объясняется это явление просто. Пахучие вещества обычно содержатся в весьма различных концентрациях. При сильном разведении запахи одних веществ раньше перестают восприниматься, тогда как других будет еще достаточно для того, чтобы пахнуть.

Эта теория хорошо объясняет большинство особенностей обоняния. Например, привыкание к запахам. Вероятно, чувствительная клетка возбуждается только в момент введения ключа в замочную скважину, а затем быстро успокаивается. Поэтому мы ощущаем запахи только в момент первого соприкосновения с пахучими веществами или когда запах усиливается.

Гамма вкусовых ощущений также создается путем сочетания простых компонентов. Их гораздо меньше, чем обонятельных. Для человека называют 4: сладкое, соленое, кислое, горькое. Есть животные, способные почувствовать вкус только одного-двух элементов.

У синей мухи вкусовые рецепторы находятся на покрытом волосками хоботке. В основании каждого волоска три чувствительные клетки. Удалось выяснить, что две из них анализируют вкус, третья служит осязательным рецептором. В микроскоп видно, что одна из обонятельных клеток похожа на букву S, другая имеет форму запятой. Надев на волосок тончайшую капиллярную трубочку, заполненную исследуемым веществом, и отводя биопотенциалы от нервных волокон, ученые подслушали, какие сообщения посылают рецепторы крохотному мушиному мозгу. Оказалось, что S-образная клетка реагирует только на сахар, а вторая — на такие вещества, как соль, кислоты, алкоголь, но ни при каких условиях не отвечает на сахар.

Сахарные рецепторы всех волосков хоботка посылают сигналы в пищевой центр и запускают его работу. Синяя муха питается сахарами. Остальные вещества, возбуждая второй вкусовой рецептор, затормаживают пищевой центр. Что попало муха есть не будет.

Вкусовые рецепторы мухи реагируют не на химическую природу, а на размер и форму молекул. Такое предположение позволили сделать специальные опыты. Синюю муху кормили четырьмя различными веществами, состоящими из одних и тех же атомов, но соединенных по-разному. Запятаяобразный рецептор возбуждался тремя из этих веществ, S-образный — четвертым.

Вкус позвоночных, возможно, действует по химическому способу. Ученые исследовали белки участка языка коровы, который более всего чувствителен к сладкому. Они обнаружили особый белок, легко взаимодействующий и с естественным, и с синтетическим сахаром — с молекулами, обладающими сходными структурами. Специальная комиссия дегустаторов определила, какой состав является более сладким. Выяснилось, что чем сильнее химическая связь между белком и сахаром, тем слаще это вещество казалось дегустаторам! Позже ученые выделили из области вкусовых бугорков языка коровы еще один белок. Он взаимодействует с молекулами, определяющими горький вкус.

Вкусовые белки имеют разный электрический заряд: у молекул «сладкого» он положительный, молекулы «горького» — электрически нейтральны.

Вкусовая и обонятельная чувствительность человека и животных неодинакова. Для лосей, зайцев, бобров кора молодых осин — непревзойденное лакомство, а для человека она нестерпимо горька. Собака обладает утонченным обонянием, позволяющим ей по следам находить дичь, отыскивать преступников. А многие ли из нас по запаху отличат своего сынишку от 5–6 его сверстников?

Различия зависят от общего количества чувствительных клеток и разнообразия приемных устройств. 7–14 типов приемников человека, если их рационально использовать, будут достаточно эффективны. Обонятельно одаренные люди узнают больше 10 тысяч запахов. Можно теоретически подсчитать, что 16 384 запаха могут быть идентифицированы с помощью всего 14 типов воспринимающих устройств. Кролик, вероятно, располагает 24 типами приемных устройств, а собака — 25–35. Нет никакой уверенности, что все 24 кроличьих индикатора есть у собаки. Ведь растительные запахи ее не интересуют.

Количество обонятельных клеток определяет чувствительность нашего носа. У людей площадь стенок обонятельной полости равна пяти квадратным сантиметрам, на которых расположено около 6 миллионов чувствительных клеток. У собак она достигает 100 квадратных сантиметров и содержит около 220 миллионов чувствительных клеток. В 35 раз больше. В результате нос собаки в миллион раз чувствительнее человеческого.

Человек ощущает запах, если на каждую обонятельную клетку будет приходиться не меньше восьми молекул пахучего вещества. Только тогда рецепторные клетки начнут посылать информацию в мозг. Мозг же ощутит запах, если получит сообщения не менее чем от 40 воспринимающих клеток.

Мизерные обонятельные способности современного горожанина отчасти объясняются плохой тренированностью нашего носа. Пигмеи африканских джунглей во время охоты широко пользуются им. Среди промысловых охотников Сибири попадаются люди, способные в кромешной темноте свободно ходить по лесу. Обоняние помогает ощущать запах древесных стволов и не натыкаться на них в потемках. Слепые от рождения обычно обладают утонченным обонянием, отчасти компенсирующим отсутствие зрения.

Сейчас химические анализаторы изучаются во многих лабораториях и поток новых сведений быстро нарастает. Чтобы до конца раскрыть тайну нашего обоняния и вкуса, требуются опытные детективы.