1.5. Регулирование жизненных процессов

1.5.1. Биологическое и техническое регулирование

Только что мы говорили об автоматическом управлении самолетами. Здесь нельзя не вспомнить о способностях к ориентированию, которыми обладают перелетные птицы.

Осенью и весной они преодолевают многие тысячи километров и безошибочно находят место, где царит лето и достаточно корма. Орнитологи выяснили, что многие птицы, например аисты, всегда прилетают в одно и то же место. Обычно этот факт объясняют инстинктом, но это только часть объяснения. Для того чтобы совершать перелеты, птица должна иметь большой запас энергии и обладать способностью правильно определять курс. Эта способность представляет для нас особый интерес. Как показали эксперименты, птицы ориентируются по точке наивысшего подъема солнца над горизонтом, используют географические ориентиры (например, береговые линии) и конфигурацию магнитного поля Земли. (Голуби, очевидно, наделены чувством, которое нам заменяет магнитный компас.) Разумеется, многие птицы просто следуют за стаями своих сородичей. Птица сравнивает направление своего полета с заданным, которое она определяет по инстинкту и некоторым естественным ориентирам, и управляет полетом, исходя из этого сравнения" Значит, мы имеем дело с процессом регулирования. Мозг птицы и ее нервная система образуют главную часть регулирующего устройства.

Эта способность к ориентированию, которая основывается на способности регулирующего устройства собирать и оценивать данные измерений, особенно развита у летучей мыши. С помощью устройства, напоминающего радиолокатор, она может летать в темноте, не натыкаясь на препятствия (рис. 22, б). Это устройство называется сонаром. Оно испускает ультразвуковые сигналы, которых не слышит человеческое ухо. Так, природа много тысячелетий назад создала систему навигации в слепом полете, которую человек изобрел совсем недавно. Рассмотрим вкратце, как регулирует направление своего полета летучая мышь.

Во время полета она испускает звук такой высокой частоты, что его не слышат ни люди, ни ее естественные враги. Частота этих ультразвуковых колебаний равна 50 - 80 кГц, тогда как человек слышит звуки частотой до 16 кГц. Длительность каждого ультразвукового сигнала - от 0,001 до 0,005 с. Он отражается от препятствия и в виде эха достигает уха летучей мыши. Она слышит отраженный ультразвук обоими ушами и поэтому может определить направление, в котором находится препятствие. Можно определить и расстояние до него. Если, например, расстояние до препятствия равно 5 м, то это достигает ушей летучей мыши через

после испускания сигнала (скорость звука в воздухе примерно равна 340 ^м/_с). Поскольку длительность самого крика гораздо меньше, летучая мышь успевает услышать отраженный сигнал. Органы чувств этого животного работают с замечательной точностью: промежуток времени от испускания сигнала до возвращения эха летучая мышь сразу воспринимает как расстояние до препятствия. Поэтому, обнаружив препятствие в 5 м от себя, она успевает изменить направление полета.

В животном мире мы можем найти еще один пример таких же выдающихся способностей к ориентированию. Это электрические рыбы, которые, несмотря на плохое зрение, свободно ориентируются в мутной воде тропических рек.

Многие необходимые для существования организма жизненные процессы протекают автоматически. Рассмотрим, к примеру, механизм сужения и расширения зрачка человеческого глаза. Этот механизм выполняет ту же функцию, что и бленда в фотоаппарате: он обеспечивает правильное освещение сетчатки глаза. Сетчатка должна быть достаточно освещена, чтобы глаз мог отчетливо видеть, но слишком сильное освещение может ее повредить и ослепить человека. Поэтому, как вам, без сомнения, хорошо известно, зрачок автоматически сужается при ярком свете и расширяется в темноте. Этот механизм выполняет все основные функции регулирования:

Измерение: попадающий в глаз световой поток освещает сетчатку, причем яркость освещения зависит от его интенсивности; в светочувствительных нервных клетках возникает при этом определенное раздражение; соответствующее возбуждение передается в головной мозг; измерительные органы (в данном случае - светочувствительные клетки сетчатки) называются рецепторами.

Сравнение: головной мозг сравнивает степень возбуждения с нормальным значением, информация о котором в нем хранится; возбуждение при этом оценивается как слишком сильное, нормальное или слишком слабое.

Реакция (собственное регулирование): мозг посылает через вегетативную нервную систему приказ внутренним глазным мышцам, которыми человек не может управлять сознательно; по этому приказу глазные мышцы приоткрывают или сужают отверстия зрачка; таким образом, управление головного мозга компенсирует воздействие, которое оказывает изменение интенсивности светового потока, и доводит освещение сетчатки до нормального уровня.

Мышцы, выполняющие функцию исполнительных органов, называются в биологии эффекторами.

Попробуем изобразить структурную схему этого процесса. Регулируемой величиной в данном случае будет освещенность сетчатки (рис. 23), поскольку цель регулирования - обеспечить нормальное освещение глазного дна. Возмущающим воздействием, которое надо компенсировать при регулировании, являются колебания силы света, попадающие в глаз.

Рис. 23. Зрачок нашего глаза входит в контур регулирования, который поддерживает определенную освещенность сетчатки

Схема, изображенная на рис. 23, представляет собой знакомый нам контур регулирования. Измеряется регулируемая величина (освещенность), и информация о ней через обратную связь поступает в регулирующее устройство, находящееся в головном мозге. Последний, в свою очередь, посылает управляющий импульс объекту регулирования (в данном случае внутренним глазным мышцам и зрачку). Это изменяет поток света, попадающий в глаз (этот процесс мы только что рассмотрели). Процесс регулирования - измерение освещенности глазного дна, передача информации в мозг и так далее - осуществляется непрерывно.

Схемы, аналогичные той, что изображена на рис. 23, могут соответствовать как техническим, так и биологическим контурам регулирования, но при изображении последних возникают специфические трудности. В технических устройствах любое воздействие можно отнести к какому-то конкретному конструктивному элементу или прибору (символически изображенному в виде блока). В биологии все обстоит не так просто. Что, например, означает Фраза: регулирующее устройство находится в головном мозге?

Рис. 24. Следствие обычно запаздывает относительно причины

Кроме того, инженер может изучать функции отдельных конструктивных элементов, приводя их в действие. Он задает сигнал и исследует реакцию на него данного элемента (рис. 24). Биологи и медики, как правило, не могут воспользоваться таким способом исследования: связь между возбуждающим воздействием и реакцией на него часто не по дается наблюдению и зависит от конкретных условий. Если даже биологу (физиологу, медику) удается соотнести причины и следствия, у него обычно нет ясного представления о самом механизме воздействия,- в отличие от инженера, который может сравнительно точно исследовать и даже изменять взаимосвязь конструктивных элементов, Поэтому в биологии, где невозможно получить точные данные о функционировании элемента (органа), исследователи широко пользуются принципом черного ящика.

Черный ящик - это элемент или система с неизвестной или не полностью известной структурой, но с известным соотношением между входной и выходной величиной (причиной и следствием).

Рис. 25. Мышцу можно считать передающим элементом и рассматривать как черный ящик

На рис. 25 в качестве такого элемента мы изобразили мышцу человека. Причиной здесь является нервное возбуждение, а следствием - развиваемая мышцей сила. Как это все происходит, нас здесь не интересует: мы рассматриваем мышцу как черный ящик. В технических системах функции отдельных конструктивных элементов, как правило, не изменяются и связь между воздействием и реакцией остается постоянной (если, конечно, элемент не выходит из строя). Элементы биологических систем, напротив, могут со временем меняться, приспосабливаться. Однако, несмотря на эти трудности при описании отдельных элементов биологических систем, мы будем и для них использовать простую и наглядную схему контура регулирования по образцу рис. 23.