Клетки, органы, система

Как атом есть мельчайшая неделимая частица любого из ста с лишним известных сейчас химических элементов, так живая клетка есть мельчайшая неделимая частица любой живой материи. Жизнь возникла миллионы лет тому назад в Мировом океане. Может быть, в силу этого клетка состоит главным образом из жидкости, заключенной в оболочку. Если нарушить эту оболочку, клетка погибнет. Внутри этой жидкости находится еще меньшая капелька жидкости, которая, в свою очередь, также заключена в оболочку. Эху самую важную часть клетки называют ядром; оно может жить только в клеточной жидкости.

Две главные функции, отличающие живое от неживого, связанные с питанием и воспроизведением, реализуются в живой клетке. Через ее оболочку мембрану, как ее называют, фильтруется все питание, какое получает клетка из внешней среды, через эту же мембрану из клетки выводятся ненужные ей вещества. Запас питательных веществ и их переваривание осуществляются в клеточной жидкости. А в ядре содержатся все материалы, которые используются клеткой в процессе собственного воспроизведения, или размножения.

Непрерывная работа идет в каждом микроскопическом живом "кирпичике", из которых "сложено" наше тело, причем разные "кирпичики" имеют разные назначения и соответственно разную конструкцию.

Клетки, из которых состоят мышцы, устроены так, что они могут сокращаться и расслабляться, приводя в движение различные части тела. Клетки, из которых состоят железы, производят и выделяют различные жидкости и соки, в которых нуждается организм. Имеется по меньшей мере полдюжины различных типов клеток, занимающихся производством крови. Существуют специальные клетки, из которых построены кости, кожа и т. д. Нервные клетки — разнообразные по конструкции, единственные клетки тела, которые могут передавать сигналы от различных его частей головному или спинному мозгу.

Множество собранных вместе клеток одного типа составляет живую ткань. В нашем теле можно обнаружить несколько видов таких тканей.

Покровные ткани образуют кожу, покрывающую и защищающую тело, они выстилают внутренние поверхности рта, носа, органов пищеварения.

Вас никогда не удивлял тот факт, что все наши внутренности не смещаются со своих мест и не перепутываются внутри нас в результате спортивных занятий, когда мы бегаем, резко прыгаем, оказываемся вверх ногами, складываемся пополам? Ведь они там вроде бы все по отдельности и, казалось бы, держаться при таких ненормальных условиях в нормальном положении просто не могут?

Оказывается, существуют специальные соединительные ткани, "сплетенные" из сравнительно более прочных клеток. Они образуют пленки, из которых сконструирована "подложка" для кожи; из этой ткани построены суставные сумки, в которых заключены все подвижные сочленения; пленки соединяют в единый пучок несколько мышц, из пленок сконструированы "растяжки", "расчалки", "упаковки", "обертки", благодаря которым внутри нашего тела поддерживается неизменная геометрия и не происходит "перепутаницы" разных органов. Только когда у вас дома готовят мясо к обеду, эти ткани кажутся абсолютно ненужными.

Кровь — тоже своеобразная живая ткань, имеющая свои специфические функции и свою специфическую клеточную структуру. Различают также костные и мышечные ткани, ткани, из которых построены железы, и, наконец, нервные ткани.

Поврежденная кожа залечивается в результате того, что клетки, из которых она состоит, воспроизводят новую кожною ткань, занимающую место уничтоженной при повреждениях. Костные и мышечные ткани излечиваются тоже путем образования новых клеток, даже кровь восстанавливается и обновляется в процессе жизни. Только нервная ткань резко отличается от всех других тканей тем, что она не обладает способностью к воспроизведению.

"Нервные клетки не восстанавливаются!" — набивший оскомину веселый призыв, с которым часто обращаются друг к другу хорошие знакомые, сослуживцы, продавцы и покупатели, рекомендуя не волноваться по пустякам. Человек появляется на свет с тем набором нервных клеток, которые он должен обходиться всю жизнь, так что эта шутливая рекомендация полна здравого смысла.

Группа различных тканей, работающих совместно в процессе выполнения специфических функций, образует конструкцию, называемую органом. Сердце называют органом, печень называют органом, глаз и мозг — органы и т. д.

Группа различных органов, работающих совместно, называется системой. Так, например, рот, желудок, кишки работают совместно и образуют пищеварительную систему. Все органы тела обычно разбивают на системы: скелетную, мышечную, дыхательную, циркуляционную, лимфатическую и др. К числу систем тела относят также и нервную систему, основным элементом которой служит нервная клетка — нейрон.

Сложнейшие процессы протекают в каждой клетке, в каждой из систем. Далеко не все из этих процессов познаны до конца, даже те из них, что происходят буквально на глазах у ученых и врачей.

Одно из чудес природы — сращивание поломанной кости. Когда хирурги "состыковывают" части кости их поломанными краями, начинается таинственный процесс заживления. Место "стыка" организм окружает свернувшейся кровью и бесцветной жидкостью, называемой лимфой. Каждый край начинает производить новые клетки, строить новую костную ткань, причем эта "постройка" идет исключительно в направлении стыка. Никто не знает, каков механизм, управляющий этим процессом и обеспечивающий нужные направления рост в кости в местах поломки. Никто также не знает, почему этот процесс останавливается, как только кость сращивается полностью, становясь в месте поломки более прочной по сравнению с непострадавшими участками.

Много других чудес и загадок скрыто в живом. Но не об этом сейчас речь. Ведь никто из тех, кто занимается роботами, не думает пока воспроизводить такой механизм соединения частей машин, никто пока не собирается создавать искусственную систему пищеварения или искусственную лимфатическую систему.

Как человек строит свои движения и как управляет ими? Как с помощью технической системы построить движения по подобию того, как их строит человек, и управлять так, как ими управляет человек? Вот что интересует специалистов в области робототехники.

Именно в этом состоит смысл и содержание всех прошлых, настоящих и будущих попыток создать автомат по образу и подобию человека.

Из всех систем человеческого тела с этой точки зрения интерес представляют, пожалуй, только три: скелетная и мышечная, с которыми мы уже коротко познакомились в предыдущей главе, и, конечно, нервная система, о которой наш рассказ.

 

Конструкция мозга

Чувствовать, знать, уметь — эти качества, поставившие человека на самую вершину животного мира, люди еще во времена Везалия совершенно не связывали с деятельностью мозга. Они считали, что мыслят и принимают решения сердцем. До сих пор о человеке говорят, что у него доброе или черствое сердце. Считалось, что храбрость тоже идет от сердца, а трусость является (почему-то!) продуктом печени.

Эти наивные представления уже давно сменились точным знанием. Сегодня хорошо известно, что все наши ощущения воспринимает мозг, все наши знания накапливаются в мозгу, и он управляет всеми нашими действиями. И все знают, что вместилищем для него является голова. Более того. Хорошо известно, какая часть мозга чем именно занимается, с какими органами связана, какими управляет. Одним словом, конструкция мозга известна достаточно подробно. Она настолько совершенна, настолько много умеет и отлично делает, что обойти молчанием важнейшие подробности ее устройства просто невозможно.

Хотите подержать свой мозг в руках? Положите одну ладонь на лоб, другую на затылок, чуть выше шеи.

Теперь ваш мозг в ваших руках, защищенный от неаккуратного обращения черепом. Поместите пальцы обеих рук за уши. Где-то между вашими пальцами головной мозг смыкается со спинным.

Круглым счетом 1,2 килограмма весит мозг — ваше главное богатство, состоящее из нервных клеток, количество которых оценивают величинами порядка 10–15 миллиардов штук. Нервная клетка — нейрон — состоит из так называемого тела, отходящих от него коротких ветвистых отростков дендритов и еще одного длинного отростка — аксона. Дендритами клетка сообщается с подобными себе другими клетками, аксоны — длинные "телеграфные линии", по которым одни из клеток получают сообщения со "всех концов" тела о том, что там происходит, как ведет себя беспокойный внешний мир, а другие посылают приказы мышцам и железам о том, что и как им нужно делать.

Поверхность головного мозга состоит из серого вещества — скопления главным образом тел нервных клеток, образующего так называемую кору; под этим серым покрывалом мозг бел — там подкорка, скопление дендритов, сложная нейронная сеть, в принципах построения, структуре и организации которой ученые разных специальностей пытаются разобраться уже не первый десяток лет. В спинном мозгу, наоборот, серое вещество расположено в центральной части, белое — по периферии.

Почему так? Вероятно, потому, что в такой "конструкции" достигается минимальная длина внешних и внутренних коммуникаций головного и спинного мозга, всей центральной нервной системы.

Передняя часть головного мозга, прикрытая лбом, занимается разработкой и формированием наших планов и намерений, познанием новых сведений, фактов, изучением наук, организацией и координацией информации, хранящейся в других отделах мозга, запоминанием новой информации, принятием всяких решений. Именно эта часть мозга у человека намного больше, чем у других животных.

Глубокая борозда четко разграничивает лобную и затылочную части головного мозга. Эта борозда проходит от уха до уха примерно через макушку головы. Двигаясь от лба к макушке, мы придем к передней стенке этой центральной борозды. С нею граничит моторный центр — та часть мозга, которая отдает приказы мышцам, включает двигатели всех подвижных сочленений. Любой сравнительно хорошо успевающий студент-медик может по картинке, изображающей топографию мозга, показать, какие его участки управляют движениями пальцев на ноге или руке, движениями ступни, голени, бедра и т. д.

А с противоположной, затылочной, стенкой центральной борозды граничит сенсорный центр — часть мозга, которая занимается расшифровкой и анализом наших ощущений.

Как каждой части тела соответствует управляющий ее движениями участок в моторном центре мозга, так этой же части тела соответствует свой участок в сенсорном центре, распознающий и идентифицирующий все приходящие из этой части ощущения. Позади сенсорного центра, на уровне ушей расположен слуховой центр, распознающий звуки. Впереди него находится центр обоняния, а в затылочной части мозга — зрительный центр.

Человеческое тело обладает внешней симметрией. Естественно, что эта симметрия нашла отражение и в конструкции мозга. Он также симметричен, но по отношению к телу эта симметрия обратна. Так, в частности, движениями левой части тела управляет правая сторона мозга правое полушарие. У правшей более развито левое полушарие, у левшей правое.

Вряд ли можно думать, что так получилось случайно или что Природа, подобно ребенку, путает левое и правое. И вряд ли в такой обратной симметрии есть какой-то слишком глубоко скрытый от нас смысл.

Когда разрабатываются новые машины, приборы, автоматы и когда разработчиков спрашивают, почему та или иная деталь, тот или иной узел сделаны так, а не иначе и из каких соображений при этом исходили, то очень часто слышится в ответ: "Так сделано из конструктивных соображений". Тело человека — живая конструкция, и в ней, как и в технической конструкции, те или иные вопросы, например вопросы симметрии или расположения серого и белого вещества, решены, наверное, из чисто конструктивных соображений, тем более что "конструктивные соображения" — категория чисто человеческая.

Если в удивительной конструкции мозга надо было бы выделить самую ее поразительную часть и если это было бы поручено сделать специалистам по вопросам управления, то, вероятно, не менее чем 9 из 10 указали бы на так называемый мозжечок, расположенный в затылочной части под полушариями. Небольшой по сравнению с ними мозжечок представляет собой центральный координирующий и диспетчерский пункт всей "системы управления". Он решает две главные задачи, связанные с построением движений.

Мы теперь знаем, что даже в самых простых на первый взгляд движениях, например в ходьбе, участвует большое количество мышц. Но ведь все они не просто так одновременно сокращаются и расслабляются. Если каждую мышцу уподобить оркестранту, то каждое движение — определенной "партитуре", в которой каждый из оркестрантов должен играть свою особую партию.

Мозжечок выполняет функции дирижера, его усилия превращают группу музыкантов в слаженный оркестр. Чтобы поддерживать равновесие во время ходьбы, все участвующие в построении этого движения мышцы должны делать свою работу точно и согласованно во времени и пространстве, иначе на ногах не удержаться. Роль координатора выполняет мозжечок, В этом состоит одна из главных задач, что он решает.

Уровни напряжения и расслабления мышцы могут быть различными. Очень расслабленная, вялая мышца медленно реагирует на команду включения, плохо повинуется приказам, она не подготовлена к работе. Мозжечок, в этом состоит его другая главная задача, управляет состоянием мышцы, как говорят, ее тонусом, поддерживая его точно на таком уровне, чтобы мышца в любой момент могла ответить полноценной реакцией, нужным действием на включающий ее сигнал.

Если всмотреться в конструкцию мозга, то складывается впечатление, что для мозжечка и место выбрано самое "дирижерское", если исходить все из тех же конструктивных соображений. Он находится прямо-таки в гуще белого вещества и головного и спинного мозга, там, где завязываются и организуются связи между разными отделами мозга, в самой гуще нейронных сетей, в самой гуще "событий".

Со всеми частями, органами и системами тела мозг связан нервами "многожильными кабелями", сплетенными из многочисленных аксонов.

Только непосредственно из головного мозга выходят 12 парных (все та же симметрия!) нервов, которые все, за исключением одного, связывают мозг с "приборами очувствления" и с мышцами, управляющими работой и настройкой этих приборов. Коротко перечислим функции этих каналов связи, перенумеровав последние для удобства по порядку:

1 — обонятельный нерв — несет информацию о запахах;

2 — зрительный нерв — несет зрительную информацию;

3, 4, 5 — обслуживают мышцы, управляющие движением глаза;

6 — особенно занят во время еды. Он несет приказы жевать пищу и говорит о том, что вы жуете. Он же "болит", когда зуб не в порядке. У этого нерва много других функций. Он управляет увлажнением глазного яблока и слезоточением, когда вы плачете. Его ответвления проникают в полость рта, в веки, губы, другие части лица, а также в челюсти, зубы, язык, уши. Он работает, когда вы облизываете губы, когда у вас течет из носу во время насморка;

7 — нерв, управляющий мышцами лица, когда вы, например, смеетесь или сердитесь. Кстати, он сообщает о вкусовых ощущениях, получаемых передней частью языка;

8 — слуховой нерв. Кроме того, одна его часть сигнализирует в мозг, находится ли тело в равновесии, и если нет, то в какую сторону оно падает;

9 — вместе с седьмым нервом обслуживает вкусовые ощущения, управляет речевыми мышцами:

10 — управляет движениями языка во время беседы или когда вы его тщательно оглядываете в зеркале;

11 — управляет мышцами спины и шеи, поворачивающими по вашему желанию голову и даже плечи туда, где происходят самые интересные события;

12 — единственный нерв, который непосредственно из мозга проходит в грудную клетку и желудок. Он регулирует сердцебиение, дыхание и пищеварение; делает он это совершенно незаметно, не отвлекая вас от более важных дел, при условии, что вы строго соблюдаете все правила "эксплуатации", все правила внутреннего распорядка вашего тела. Он же работает, когда, как говорят, сердце "бьется от счастья" или "сжимается от страха".

Мы перечислили только некоторые каналы управления и связи; другие, подобные же каналы связывают центральную нервную систему с другими системами тела, в частности со скелетной и мышечной, обеспечивая все процессы построения движений и управления ими.

Описание конструкции мозга не будет полным даже в первом приближении, если не сказать, как же все-таки мозг получает информацию из внешнего мира, в какой форме, посредством каких приборов? Как чувства говорят, что трава зеленая, что чайник, которого вы коснулись, горячий, что в комнате пахнет сиренью, что по радио передают песню "Течет река Волга"? Как живые приборы обслуживают интеллект?

Видеть, осязать, слышать, чувствовать — это еще не все, но без этого, без связи с окружающим миром, без средств получить из него в той или иной форме информацию человек не может существовать, машина — работать.

Конечно, мы не будем подряд перебирать и описывать все те органы чувств, которыми оснащен человек.

Зрение, осязание, слух — вот, пожалуй, пока скромный набор искусственных систем очувствления, которыми оснащали и продолжают оснащать макеты и модели роботов и которые имеют аналоги — точнее не аналоги, а прототипы в живой природе. Мы расскажем о них ровно столько, сколько необходимо, чтобы дать представление о принципах устройства естественных систем очувствления, об их возможностях, их, так сказать, технических характеристиках. Тогда вам не придется верить голословным уверениям и рассуждениям о реальном "соотношении сил" в состязании человека с машиной.

 

Всё видящее око

Хорошо воспитанная молодая девушка, которую ее приятель привел в малознакомую компанию, не будет изо всей силы вертеть шеей, оглядывая собравшихся за столом. Легкие, еле заметные повороты и наклоны головы, а главное, активные движения глаз, которые видят все: гостей, сидящих рядом и напротив, сервировку стола, обстановку комнаты, плечистого юношу, протягивающего руку за бутылкой коньяка, платье хозяйки и ее движения, нацеленные на то, чтобы переставить именно эту бутылку туда, где сидят самые уважаемые гости. Ее глаза видят все: пирожки, салаты и заливное, кофточки, сережки и кольца, разноцветный ковер, картинки на стене, книги на полках, дым сигарет, легкую седину, формы причесок, разные оттенки крашеных волос…

Еще ничего не сказано, от волнения ничего не услышано, но уже по двум каналам непрерывно поступает информация о том, куда и как пройти, где сесть, кому кивнуть и улыбнуться, о чем попросить спутника, чему обрадоваться, а чему позавидовать.

Эти два канала — две миниатюрные телекамеры, выполненные в форме шаров или шариков, называйте как хотите глазные яблоки, которые в поперечнике чуть больше двух сантиметров.

Несколько секунд проходят, кажется, в полной бездеятельности, но вся предварительная информация уже собрана, можно успокоиться, начать беседу, а кстати, на закусочной тарелочке уже лежит кусочек копченого палтуса и встает с места самозваный тамада.

Яркое солнце, электрическое освещение или сумерки — свет падает на страницу книжки, которую вы читаете, на праздничный стол, на чертежи или картину и отражается всегда по одним и тем же законам. Отраженные световые сигналы различной интенсивности попадают в глаз — так информация поступает в один из приемников, которыми оснащен человек. Сквозь роговицу — прозрачную часть прочной наружной оболочки глазного яблока, сквозь хрусталик — прозрачную двояковыпуклую линзу, сквозь прозрачное стекловидное тело, заполняющее шаровидную полость, свет попадает на "экран", выстилающий заднюю внутреннюю стенку глазного яблока, на так называемую сетчатку глаза.

Хрусталик не твердое тело, и при помощи специальной мышцы его кривизна, а следовательно, и его преломляющая сила меняются, обеспечивая резкость изображения на "экране" при различных расстояниях до рассматриваемого объекта. Другая автоматическая система регулирует размер зрачка — круглого отверстия в радужной оболочке, прикрывающей хрусталик: много света зрачок сужается, мало — расширяется, регулируя поступления света на экран. А окраска этой оболочки — голубая, серая, каряя — один из основных предметов восхищения поэтов и влюбленных.

Сетчатка, главная часть все видящего ока — воспринимающий, или, как говорят, рецепторный, аппарат глаза, образованный несколькими слоями нервных клеток. Здесь самым важным является слой зрительных световоспринимающих клеток, в которых происходит сложный фотохимический процесс преобразования энергии лучей света в нервные импульсы — биоэлектрические сигналы. Эти сигналы по зрительному нерву поступают в головной мозг, где формируется зрительный образ.

Сетчатка не просто равномерный "экран", все участки которого обладают одинаковыми свойствами. Маленькая площадка на этом "экране", ее зовут желтым пятном, очень густо насыщена рецепторами и обладает особо высокой чувствительностью. Люди по одним только чертам лица могут на расстоянии 10 метров узнать друг друга лишь тогда, когда каждый из них перемещает изображение лица другого в эту наиболее чувствительную область сетчатки. Все движения глазного яблока обеспечиваются мышечным аппаратом, состоящим из шести мышц и управляемым 3, 4 и 5-м парными нервами из нашего списка.

А теперь послушайте, каковы "технические характеристики" этого прибора. Приведем одни только сухие цифры, не нуждающиеся, по нашему мнению, в каком-либо "гарнире" из восхищения и восклицательных знаков.

Картинка размером 30х30 сантиметров, которая находится от вас на расстоянии 60 сантиметров, занимает на сетчатке вашего глаза площадочку в один квадратный миллиметр. Это изображение вместе с другой зрительной информацией, собираемой сетчаткой, после преобразования в совокупность электрических сигналов направляется в мозг по зрительному нерву.

Два круглых числа характеризуют, так сказать, "информационную мощность" одного глаза. Для сбора и предварительной обработки изображения он располагает ни много ни мало 100 миллионами рецепторов, а зрительный нерв (2-й по нашему списку) содержит 1 миллион нервных волокон.

На расстоянии 400 метров человек может отличить мужчину от женщины в толпе прохожих; невооруженным глазом может увидеть волосок диаметром в 0,5 микрона, то есть в 20 раз тоньше человеческого.

В течение 0,2 секунды глаз может увидеть свет слабой звезды. Порция энергии, которая при этом преобразуется на сетчатке в биоэлектрический сигнал, измеряется величиной в 3–5 квантов света. Если вам эта величина ничего не говорит, то знайте, что квант — это элементарное неделимое количество энергии, как атом — неделимое количество неживого вещества, а клетка — неделимая порция живого.

Квант энергии — много это или мало?

Чтобы на чувствительной негативной фотопластинке появилась различимая засветка, необходимо от тысячи до 5 тысяч квантов. Чувствительность вашего глаза почти в тысячу раз больше.

При идеальных условиях глаз может различить 500 оттенков серого цвета и примерно столько же ступеней яркости чистых цветов. Невооруженным глазом человек может различить 26 тысяч цветов. Значит, в идеальном случае глаз может различить 13 миллионов цветов и оттенков. Практически эта величина снижается до 5 миллионов.

Любой объект мы обычно рассматриваем двумя глазами. Так как они расставлены (расстояние между зрачками равно 6–7 сантиметрам), то его видим одновременно под разными углами; при этом достигается эффект стереоскопичности восприятия, благодаря которому можем оценивать объемные свойства объекта и расстояния до него.

Вероятно, сказанного достаточно, чтобы по достоинству оценить зрение как наиболее эффективный источник информации о внешнем мире. Необходимо только еще помнить, что нас не смущает и динамичность этого мира. Наш глаз умеет видеть его в движении, а наш мозг умеет быстро различать и анализировать увиденное.

Что значит быстро? Во время теннисного матча игрок должен успеть увидеть и оценить действия противника, уследить за движением мяча и движениями противника до и после его удара по мячу. Только при этих условиях он может выкроить время, чтобы наметить план игры и нанести ответный удар, а игра может быть осмысленной, представлять интерес как для самих игроков, так и для зрителей.

Конечно, этот пример не служит прямым ответом на поставленный вопрос. Просто мы хотим подчеркнуть, что информационные и двигательные возможности живого организма развиты гармонично, информационные процессы протекают настолько быстро, насколько это необходимо, чтобы эффективно использовать его двигательный потенциал. Без этого он не может целесообразно действовать, не может существовать и выжить.

 

Извне и изнутри

Вы глубоко задумались, увлеченно следите за театральным действием, погружены в шахматную партию или в курс кибернетики — легкое прикосновение к вашему плечу, спине, ноге возвращает вас к событиям, от которых вам на время удалось отключиться. Прикосновение вы ощутили кожей, которая, можно сказать, отделяет и защищает вас от внешнего мира. Это кожа обладает тем, что называют чувством осязания, причем это название, как мы сейчас увидим, далеко не исчерпывает тех ощущений, какими она нас снабжает.

Чувство боли заставляет вас быстро отклониться, если наткнулись на гвоздь; ощутив ожог, вы отдергиваете руку от ручки кипящего чайника; в мороз кожа сигналит, что нужно одеться потеплее. Сотни тысяч рецепторов сообщают о потере тепла при соприкосновении с холодными предметами и о получении тепла от горячих.

В коже имеются специальные группы рецепторов, чувствительных к движениям воздуха, обдувающего тело, к прикосновениям и вибрациям, действующим на него. Их чувствительность чрезвычайно велика. Кожа покрыта пушком волос. Проведите пальцами руки, не касаясь самой кожи, по этому пушку — и почувствуете это движение пальцев. Каждый волосок передает давление на кожу, даже если оно измеряется величиной всего лишь в 0,03 грамма. Человек без особого труда ощущает разницу между гладкой поверхностью стекла и шероховатой, на которую нанесены царапины глубиной в 0,01 миллиметра. А прикрепив к ногтю иголку, может ощутить царапину или выступ размером меньше микрона. Прикасаясь пальцем к различным поверхностям, легко различает, какие они: твердые или мягкие, гладкие или грубые, сухие или влажные, скользкие или липкие. Специалисты на ощупь определяют качество тканей, бумаги. Кожа ладоней рук, ступней ног и особенно кончики пальцев необыкновенно чувствительны к вибрациям.

Самая большая кожная чувствительность к вибрациям у человека лежит в области слышимых звуков, где-то в диапазоне частот 100–200 колебаний в секунду. Проводились, причем довольно успешно, опыты с целью научить человека "слышать" кожей, то есть понимать слова и предложения, передаваемые только в виде колебаний на кончики пальцев, на грудь, на поверхность бедра.

Через кожу мы получаем такое большое количество таких различных ощущений, что было бы правильней говорить о десятке чувств осязания, чем об одном.

Звук — колебания воздуха. Слух, позволяющий человеку улавливать звуки, — такое же удивительное чувство, что и зрение и осязание. Ухо — прибор, преобразующий колебания воздуха в нервные сигналы. Ухо не имеет, как глаз, радужной оболочки или века — устройств, которые бы регулировали поступление энергии во внутреннюю полость, в чувствительную область уха. Вместе с тем ухо может настраиваться на самую различную интенсивность звука.

Изображения, речь и музыка, запахи, прикосновения, царапины, синяки и шишки — непрерывный поток воздействий извне, из внешнего мира, воспринимается миллионами микроскопических приборов, связывающих с ним наш организм.

У вас заболело горло, колет где-то в боку или болит под лопаткой. Человек нагнулся и не может разогнуться, разогнулся — не может согнуться: больно!

Изнутри по своим каналам идут сигналы о нарушениях, непорядках в тех или иных системах, органах, о необходимости профилактики, защитных мер, защитных ограничений.

Да! Природа хорошо позаботилась о венце своего творения. Она оснастила человека богатым ассортиментом чувств и приборов, их обслуживающих. Их разнообразие, разрешающая способность и, главное, быстродействие таковы, что, когда нужно работать, двигаться, из-за них задержки не бывает. Они все время "включены" — еще до того, как вы начали двигаться, и когда движетесь, когда думаете и когда принимаете решения.

И напоследок еще несколько чисел. Наше осязание обслуживают 0,5 миллиона рецепторных клеток, болевые ощущения — 3 миллиона рецепторов, ощущение тепла — 10 тысяч, холода — 100 тысяч, обоняние — 10 миллионов, вкус — 10 миллионов. Включая зрение, насчитали около 300 миллионов чувствительных клеток, соединенных с мозгом тремя миллионами нервных волокон!

Извне и изнутри без перерыва (даже во сне вы иногда улыбаетесь или что-то говорите — нервная система полностью не выключается!) текут потоки сигналов в центральную нервную систему. Почему в ней не перепутываются цвета и запахи, музыка и царапины, зубная боль и впечатления от кинокомедии? Мы уже знаем почему. Каждое чувство имеет свой канал, свою "телеграфную линию", по которой оно передает информацию, и свою область в мозгу, куда эта информация поступает.

Ну а что там, в этой области? Увидев цветок, вы можете нагнуться и понюхать его. Информация, поступившая в глаз, вызвала мысль, спровоцировала движение, привела к получению новой информации. Отдельные участки мозга непрерывно взаимодействуют между собой. Почему там, где эти взаимодействия осуществляются, не происходит путаницы? Каков механизм мышления, механизм интеллекта, упорядочивающий его работу, позволяющий согласовывать, казалось бы, не поддающееся согласованию?

Этот механизм тоже изучен. Нервные сигналы, приходящие из всех органов чувств, из всех рецепторов и чувствительных нервных клеток, являются однотипными. Они представляют собой импульсы электрохимической природы, пробегающие по нерву с большой скоростью (100–150 метров в секунду, в зависимости от толщины нервного волокна). Каждый из таких импульсов имеет длительность порядка тысячной доли секунды. Если внешний раздражитель, воздействующий на нервную клетку, достаточно сильный, если этот раздражитель (свет, запах, звук, вкус…) действует непрерывно, меняясь или оставаясь неизменным, импульсы, оставаясь одними и теми же по величине, могут следовать по нервному волокну непрерывно, один за другим, с частотой до 300 импульсов в секунду. Если секундный промежуток разделить на 300 интервалов, то в пределах каждого интервала возможны два состояния: "есть сигнал", "нет сигнала". Можно сказать, что работа нервной системы основана на методе частотной модуляции, что по нервному волокну информация передается в дискретном двоичном коде.

В нервных клетках органов чувств осуществляется перекодирование самых различных раздражений в потоки однотипных, легко сопоставляемых между собой сигналов. Именно в этом состоит принцип действия одного из важных механизмов интеллекта живого существа.

Нам кажется, что мы мыслим полными смысла образами, а бесчисленные исследования показывают, что наш интеллект оперирует только биоэлектрическими сигналами. Ему не надо складывать вкус со звуком и цвет с запахом, и если вам иногда пытаются выдать черное за белое, то не следует думать, что это просто потому, что произошла путаница в описанном нами механизме интеллекта. Хотя иногда бывает и так, но тогда путаницу называют нервным заболеванием.

Нервные клетки не только генерируют биоэлектрические сигналы. Они еще и поддаются электрическому раздражению. Свыше 30 лет назад было экспериментально доказано, что при раздражении различных участков кожи человека одними и теми же электрическими импульсами в мозгу возникают разные ощущения: тепла или холода, боли или легкого прикосновения, в зависимости от того, на какие нервные окончания оказываются воздействия, какова их интенсивность.

На вход системы подаются электрические импульсы, они системой перекодируются, посылаются в центральное устройство, там они некоторым образом обрабатываются и используются для управления исполнительными органами.

Не правда ли, прочитав эту фразу, нельзя однозначно понять, о чем здесь идет речь: о живом человеке, действиями которого управляет его естественный интеллект, или о роботе, очувствленном и управляемом искусственным интеллектом?

Какое увлекательное сходство механизмов получения, передачи и переработки информации двумя разными интеллектами — естественным и искусственным!

Какое обширное поле для смелых сопоставлений, сравнений, предложений, изобретений, фантазий! Засеянное ими, оно давало и продолжает давать самые разнообразные, подчас удивительные плоды, вплоть до фантастических рассказов, хорошо принимаемых широким кругом читателей, и предложений создать робота по образу и подобию человека.

Только, пожалуйста, не подумайте, что ЭВМ, станки с программным управлением, искусственные руки, управляемые биотоками мышц, цифровая техника — урожай, собранный на этой ниве. Сопоставления, обобщения, установления аналогий, формирование новых идей — все эти интеллектуальные категории не что иное, как продукты практики, опыта. Создание новой техники — жизненная потребность общества, ни в коей мере не следствие изящных аналогий, а причина их возникновения.

Но, конечно, когда аналогии установлены, когда правильно определены границы, в пределах которых они действуют, когда любование ими разумно сочетается с их практической апробацией — а это особенно важно, — тогда, и только тогда, аналогии, эти привлекательные плоды просвещения, оказываются действительно полезными. Особенно когда речь идет о создании робота по образу и подобию человека. Да и мы с вами на протяжении всей этой книжки обращались и будем дальше обращаться ко всяким аналогиям.

Однако сейчас нам все-таки нужно вернуться к тому важному вопросу, который был поставлен в начале этой главы: как человек строит движения и как управляет ими? Зная, как сконструированы и действуют устройства очувствления и связи, мы можем попробовать разобраться в системе управления движениями — важном механизме интеллекта.

 

Кольцо управления

Итак, изнутри и извне от чувствительных клеток "вверх", в мозг, текут потоки дискретных сигналов по той части нервной системы, которую называют сенсорной. А из мозга "вниз", к мышцам, также в форме дискретных сигналов, но по другой — моторной — части нервной системы текут программы управления живыми двигателями.

Система управления движениями не всегда действует по такой двухпоточной (вверх-вниз) схеме, а действуя по ней, не всегда включает в нее головной мозг. Функции, которые выполняет этот механизм интеллекта, чрезвычайно разнообразны. Поскольку мы сейчас подошли к обсуждению очень важного вопроса, не будем торопиться и прежде всего на нескольких примерах познакомимся, как этот механизм действует в различных "управленческих ситуациях".

Войдя в темную комнату, вы хотите повернуть выключатель, а вместо этого натыкаетесь на оголенные провода и мгновенно отдергиваете руку. Вы еще не успели сообразить, в чем дело, не успели подумать, как поступить, а система управления уже сработала. А что тут думать? Будешь думать, держась за оголенные провода, все равно ничего не придумаешь лучше, чем по возможности быстрее отдернуть руку!

Самое удивительное, что живая система автоматически действует именно так, как подсказал бы головной мозг, если бы до него дошел угрожающий сигнал. Но он до него не доходит, вернее, доходит, но уже после того, как совершилось действие. В спинном мозгу сенсорный тракт, по которому сигнал двигался "вверх", "закоротился" с моторным трактом, по которому возбуждение передалось "вниз", на мышцы руки, вызвало их сокращение, рука отдернулась.

Когда вы приходите на медицинский осмотр и попадаете в кабинет невропатолога, он велит вам сесть на стул и положить ногу на ногу. Затем берет небольшой молоточек и слегка ударяет им по колену. Даже если вы уже бывали в этом кабинете и знаете, что произойдет, все равно голень дернется раз и два; сколько раз ударят, столько раз дернется. Врач-невропатолог по известному уже вам способу проверяет, в порядке ли ваши рефлексы.

Если сигналы, приходящие из органов чувств, настолько просты, что нужная, например защитная, реакция организма не требует прямого участия мозга, то система управления срабатывает по варианту, обеспечивающему максимальное быстродействие: тревожный сигнал проходит по минимально необходимому пути (только до спинного мозга, а ведь он конструктивно расположен ниже головного, то есть ближе к "периферии", к мышцам, к двигательной системе), а главное, не тратится драгоценное время на обработку информации, принятие решения. Ведь в данном случае не ставится задача отдернуть руку на такое-то расстояние, с такой-то скоростью, в точно таком-то направлении и т. д. Единственно, что требуется сделать, причем самым срочным образом, это отдернуть руку — подальше и побыстрей.

Такие реактивные движения, совершающиеся без непосредственного участия головного мозга, выполняемые автоматически, называются рефлекторными.

Рефлекторные движения далеко не единственные, в процессе которых система управления действует автоматически. Дело в том, что работой многих мышц нашего тела мы вообще не можем распоряжаться по собственному произволу, они сокращаются и расслабляются автоматически, причем ими управляет специальная нервная система. Эти мышцы, образующие так называемую гладкую мускулатуру, обслуживают многие органы тела, а также кровеносные сосуды. Они периодически сужают и расширяют артерии, помогая сердцу проталкивать кровь, обеспечивают действие пищеварительного тракта, в общем, выполняют всю работу, требующую автоматических движений, управление которыми совершается по значительно более сложной схеме по сравнению с рефлекторными движениями.

Рассматривая устройство глаза, мы мельком упомянули, что происходит, когда меняется освещенность и в глаз поступает то много, то мало света. При этом меняется размер зрачка: много света — зрачок сужается, мало света — зрачок расширяется. Глаз приспосабливается, как говорят, адаптируется, к различным условиям освещенности. Как?

В радужную оболочку глаза "встроены" две мышцы, расширяющие и сужающие зрачок, который выполняет роль диафрагмы оптической системы. Система управления этими мышцами тоже действует автоматически, и это тоже не простые рефлекторные движения. Сужение и расширение зрачка точно согласовываются с освещенностью рассматриваемого объекта. Сигналом управления в этой системе служит разность между количеством света, поступающего в глаз, и тем его количеством, при котором изображение на сетчатке получается "самым хорошим" для его перекодирования и посылки в мозг. Конечно, выражение "самым хорошим" не очень четко определяет характеристики управляющего сигнала. Но здесь мы не будем пытаться вникать во все тонкие вопросы работы живых механизмов. Иначе мы не скоро доберемся до того, что нас непосредственно интересует, до механизмов управления произвольными движениями.

Мы живем и работаем в динамичном мире, в котором непрерывно происходят самые разнообразные изменения. Свет сменяет тьму, тепло сменяет холод. Люди взбираются на горные вершины, летят в космос, опускаются в глубины океана, оказываются в самых различных условиях; а если они живут на одном месте, то и там часто меняются влажность воздуха, температура, атмосферное давление. Все эти изменения влияют на состояние и функционирование живого организма.

Конечно, цивилизация, обувь, одежда и зонтики, различные технические средства уменьшают эффект этих влияний, но не могут их устранить. И живой организм вынужден приспосабливаться, адаптироваться. Он буквально насыщен самыми различными адаптивными системами, реагирующими на изменения освещенности, температуры, атмосферного давления, на самые разные изменения, происходящие вне и внутри тела. Забота всех этих систем нацелена на одно — не допустить конфликта между организмом и окружающей средой, помочь организму приспособиться, адаптироваться к изменчивым внешним условиям, сохраняя на некотором постоянном уровне функционирование всех органов тела.

Любая адаптивная система, в том числе система, диафрагмирующая зрачок, работает по замкнутой схеме. Взаимодействие частей этой системы носит двусторонний характер: сокращение или расслабление мышцы изменяет величину потока света, поступающего в глаз, а изменение потока света, в свою очередь, воздействует на уровень возбуждения мышцы. Это известная в теории автоматического управления система с обратной связью, нашедшая широкое применение в самых разных технических устройствах, системах автоматизации, автоматах, роботах.

Опять аналогии, опять сходство между человеком и автоматом, теперь уже касающееся не того, как организованы потоки информации, а того, как они действуют вместе, в единой системе управления. Это сходство глубже, оно относится к более сложным механизмам интеллекта, и понятно, что к этим интересным, важным и полезным аналогиям надо относиться еще более серьезно и вдумчиво.

По подобной же схеме с обратной связью действует система управления произвольными движениями, теми движениями, программы которых мы намечаем в соответствии с нашими намерениями, желаниями, трудовыми обязанностями. Именно она нас интересует в первую очередь.

Водитель такси непрерывно следит за ситуацией, что складывается в пути, в соответствии с ней намечает наилучшую траекторию и скорость движения и управляет машиной так, чтобы ее фактические траектория и скорость минимально отклонялись от намеченных. Мозг человека — руки — машина глаза — мозг — вот действующая в этом случае система управления, замкнутая в кольцо.

Половину этого кольца составляют мозг — руки — машина. Если вам кажется, что этой половины достаточно, чтобы успешно справиться с задачей управления, то попробуйте предложить самому опытному водителю проехать 200–300 метров по пустынному и прямому как стрела шоссе с завязанными глазами. Скорее всего он откажется. Каждый водитель знает, что даже при движении прямо всегда приходится непрерывно поворачивать руль то в одну, то в другую сторону, пусть на самую малую величину, чтобы компенсировать влияние на движение машины неровностей шоссе, неравномерности нагружения колес, колебаний машины и многих других, подчас совершенно случайных обстоятельств, которые непрерывно возникают при движении машины

И водитель непрерывно сравнивает желаемое с действительным и непрерывно вносит соответствующие поправки, устраняя непрерывно возникающие рассогласования. Нет, без второй половины кольца управления, которую образуют машина — глаз — мозг, обойтись нельзя!

 

Тайм-аут

Мы опасаемся, что некоторые читатели будут несколько разочарованы содержанием этой главы.

"Ну вот, — скажут они, — назвали ее "Механизмы интеллекта", а о самом главном, самом интересном ничего так и не сказали. Нет, конечно, кое-что есть о механизмах интеллекта. Мы это понимаем! Органы чувств — это приборы нашего интеллекта; механизмы их действия — это, конечно, механизмы интеллекта.

И дискретный биоэлектрический код, в котором передаются все сообщения из органов чувств в мозг, код, в котором работает центральная нервная система, в котором она формирует программы работы мышц и желез нашего тела, в котором эти программы направляются во все исполнительные органы, в котором исполнительные органы по обратным связям информируют мозг о выполнении программ, — это тоже очень важный механизм интеллекта. И системы управления: разомкнутые и замкнутые обратными связями, адаптивные и произвольные, подчиняющиеся нашим желаниям и намерениям, — это тоже механизмы интеллекта. Это понятно, но не об этом речь! Речь, извините, идет совсем о другом. Ведь в этой главе вы, авторы, до человека фактически не дошли или почти не дошли!

Если говорить об органах чувств, то ими оснащено любое животное! Причем по техническим характеристикам органы чувств животных подчас даже превосходят органы чувств людей. Например, не каждый человек обладает хорошим, музыкальным слухом, а почти каждая дворняга им обладает в совершенстве, да еще умеет превосходно ориентировать свой слуховой аппарат. Найдите-ка человека, который умел бы так шевелить ушами, как это умеет любой щенок. Острота зрения птиц намного превосходит остроту человеческого зрения. И так далее. Тут царю природы нечем похвалиться или отличиться, тут не проявляются его особые человеческие качества.

Биоэлектрический код? В нем тоже нет ничего оригинального. Что любая живая ткань электрически активна, способна генерировать биоэлектричество, известно еще со времен Луиджи Гальвани, итальянского ученого, проживавшего без малого двести лет назад. Причем это свое известное открытие он сделал на основании изучения не человека, а простой лягушки. В биоэлектрическом коде действуют все системы любого животного! Так чем здесь может похвастаться человек?

Наконец, системы управления. Ведь все системы, о которых шла речь в этой главе, можно обнаружить не только у человека, но и у любого другого животного.

Рефлексы свойственны любому таракану; адаптивные и приспособительные механизмы — неотъемлемые свойства интеллекта любого животного; внутри любого животного происходят автоматические процессы и движения, любое животное многими движениями управляет в определенном смысле произвольно. Значит, и здесь вы, авторы, ничего нового не рассказали?

А ведь ваша книжка посвящена робототехнике. И вы сами все время утверждаете, что робот — это в каком-то смысле копия человека. Человека, а не рядового животного!

Вы сами сказали, что человеку свойственны три главные особенности, три главных умения, которые только и интересуют робототехнику, — умения двигаться, чувствовать и мыслить!

Вы нам рассказали о первых двух умениях, о том, как человек движется, и о том, как устроены и действуют приборы, обслуживающие его органы чувств. Это все нам было понятно и даже, может быть, интересно. Но вот вы дошли до умения человека мыслить, до главных механизмов его интеллекта, и здесь почему-то ваш рассказ оказался сильно укороченным. Ведь мы надеялись дальше узнать о самом главном и интересном. О наших человеческих чувствах и наших человеческих качествах. Не только о зрении, осязании, слухе, хотя мы понимаем, что для робототехники это важно! Мы ждали рассказа еще и о других чувствах, чисто человеческих, о чувствах добра и зла, любви и ненависти, мести и благодарности, зависти и ярости. Мы ждали рассказа о благородстве и порядочности, о находчивости и рассеянности, о рассудительности и гордости. В общем, рассказа о качествах и чувствах, подчас противоречивых, которыми всегда переполнен человек, которые, по выражению литературных критиков, составляют яркую индивидуальность человека, а по словам друзей, характеризуют наш отвратительный характер.

Мы ждали рассказа о том, как действует наш мозг, когда он мыслит. Не просто о том, куда идут сигналы, откуда они выходят, какой они частоты и амплитуды. Мы ждали рассказа о тех процессах, которые протекают за нашими высокими лбами, отличающими нас даже от обезьян, стоящих к человеку ближе всех других животных. Мы надеялись, что вы расскажете о том, как человек понимает прочитанное, сказанное и увиденное, как у него возникают мысли и идеи, как он решает задачи и изобретает, почему Г. Галилей, И. Ньютон и М. Ломоносов оказались гениальными учеными, как А. Пушкину удалось написать:

Жаль, но на эти вопросы вы, авторы, не ответили, и мы, читатели, так и не понимаем, по какому образу и подобию собираетесь делать вашего робота, какими человеческими чувствами, качествами и талантами он будет обладать и какой все-таки вы устроите ему искусственный интеллект?

Может быть, вы, авторы, об этом ничего не сказали потому, что все эти механизмы, правила и законы, по которым действует наш интеллект, очень сложны и вы просто боялись, что об этом нельзя понятно рассказать, а в непонятном рассказе мы не сумеем разобраться? Не бойтесь, расскажите, пусть не все, не подробно. Пусть это очень сложно, мы внимательно прочитаем и постараемся понять…"

Вот в каком виде мы примерно рисовали себе возможную реакцию некоторых читателей, увлекающихся современной художественной фантастикой и не художественными фантазиями, но не очень искушенных в современной науке и технике. И мы специально взяли небольшой тайм-аут, чтобы разъяснить возможные недоумения и предупредить возможные разочарования.

Мы хорошо понимаем, что о человеке, его человеческих качествах и свойствах рассказали совсем немного, а в том, что рассказали, не затронули самого интересного, о чем, может быть, должны были рассказать. Но мы этого не сделали не потому, что боялись, что не сумеем что-то объяснить или тем более вы, читатели, не сумеете что-то понять. Совершенно не поэтому! Не думайте, пожалуйста, о нас плохо!

Все дело в том, что мы не знаем многих механизмов человеческого интеллекта, не знаем, как они устроены и действуют.

Мы не знаем очень многого о них, и единственно, что нас оправдывает, это то, что никто не знает (пока) о них того, что нам кажется самым интересным.

Человек проник в космос, но еще не проник в тайны собственного мозга, и потому любая попытка разработать систему искусственного интеллекта по образу и подобию естественного интеллекта — это пока не больше чем попытка "придумать то, не знаю что, сделать так, не знаю как".

Но, конечно, очень ограниченное знание механизмов интеллекта не исключает возможность разрабатывать и строить машины, автоматы, роботы, которые умели бы работать вместе с человеком или даже вместо человека. Важно, чтобы они умели делать то, что сегодня вынужден делать человек, делать рутинную работу, пусть они это будут делать не совсем так или совсем не так, как это делал или делает человек. При такой постановке вопроса не отпадает интерес к тайнам мозга. Просто лишний раз подчеркивается очевидная мысль, что автомат и человек — это разное. Что пароход плывет не так, как рыба, самолет летит не так, как птица, швейная машина и швея по-разному орудуют иглой, робот и человек по-разному работают и думают.

Мы глубоко уверены, что чем более сложные задания человек будет выдавать роботу, тем меньше будет сходства между тем, как подобные задания выполняет человек и как их будет выполнять робот, чем глубже человек будет проникать в тайны мозга, тем яснее будут становиться различия между принципами действия естественного и искусственного интеллектов.

И еще одну тайную мысль мы имели, рассказывая об устройстве тела, в котором живем, и о механизмах интеллекта. Хотелось, чтобы в суматохе механизации, автоматизации, роботизации не утрачивалось уважение к себе, к своим возможностям учиться, работать, достигать. Мы теперь знаем, что эти возможности колоссальны, их резервы неисчерпаемы, что дело только за нами: "Как аукнется, так и откликнется!"

А к механизмам интеллекта мы еще вернемся. К тем, которые человек привлекает на помощь, когда работает.

Дискретный, "цифровой" код, системы очувствления, системы управления произвольными движениями — это сравнительно простые и понятные механизмы интеллекта. Принципы их устройства поддаются экспериментальному изучению, результаты действия — количественной оценке.

Мы не видим необходимости подробно обсуждать вопрос о тех гранях естественного интеллекта, о которых, казалось, следовало говорить, когда речь идет об очувствлении робота. И не испытываем при этом угрызений совести. Мы уверены, что чувства добра и зла, любви и ненависти и прочие не подлежат технической реализации. Изучение механизмов этих чувств со спокойной совестью доверяем инженерам человеческих душ — писателям. А сами только изредка будем их касаться.

Но есть такие функции интеллекта, такие его механизмы, которые, образно говоря, располагаются между "чисто техническими", о которых мы уже рассказали, и "чисто человеческими", в которых робототехника абсолютно не заинтересована. Это функции запоминания, планирования, распознавания образов, принятия решения. О них говорилось пока только косвенно; само собой подразумевалось, что человек, открыв поутру глаза, начинает распознавать образы, вспоминать и запоминать, планировать и принимать решения.

Очень жаль, что мы не знаем в точности, как эти функции выполняет естественный интеллект. Робототехника достигла уже сегодня такого уровня, когда их техническая реализация становится необходима. Но, может быть, для этого и не надо знать все в точности?