Скорость передачи сигналов по нерву
Поскольку механизм проведения нервного импульса рассмотрен в трех книгах выдающихся исследователей этого процесса — Тасаки, Катца, а также в классической книге А. Ходж-кина, я не буду излагать сведения о механизме генерации и проведения нервного импульса. Сказанное выше можно просуммировать следующим образом.
Наиболее совершенный способ связи рецептора и двигательного аппарата, которые обязательно должны быть пространственно разделены, состоит в передаче сигналов по нервному волокну. Скорость передачи сигналов по нерву (нервных импульсов), осуществляемых по принципу структурных перестроек, не может превысить скорость звука и фактически лимитируется подвижностью ионов в электрическом поле. Возможность передачи световых сигналов по нервному волокну не исследована.
Нервы возникли в эволюции вследствие необходимости преодоления пространственной разобщенности механизма, воспринимающего сигналы из внешней среды, и механизма перемещения в пространстве; сни необходимы, кроме того, из-за медленности и беспорядочности направлений диффузий химического регулятора. Однако непосредственным способом управления биохимическим механизмом перемещения в пространстве может стать только образование в мышечной клетке специфических веществ. Только такие вещества способны изменить скорость ферментативного процесса расщепления АТФ, инициировать процесс конформационных изменений макромолекул, приводящих к преобразованию свободной энергии химического процесса, в механическую работу.
Следовательно, нервный импульс, дойдя до цели, до конца нервного волокна, должен вызвать образование специфического химического регулятора сокращения мышцы (что и происходит на самом деле). Сейчас мы знаем, что роль такого медиатора играют ионы кальция. Освобождение ионов из связанного состояния (в структурах саркоплазматического ретикулума) и соединение его с белками комплекса актомиозин — тропомиозин — тропонин — условие начала сокращения миофибриллы, начала движения нитей актина и миозина навстречу друг другу. Связывание кальция служит причиной прекращения ферментативного расщепления АТФ, прекращения энергетического обеспечения сокращения миофибрилл, т. е. условием расслабления, сопровождающегося при нагрузке растяжения миофибриллы, например, при действии эластических сил коллагеновых волокон или груза, или же под действием реципрокных (тянущих в противоположную сторону) мышц. Однако количество ионов кальция, непосредственно поступающих в протоплазму в результате прихода нервного импульса, очень невелико, и поэтому на нервных окончаниях действует механизм химического усиления, т. е. увеличения количества кальция, происходящего посредством медиаторов. Под влиянием нервного импульса выделяется химический медиатор — ацетилхолин (обеспечивающий регуляцию быстрых мышц) или адреналин (регулирующий относительно длительный тонус специализированных мышц в стенках кровеносных сосудов). Эти медиаторы запускают процессы, приводящие к появлению больших количеств кальция в иннервируемом органе.
Эволюционное совершенствование связей двигательных аппаратов (мышц) с рецепторами посредством нервов является залогом дальнейшего прогресса в решении основной проблемы эволюции на данном этапе — проблемы совершенного управления перемещением организма. Мы уже видели, что управление движением становится предельно совершенным лишь при достижении совершенного анализа траектории произвольного движущегося тела (жертвы или хищника). Анализ произвольной траектории и управление движением собственного организма основаны на функциях восприятия, запоминания, обобщения, сопоставления образов, в частности абстрактного образа — модели траектории с реально осуществляющейся траекторией.
Все это должно завершиться возникновением управляющей сигнальной системы, определяющей движение организма в нужном направлении по соответственно построенной траектории. Выполнение таких сложных задач не обеспечивается элементарной связью рецептора и двигательного аппарата — простейшей рефлекторной дугой. Непосредственная связь рецепторов с двигательным аппаратом становится принципиально недостаточной для управления движением в случае взаимодействия двух движущихся организмов. Это объясняется тем, что абсолютные скорости двух взаимодействующих организмов в принципе могут быть одинаковыми. И тогда хищник никогда не догонит жертву: они будут двигаться с равными скоростями, сохраняя постоянный интервал. И, наоборот, даже небольшое преимущество в скорости у хищника лишит жертву всех надежд на спасение. При близости скоростей перемещения в пространстве взаимодействие в системе жертва — хищник возможно лишь при произвольных траекториях движений. Это значит, что управление перемещением посредством простых рефлекторных механизмов не пригодно. Хищник не должен бежать непосредственно к тому месту, где он увидел жертву. Пока он добежит, жертвы там уже не будет. (Зенитчики стреляют, целясь не в летящий самолет, а вынося прицел далеко вперед, т. е. целясь в то место, куда при правильной экстраполяции самолет должен прилететь в момент долета туда снаряда). Итак, нужен анализ воспринятых рецепторами сигналов, необходима предварительная переработка информации и лишь затем должны возникать сигналы управления движением.