38

Реферат

по предмету: «История информационных технологий»

на тему: «Сохранение и передача данных в природе»

Оглавление

• Введение 3
• Информация и жизнь 4
• Наследственность и индивидуальная память 5
• Генетика, молекулярная биология и генная инженерия 6
• Нервная система и память 16
• Профессиональная, оперативная и долговременная память 29
• Механизм запоминания, ассоциации 30
• Список использованной литературы 34

Введение

Биологическая жизнь - одна из форм существования материи. Живые организмы отличаются от неживых объектов целым рядом свойств: обменом веществ, раздражимостью (свойством отвечать на воздействия внешней среды изменениями своего состояния или деятельности), способностью к размножению, росту, развитию, активной регуляции своего состава и функций, к различным формам движения, приспособляемостью к среде и т. п. Все эти свойства живых организмов невозможны без получения и использования информации от окружающей природы и обмена информацией между живыми организмами.

Цель данной работы - изучить получение, анализ, хранение и использование информации живыми организмами в целом и человеком в частности.

Информация и жизнь

Понятие "информация" присуще только живой природе - простейшим, растениям, животным, и, конечно, человеку и созданным им автоматическим устройствам.

Каким же образом человек получает, анализирует, хранит и использует информацию? Происходит это в несколько этапов. Первый - получение информации - осуществляется с помощью органов чувств: зрения, слуха, обоняния, вкуса, осязания, восприятия гравитации.

В состав органов чувств входят рецепторы (от лат. receptor - принимающий) - окончания чувствительных нервных волокон или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутреннего уха и др.). Рецепторы делятся на экстерорецепторы, воспринимающие информацию из внешней среды, и интерорецепторы (или приорецепторы), воспринимающие информацию из внутренней среды собственного организма. Органы чувств воспринимают, первично анализируют и преобразуют эти раздражения в нервное возбуждение, после чего передают его в центральную нервную систему. Дальнейшие процессы обработки, хранения и использования полученной информации происходят в головном мозгу. Этапы этих процессов познания: восприятие, память и мышление. Восприятие - это способность анализировать воспринимаемые органами чувств изменения окружающей среды. Память - способность хранить информацию, полученную в результате восприятия. Мышление - способность систематизировать (понять причинно-следственные механизмы) хранящуюся в памяти информацию. Память и мышление объединяет в себе понятие "интеллект" (от лат. intellectus - познание, понимание, рассудок) - способность мышления, рационального познания. Это латинский перевод древнегреческого понятия "нус" (ум), тождественный ему по смыслу.

Понятие "информация" присуще не только человеку, но и созданным им автоматическим устройствам.

Поясним последнее утверждение. Посмотрим, как работает домашний холодильник. Охлаждение он производит с помощью холодильного агрегата. Когда вы включаете холодильник, начинает работать электродвигатель, приводящий в действие компрессор, и температура в камере холодильника понижается. Когда она достигает нижней заданной величины, например, +4⁰С, реле отключает электродвигатель и температура в камере начинает повышаться. Когда она достигнет верхней заданной величины, например +6⁰С, реле снова включает электродвигатель и температура в камере снова начнет понижаться. Таким образом, в камере будет поддерживаться температура в пределах от +4⁰С до +6⁰С. Температура в камере является информацией для автоматического холодильника, которая служит сигналом для периодического включения и отключения холодильного агрегата.

Наследственность и индивидуальная память

Человека всегда интересовало, почему он похож на своих родителей и других родственников - братьев, сестер, дедушек, бабушек, причем не только внешне, но и своим характером, привычками. Все это носит название "наследственность". С древних времен люди хотели понять, как наследственная информация передается из поколения в поколение. Хотелось узнать и причины родовой устойчивости животных: почему у слонов родятся слонята, у тигров - тигрята, у лошадей - жеребята. Эти тайны природы были раскрыты только в середине XX века.

Информация проявляется и в растительном, и в животном мире в виде передачи потомству наследственных признаков в ряду поколений. Наследственность обеспечивается самовоспроизведением генов, находящихся в хромосомах ядра клетки. Она вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни. Однако генетический аппарат нужен не только для воспроизведения поколений, но и на протяжении всей жизни каждого индивидуального организма. Ведь его клеточный состав непрерывно меняется, но генетический аппарат следит за тем, чтобы при этом организм оставался самим собой.

Кроме наследственных признаков, каждому отдельному человеку свойственна индивидуальная память, необходимая в процессе его существования.

Память - это способность сохранять и воспроизводить следы полученных впечатлений: зрительных, слуховых, обонятельных, осязательных, вкусовых, то есть некоей информации. Именно благодаря памяти человек живет не только в настоящем, но и в прошлом, и в будущем. Она дает возможность планировать поведение в соответствии с заложенными инстинктами, опытом, знаниями и окружающей обстановкой, то есть принимать решения.

Необходимо отметить коренное отличие генетической информации от индивидуальной памяти. Оно состоит в том, что генетическая информация передается по наследству от организма к организму, а индивидуальная память не наследуется, а только приобретается человеком в течение всей его жизни, в том числе посредством обучения и воспитания.

Генетика, молекулярная биология и генная инженерия

Зачатки генетики существовали еще в доисторические времена, когда люди одомашнивали животных и культивировали растения. Однако основы современных представлений о механизмах наследственности были заложены только в середине XIX века.

Монах Грегор Мендель занимался изучением гибридизации растений в Августинском монастыре в Брюнне (Брно), ныне на территории Чехии.

В 1865 году он обнародовал на заседании местного общества естествоиспытателей результаты исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха. Эта работа "Опыты над растительными гибридами" была опубликована в трудах общества в 1866 году. Сформулированные Менделем закономерности наследования признаков позже получили название законов Менделя. При жизни его работы были малоизвестны и воспринимались критически. Однако принципиальные результаты его опытов были поняты и оценены наукой лишь в 1900 году, когда голландский ученый Х. де Фриз, немецкий - К. Корренс и австрийский - Э. Чермак вторично открыли законы наследования признаков, установленные Менделем.

После этого работы Менделя вновь привлекли внимание биологов. В 1905-1906 гг. английский натуралист Уильям Бэтсон ввел в употребление название новой научной дисциплины: "генетика", а в 1909 году датский ботаник Вильгельм Йоханнсен - термин "ген".

В 1910-х годах американский биолог Томас Хант Морган (1866-1945), один из основоположников генетики, лауреат Нобелевской премии 1933 года, и его сотрудники обосновали хромосомную теорию наследственности. Эти ученые доказали, что наследственные факторы - гены - размещаются в хромосомах и что они расположены в них линейно и сцеплены между собой, а во время созревания половых клеток они могут разъединяться. Школе Моргана удалось установить порядок расположения генов в хромосомах для некоторых животных и растений - мухи дрозофилы, кур, кукурузы, ряда бактерий. Муха дрозофила стала излюбленным подопытным насекомым для генетиков из-за ее способности быстро давать потомство, что очень удобно для изучения наследственности.

Первые работы по генетике в России были начаты в начале XX века. После революции и гражданской войны началось стремительное организационное развитие науки. В 1920-1930 годах выдающийся вклад в развитие генетики внесли советские биологи Н.К. Кольцов (1872-1940) и Н.И. Вавилов (1887-1943). Именно Н.К. Кольцов в 1928 году высказал предположение, что хромосомы - это гигантские молекулы, и обосновал необходимость изучения механизма наследственности на молекулярном уровне.

К концу 1930-х годов в СССР была создана обширная сеть научно-исследовательских институтов и опытных станций (в Академии наук СССР и во Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени Ленина (ВАСХНИЛ)), а также вузовских кафедр генетики. Признанными лидерами направления были Н. И. Вавилов, Н. К. Кольцов, А. С. Серебровский, С. С. Четвериков и др. В СССР издавали переводы трудов иностранных генетиков, в том числе Т. Х. Моргана, Г. Мёллера, ряд генетиков участвовали в международных программах научного обмена. Американский генетик Г. Мёллер работал в СССР (1934-1937), советские генетики работали за границей. Н.В. Тимофеев-Ресовский - в Германии (с 1925 г.), Ф.Г. Добржанский - в США (с 1927 г.).

В 1930-е гг. в рядах генетиков и селекционеров наметился раскол, связанный с энергичной деятельностью лжеученого Т.Д. Лысенко и его преспешника И.И. Презента. По инициативе генетиков был проведен ряд дискуссий, направленных на борьбу с подходом Лысенко, но их результаты были довольно неопределенными.

На рубеже 1930-1940-х гг. в ходе сталинского Большого террора многие из видных генетиков были арестованы, многие расстреляны или погибли в тюрьмах (в том числе Н.И. Вавилов). После войны дебаты возобновились с новой силой. Генетики, опираясь на авторитет международного научного сообщества, снова попытались склонить чашу весов в свою сторону, однако с началом Холодной войны ситуация значительно изменилась. В 1948 году на августовской сессии ВАСХНИЛ Т.Д. Лысенко, пользуясь поддержкой И.В. Сталина, объявил генетику лженаукой. Лысенко воспользовался некомпетентностью партийного руководства наукой, "пообещав партии" быстрое создание новых высокопродуктивных сортов зерна ("ветвистая пшеница") и др. С этого момента начался период гонений на генетику, который получил название лысенковщины и продолжался вплоть до снятия Н.С. Хрущева с поста генерального секретаря ЦК КПСС в 1964 г.

И только с середины 1960-х г. в нашей стране началось восстановление генетики, понесшей колоссальный научный и кадровый урон в результате сталинского террора и антинаучной "деятельности" Лысенко.

А в это время в мире генетика развивалась стремительными темпами, и был сделан ряд выдающихся открытий.

Еще в 1930-1940-х гг. над разгадкой генетического кода живой природы задумывались крупнейшие физики-теоретики Эрвин Шредингер, Макс Дельбрюк, генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский. В 1945 году Э. Шредингер опубликовал книгу "ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ с точки зрения физики?" (What is life?). В главе "Подход классического физика к предмету" он писал: "Большой, важный и очень часто обсуждаемый вопрос заключается в следующем: как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?" Книга "Что такое жизнь?" сыграла большую роль в проникновении идей физики в биологию. Имя Шредингера, крупного физика, хорошо известно всем физикам и химикам мира. Поэтому его книга во многом способствовала тому, что их внимание было привлечено к проблемам генетики.

Одним из крупнейших открытий XX века в биологии явилось установление структуры молекулы ДНК - основного наследственного вещества клетки. Оно было сделано Френсисом Криком, Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом. Рассказывая историю этого открытия, Дж. Уотсон в своей книге "Двойная спираль" писал о Ф. Крике: "Он бросил физику и занялся биологией после того, как в 1946 г. прочитал книгу известного физика-теоретика Эрвина Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?" В этой книге очень изящно излагается предположение, что гены представляют собой важнейшую составную часть живых клеток, а потому понять, что такое жизнь, можно только зная, как ведут себя гены. В то время, когда Шредингер писал свою книгу (в 1944 г.), господствовало мнение, что гены - это особый тип белковых молекул. Однако почти тогда же бактериолог Освальд Эвери проводил опыты, которые показали, что наследственные признаки одной бактериальной клетки могут быть переданы другой при помощи очищенного препарата ДН К".

Рентгеноструктурный анализ ДНК был осуществлен Морисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин. Первую рентгенограмму молекулы ДНК Р. Франклин получила в 1951 году.

На основе анализа рентгенограмм ДНК в 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик предложили пространственную модель структуры ДНК. Они предположили, что ее гигантские молекулы представляют собой двойную спираль, состоящую из пары нитей, образованных нуклеотидами, расположенными в определенной последовательности. Каждый нуклеотид одной нити спарен с противолежащим нуклеотидом второй нити с помощью водородных связей по правилу комплементарности (аденин в паре с тимином, а гуанин - с цитозином). Модель двойной спирали ДНК Д. Уотсона и Ф. Крика позволила объяснить, как при делении клетки происходит репликация ДНК - процесс копирования дезоксирибонуклеиновой кислоты. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками.

Две части молекулы ДНК отделяются друг от друга в местах водородных связей, что напоминает расстегивание застежки-молнии. По каждой половине прежней молекулы синтезируется новая молекула ДНК. Последовательность оснований функционирует как матрица, или образец, для образования новых молекул ДНК. Так был доказан матричный принцип воспроизведения наследственного материала, предсказанный великим русским биологом Н.К. Кольцовым.

Многочисленные экспериментальные данные подтвердили гипотезу Уотсона и Крика.

В 1962 году за открытие структуры ДНК Д. Уотсону, Ф. Крику и М. Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия.

Розалинда Франклин вследствие постоянного облучения рентгеновскими лучами в 1956 году заболела раком. Узнав о своей смертельной болезни, она мужественно продолжала работать почти до самой смерти. Она умерла 16 апреля 1958 г. в 37-летнем возрасте, за три года до выдвижения на Нобелевскую премию, которую не получила. В соответствии с уставом Нобелевская премия дается только живым в качестве поощрительного гранта, позволяющего лауреату продолжить научную деятельность.

Открытие структуры ДНК стало решающим шагом в понимании того, как генетическая информация передается при делении клетки.

В ДНК используются мономеры 4 типов (нуклеотиды) - аденин, гуанин, цитозин, тимин, которые обозначаются буквами А, Г, Т и Ц. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. Поскольку их четыре, то каждая буква содержит два бита информации. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменен похожим нуклеотидом - урацилом, который обозначается буквой У. PНK присутствуют во всех живых клетках, участвуя в процессах, связанных с передачей генетической информации от ДНК к белку. В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки, и таким образом получаются последовательности генетических букв. ДНК вместе с белками образует вещество хромосом. Эта модель объясняла, каким образом генетическая информация записывается в молекулах ДНК, и позволила высказать предположение о химических механизмах самовоспроизведения этих молекул. Именно ДНК является носителем генетической информации. Отдельные ее участки соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Поэтому она и названа двойной спиралью. Эти цепи построены из большого числа нуклеотидов. Сочетания рядом стоящих в цепи ДНК нуклеотидов составляет генетический код. Нарушения их последовательности в цепи ДНК приводят к мутациям - наследственным изменениям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток. Это обеспечивает передачу наследственных признаков в ряду поколений отдельных клеток и целых организмов. Живые организмы построены из белков. Их в живой природе существует несколько миллиардов, но все они построены всего из 20 мономеров - органических аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определенной последовательности. Эта последовательность определяет все биологические свойства данного белка. Набор аминокислот также универсален для почти всех живых организмов.

Реализация генетической информации - процесс, происходящий внутри каждой живой клетки, во время которого генетическая информация, записанная в ДНК клеточного ядра, воплощается в биологически активных веществах - белках.

Генетический код - существующий в живой природе способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Генетический код универсален для всего живого на Земле, он один и тот же у всех организмов (с некоторыми небольшими исключениями), от вирусов до млекопитающих и человека.

В 1954 году физик-теоретик Георгий Гамов опубликовал статью, где первым поднял вопрос генетического кода, доказывая, что "при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для "записи наследственной информации", выражая при этом надежду, что "кто-нибудь из более молодых ученых доживет до его расшифровки". В октябре 1968 года Роберту Холли, Хар Коране и Маршаллу Ниренбергу была присуждена Нобелевская премия за расшифровку генетического кода. Но Георгий Антонович Гамов к тому времени уже умер.

Сочетание нуклеотидов тройками, предсказанная Г.А. Гамовым - это кодон (триплет), единица генетического кода; состоит из 3 последовательных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК. Последовательность кодона в гене определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка, кодируемого этим геном. Передача генетической информации происходит по схеме "ДНК РНК белок".

Открытие структуры ДНК положило начало молекулярной генетике и ее важнейшим разделам в генной инженерии, генетике человека и медицинской генетике. Разрабатываются генетические аспекты проблемы борьбы со злокачественными новообразованиями и преждевременным старением.

Молекулярная генетика - раздел генетики и молекулярной биологии - ставит своей целью познание материальных основ наследственности и изменчивости живых существ путем исследования протекающих на субклеточном, молекулярном уровне процессов передачи, реализации и изменения генетической информации, а также способа ее хранения.

В начале 70-х годов XX века возникла генная инженерия - методы молекулярной биологии и генетики, связанные с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Она основана на извлечении из клеток какого-либо организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединении их со специальными молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма (главным образом микроорганизмов) и размножаться в них. Генная инженерия, наряду с клеточной инженерией, лежит в основе современной биотехнологии. Открывает новые пути решения некоторых проблем генетики, медицины, сельского хозяйства. С помощью генетической инженерии был получен ряд биологически активных соединений - инсулин, интерферон и др.

Геном - это совокупность всех генов организма, его полный хромосомный набор. Термин "геном" был предложен Г. Винклером в 1920 году для описания совокупности генов, заключенных в наборе хромосом организмов одного биологического вида.

В 1988 году один из первооткрывателей структуры ДНК Нобелевский лауреат Джеймс Уотсон выступил с предложением создать программу "Геном человека" с целью раскрыть полную структуру генома биологического вида Homo Sapiens (Человека разумного). К тому времени было уже известно, что наследственный аппарат человека - геном (совокупность всех генов и межгенных участков ДНК) - составляет около 3 млрд нуклеотидных пар. Решение такой грандиозной задачи на том уровне развития генетики казалось нереальным.

В том же 1988 году с аналогичной идеей выступил выдающийся российский молекулярный биолог и биохимик, академик А.А. Баев (1904-1994). С 1989 года в США и в России существуют научные программы "Геном человека", а позднее возникла Международная организация по изучению генома человека (HUGO). Сегодня руководителем Российской национальной программы "Геном человека" является член-корр. РАН Л.Л. Киселев.

Первым важным шагом этой международной программы стало секвенирование - определение последовательности нуклеотидов в ДНК.

К началу XXI века эта сложнейшая задача была выполнена. Число генов в геноме человека оказалось около 35000. Но это лишь первый этап программы. Геном человека прочитан полностью, но он подобен тексту телеграммы на неизвестном языке. Ведь каждый ген представляет собой программу создания определенного вида белка, а таких белков - огромное количество. Дальнейший этап - это расшифровка этого "текста". Частично она выполнена, но полная расшифровка может растянуться на многие годы.

Нобелевскую премию 2006 года по физиологии и медицине - "За открытие механизма РНК-интерференции (подавления экспрессии генов двухцепочечной РНК)" - разделили Эндрю Файр (1959 г. р.) из Медицинской школы Стэнфордского университета и Крэйг Мелло (1960 г. р.) из Медицинской школы Массачусетского университета.

На одной из классических моделей генетического анализа - геноме червя - они изучали способы выключения (так называемой блокировки) отдельных генов. Их целью было понять, за что отвечает каждый ген. В одном из опытов они ввели червям двухцепочечную РНК с таким же кодом, как у блокируемого гена. И ген "выключился". Так почти случайно был открыт феномен РНК-интерференции. По существу, ученые обнаружили фундаментальный механизм контроля над потоком генетической информации.

Это открытие позволило ученым-генетикам понять, зачем нужен и за что отвечает каждый ген. Появилась перспектива лечения врожденных генетических аномалий. Становится реальным заблокировать ген, отвечающий за образование раковых клеток.

Открытие РНК-интерференции дает перспективу "отключать" любые гены, наносящие вред организму.

За последние десятилетия для идентификации личности широко применяется биологический метод анализа ДНК, индивидуального для каждой личности. Он используется для определения факта отцовства, опознания личностей погибших в различных катастрофах и при военных действиях.

Первым человеком, который догадался, каким образом можно идентифицировать личность с использованием методов молекулярной генетики, был английский профессор Алек Джеффрис, опубликовавший в журнале Nature свою статью "Индивидуально-специфичные "отпечатки пальцев" ДНК человека" в июле 1985 года. С помощью этого метода в 1986 году ему удалось доказать невиновность человека, обвиненного в двойном убийстве и даже признавшем свою вину. Настоящий преступник был пойман через год. Так идентификация личности на основании данных ДНК-анализа начала широко применяться в криминалистике. Осуществлялся анализ соответствия биологических образцов, найденных на месте преступления, с образцами, полученными от подозреваемого в совершении преступления, и установление родства по характеристикам ДНК. Несомненным преимуществом метода является то, что даже ничтожно малого количества образца оказывается достаточно для проведения анализа. Кроме того, в качестве исходного материала для выделения ДНК могут быть использованы кровь, сперма, слюна, волосы, костные ткани - любые образцы, содержащие хотя бы несколько клеток.

Имеется ряд причин, по которым молекула ДНК так привлекательна для использования в судебной идентификации.

1. Уникальность индивидуальной ДНК.

Каждый человек в мире генетически индивидуален (кроме однояйцевых близнецов).

2. Генетическое постоянство организма.

Генетическая информация, в отличие от состава белков или жиров, не изменяется в течение жизни, а также в зависимости от типа клеток, из которых была выделена ДНК.

3. Чувствительность метода.

Для современных методов ДНК-анализа достаточно даже нескольких капель крови, или образца слюны, которой наклеивалась почтовая марка на конверт, или пятна спермы, по площади в 10 раз меньшего булавочной головки.

4. Относительная стабильность молекул ДНК.

В отличие от белков, являющихся нестабильными структурами, молекула ДНК обладает повышенной устойчивостью к воздействиям окружающей среды. Это свойство ДНК является для криминалистов ценным, поскольку позволяет проводить идентификацию по прошествии даже очень большого срока давности, или же если останки человека не могут быть опознаны никакими другими методами (например, в случае авиакатастроф).

Нервная система и память

А теперь перейдем к рассказу о памяти, необходимой каждому отдельному человеку, да и животным в процессе их существования.

Память - это способность сохранять и воспроизводить следы полученных впечатлений - зрительных, слуховых, обонятельных, осязательных, вкусовых, то есть некоей информации. Именно благодаря памяти человек живет не только в настоящем, но и в прошлом, и в будущем. Она дает возможность планировать поведение в соответствии с заложенными инстинктами, опытом, знаниями и окружающей обстановкой, то есть принимать решения.

Необходимо отметить коренное отличие генетической информации от индивидуальной памяти. Он состоит в том, что генетическая информация передается по наследству от организма к организму, а индивидуальная память не наследуется, а только приобретается человеком в течение всей его жизни посредством обучения и воспитания.

Источником возбуждения является окружающий нас мир, его предметы и события, а каждое возбуждение оставляет свой след в нервной системе. Она состоит из особых клеток - нейронов. Каждый нейрон имеет тело и несколько отростков - коротких (дендритов) и одного длинного (аксона). Нейроны в зависимости от формы бывают различных типов - пирамидальные, звездчатые, веретенные. С помощью дендритов и аксонов нейроны образуют общую нейронную сеть, способную воспринимать и передавать информацию, например сигналы из внешнего мира. Передаваемые сообщения-сигналы представляют собой последовательные импульсы, проходящие по аксонам и нейронам центральной нервной системы от одного нейрона к другому.

Какова же скорость передачи импульсов? Она различна для разных нервов: в двигательных у человека - она составляет 60-120 метров в секунду, а болевое ощущение проводится со скоростью всего 1-30 м/с. В седалищном нерве лягушки эта скорость составляет 27 м/с. Максимальная скорость передачи импульсов по нерву составляет 500 импульсов в секунду. Если сравнивать эти скорости с передачей сигналов в современном компьютере, близкой к скорости света (300 тыс. км/с), то она кажется ничтожно малой.

Область контакта между аксоном и нейроном (размером всего около 200 ангстрем), которому адресуются импульсы, называется синапсом. Число синапсов у различных нейронов различно: от нескольких до нескольких тысяч. Синапс обладает свойством одностороннего проведения импульсов, что обеспечивает определенный порядок распространения возбуждения в нервной системе. Еще одно важнейшее свойство синапса - его пороговый характер. Он не реагирует на одиночные возбуждения, а передает их дальше по цепи нейронов только после их накопления выше определенного порога, причем только после некоторого промежутка времени - синаптической задержки импульса. Сами импульсы имеют биоэлектрическую природу, а пороговый характер синапсов и синаптическая задержка - биохимическую природу. В нервной системе происходят два активных противоположных процесса - возбуждение и торможение, являющиеся основными законами ее действия на всех уровнях. При этом возбуждение создает основной тон, а торможение его корректирует. Между возбуждением и торможением происходит борьба, исход которой определяет судьбу каждого сообщения - будет оно передано дальше или нет.

Общее число нейронов в мозгу человека составляет гигантскую цифру - десятки миллиардов, а связей между ними - синапсов - еще на два порядка больше. Все вместе они и составляют нейронную сеть.

Нейроны получают раздражения от рецепторов, воспринимающих внешние раздражения - зрительные, слуховые, обонятельные и осязательные. Рецепторы (от лат. receptor - принимающий) - это окончания чувствительных нервных волокон или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутреннего уха и др.). Внешние раздражения они преобразуют в нервное возбуждение, передаваемое в центральную нервную систему.

Контроль же за собственным телом осуществляют проприорецепторы. Они находятся во всех связках и суставах, мышцах и сухожилиях. Благодаря сигналам от них, передаваемых центральной нервной системе, мы можем в любой момент ощущать свое тело и контролировать действие своих двигательных органов. Мозг, получая информацию от рецепторов, посылает через нервную систему команды мышцам. Они при этом сокращаются, вызывая движение рук, ног, шеи или глаз. Это - прямые связи.

А мышцы с помощью проприорецепторов сообщают мозгу о своем положении. Это - обратная связь, то есть сообщение о результатах действия.

Информация, получаемая головным мозгом человека от органов чувств, формирует восприятие человеком окружающего мира и самого себя. Человек получает информацию посредством пяти органов чувств:

· глаза (зрение),

· уши, включая вестибулярный аппарат (слух и чувство равновесия и тяжести),

· язык (вкус),

· нос (обоняние),

· кожа (осязание).

С помощью зрения человек различает цвета, формы, размеры наблюдаемых объектов. С помощью органа слуха человек получает возможность воспринимать различные звуки окружающего мира, благодаря чему он может ориентироваться в окружающей среде. Слух человека по своему значению является вторым после зрения. Особую роль он приобрел у человека в связи с возникновением речи. Орган слуха образуют наружное, среднее и внутреннее ухо. Оно состоит из сложной системы сообщающихся между собой каналов и полостей, напоминающих улитку. В улитке имеются жидкость и нервные окончания. Непосредственно с головным мозгом внутреннее ухо соединяет слуховой нерв. Точная ориентация в трехмерном пространстве достигается согласованной работой нескольких органов чувств - зрения и слуха, информацией, поступающей постоянно от проприорецепторов. Но главный орган чувства равновесия, положения тела в пространстве, - это вестибулярный аппарат. Он находится во внутреннем ухе, там же, где помещается улитка - орган слуха. Он состоит из полукружных каналов и отолитового аппарата. Полукружные каналы расположены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и заполнены полупрозрачной студенистой жидкостью. При всяком перемещении тела или головы в пространстве, особенно при вращении тела, в этих каналах смещается жидкость. Внутри каналов находятся чувствительные волоски, погруженные в жидкость. Когда при движении жидкость смещается, она надавливает на волоски, те немного сгибаются, и это мгновенно вызывает возникновение импульсов в окончаниях вестибулярного нерва.

Отолитовый аппарат, в отличие от полукружных каналов, воспринимает не вращательные движения, а начало и конец равномерного прямолинейного движения, ускорение или замедление его, а также (для невесомости это главное!) воспринимает изменение силы тяжести - гравитацию. Он состоит он из двух маленьких мешочков, заполненных студенистой жидкостью. Дно мешочков покрыто нервными клетками, снабженными волосками. В жидкости взвешены маленькие кристаллики солей кальция - отолиты. Они постоянно (ведь на них действует сила тяжести) давят на волоски, в результате клетки все время возбуждены и импульсы от них по вестибулярному нерву "бегут" в мозг. От этого мы всегда ощущаем силу тяжести. При перемещении же головы или тела отолиты смещаются, и мгновенно меняется их давление на волоски - по вестибулярному нерву в мозг поступает информация: "Положение тела изменено".

Орган вкуса дает возможность определить вкус пищи, который человек воспринимает при помощи специальных нервных окончаний, находящихся в особых образованиях ротовой полости - вкусовых сосочках, расположенных на поверхности языка. Разные участки языка воспринимают разные вкусы: кончик языка - сладкое, корень - горькое, бока - кислое, края и кончик - соленое. С помощью органа обоняния, расположенного в эпителии верхней части полости носа, человек может различать предметы по запаху, определять качество пищи и вдыхаемого воздуха. Чувство осязания возникает у человека благодаря коже. В коже, особенно в пальцах рук, ладонях, подошвах, губах и т. д., находится большое количество нервных окончаний, что и обеспечивает их повышенную чувствительность. Чувствительность кожи подразделяют на четыре вида: болевую, тактильную (осязание и давление), холодовую и тепловую. Кожа защищает человека от механических воздействий (удары, давление и т. д.) и от ультрафиолетового облучения.

Информация о раздражителях, воздействующих на рецепторы органов чувств человека, передается в центральную нервную систему. Она анализирует поступающую информацию и идентифицирует ее (возникают ощущения). Затем вырабатывается ответный сигнал, который передается по нервам в соответствующие органы организма, в том числе и мышцы. Они при этом сокращаются, вызывая движение рук, ног, шеи или глаз. Это - прямая связь. А мышцы с помощью проприорецепторов сообщают мозгу о своем положении. Это - обратная связь, то есть сообщение о результатах действия.

Реакция организма, осуществляемая по командам центральной нервной системы в ответ на сигналы от рецепторов, это - рефлекс. Вся деятельность организма является комбинацией различных рефлексов. Они делятся на безусловные (врожденные, заложенные генетически) и условные (вырабатываемые в течение жизни). Пример безусловного рефлекса - это реакция на боль, например, от прикосновения к горячему. При этом организм принимает решение автоматически, без участия сознания, с помощью спинного мозга. Сигнал от рецептора поступает, минуя головной мозг, непосредственно в спинной мозг, который немедленно посылает команду мышцам руки или ноги - отдернуть руку или ногу от горячего предмета. Так как сигнал от рецептора к мышцам проходит по короткой цепи, то и выполнение команды происходит с максимально возможной скоростью. Спинной мозг управляет и такими сложными безусловными рефлексами, как дыхание, биение сердца, координация движений при ходьбе, деятельность органов пищеварения. Обо всех этих процессах мы не думаем, в течение жизни они совершаются автоматически, помимо нашего сознания. Так, например, меняется пульс при изменении нагрузки - при ходьбе, беге, поднятии тяжестей. Все эти безусловные рефлексы являются формой памяти, заложенной в нас генетически, при рождении.

У животных и человека существует еще инстинкты (от лат. instinctus - побуждение) - сложные безусловные рефлексы (пищевой, оборонительный, половой и др.). Они представляют собой совокупность сложных врожденных реакций (актов поведения) организма, возникающих в ответ на внешние или внутренние раздражения. Инстинкты человека, в отличие от животных, контролируются его сознанием.

В течение жизни мы приобретаем и множество условных рефлексов - еще один вид памяти, представляющий собой реакцию на определенные повторяющиеся события или время. Так, например, чувство голода может возникать у нас во время работы при приближении обеденного перерыва.

Реакция на боль - безусловный рефлекс, возникшая у ребенка при первом соприкосновении, например, к раскаленной печке, превращается затем в условный рефлекс. Больше ребенок никогда к раскаленной печке не прикоснется. Таким образом, условный рефлекс - это своеобразная память, которую живой организм приобретает и накапливает в течение своей жизни.

Научившись ходить, плавать, ездить на велосипеде, играть на музыкальных инструментах, человек сохраняет это умение всю свою жизнь.

А как мышечный аппарат выполняет эти навыки? Этим занимается наука биомеханика или физиология активности.

Создателем этой науки является российский ученый, нейро- и психофизиолог Николай Александрович Бернштейн (1896-1966 г.г.).

Подлинное изучение мозга началось с выхода книги И.М. Сеченова "Рефлексы головного мозга". А затем И.П. Павлов ввел понятие условного рефлекса. Н.А. Бернштейн разработал теорию активности мозга. Подобно тому, как физика А. Эйнштейна вместила в себя как частный случай физику И. Ньютона, так теория активности Н.А. Бернштейна включает в себя в качестве составной части учение об условных рефлексах И.П. Павлова, хотя и во многом спорит с ним.

Биомеханика (от био... и механика), изучает механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происхождение в них механического явления (при движениях, дыхании и т. д.). Ее еще называют "наукой о рычагах человеческого тела". Н.А. Бернштейну удалось установить, что в сложнейшем "концерте" управления множеством мышц при выполнении самых различных действий, например, игры на рояле, участвуют все уровни головного мозга.

Биомеханика имеет важное значение при изучении трудовой, музыкальной, спортивной деятельности. Она помогает строить роботы, копирующие движения человека и животных.

Н.А. Бернштейн первым в мировой науке понял, что изучение движений является своеобразным ключом, способом познания закономерностей работы мозга. До Бернштейна изучали движения человека только с целью их описать, а Николай Александрович изучал движения, чтобы понять, как работает мозг при управлении ими. При этом им были открыты такие фундаментальные явления в управлении, как сенсорные коррекции, более известные теперь в кибернетике как "обратные связи" (они описаны Бернштейном еще в 1928 г., то есть почти за 20 лет до того, как это сделал создатель кибернетики Норберт Винер), принцип иерархического, уровневого управления и многое другое.

Н.А. Бернштейн считал себя учеником И.М. Сеченова, который еще в 19-м веке предположил, что все управление движениями человека сводится к непрерывной коррекции хода перемещения звена (например, руки или ноги), осуществляемой центральной нервной системой на основании данных от органов чувств (например, от органов зрения, слуха или осязания).

Николай Александрович первым понял, что нервная система, "подав команду" на начало какого-нибудь движения, никогда не оставляет его без контроля и, в случае необходимости, немедленно корректирует его. Это явление он и назвал "сенсорной коррекцией".

Н.А. Бернштейн критиковал созданную И.П. Павловым теорию рефлекса по схеме нервной дуги, идущей от органов чувств к мозгу, а от него к мышцам и железам. Эта дуга не замыкалась в рефлекторное кольцо, характерное для управляемого процесса - она не содержала обратной связи, то есть не учитывала непрерывного контроля за действием и его результатом.

Подвергал критике Н.А. Бернштейн и теорию И.П. Павлова о второй сигнальной системе - свойственной только человеку и отличающей его от животных. По теории И.П. Павлова эта система условно-рефлекторных связей формируется при воздействии речевых сигналов, т. е. не непосредственного раздражителя, а его словесного обозначения. Николай Александрович отмечал, что животные легко дрессируются с помощью слов так же легко, как и с помощью других сигналов - света, звука, запахов. Он считал, что назывательные элементы речи, из которых у человека образовалась категория имен, не могли нести сигнальной функции и не образуют никакой системы. В то же время он утверждал, что "слова и речь как отражение внешнего мира в его статике (имена) и динамике действий и взаимодействий с субъектом (глаголы, суждения) действительно образуют систему, доступную и свойственную только человеку". Своей критикой Бернштейн не разрушал учение Павлова, а только уточнял, углублял и продолжал его.

Как возражение Павлову Н.А. Бернштейн писал книгу "История учения о нервном импульсе". Во Всесоюзном институте экспериментальной медицины в 1936 году была запланирована их очная дискуссия. Но Павлов в том же 1936 году умер. Узнав, что его оппонент больше никогда не сможет ему ответить, Николай Александрович отдал в типографию распоряжение рассыпать набор уже готовой книги.

В последующие годы Н.А. Бернштейн создал теорию координации движений, задачей которой считал "преодоление избыточных степеней свободы движущегося органа, иными словами - превращение его в управляемую систему. Короче, координация есть организация управляемости двигательного аппарата. В основном определении с намерением говорится не о закреплении, притормаживании и т.п. избыточных степеней свободы, а об их преодолении".

Дело в том, что кости в руках и ногах человека скреплены между собой суставами, имеющими не менее двух, а плечевой даже трех осей вращения. Поэтому кисть руки имеет минимум 7 степеней подвижности, то есть возможность перемещаться по 7 независимым траекториям. И это только одна кисть, а у человека их две, а на каждой из них по 5 подвижных пальцев, состоящих из трех фаланг. Всего звенья тела человека, учитывая подвижность корпуса, обладают объемом движений, выражающимся трехзначным числом. Но это только возможности двигательного аппарата. А как человек осуществляет движения в каждом конкретном случае, когда нужно использовать только небольшую часть этих возможностей? Н.А. Бернштейн считал координацию организацией управляемости двигательного аппарата, заключающейся в преодолении избыточных степеней свободы.

И.П. Павлов и его сторонники считали, что жизнь живых существ представляет собой непрерывные ответные реакции на информацию, поступающую из непрерывно меняющегося мира. По их мнению, эта информация воздействует на органы чувств и пробуждает образованные ранее многочисленные временные связи (условные рефлексы), которые и определяют поступки и действия животных и человека. Это объясняло далеко не все проявления работы мозга. Сам Павлов это понимал. Он говорил, что когда обезьяна строит вышку, чтобы достать плод, то это условным рефлексом назвать нельзя.

Н.А. Бернштейн считал, что закономерности движений человека объяснить только одними условными рефлексами, как это вытекало из теории И.П. Павлова, нельзя. Заученных, привычных движений очень много, но неизвестных человеку движений значительно больше. А как быть при освоении новых движений, например, при обучении езде на велосипеде, плаванию или игре на рояле? При этом известно, что человек, научившись в детстве или в юности ездить на велосипеде, плавать или играть на музыкальном инструменте, сохраняет эти навыки всю последующую жизнь. Или чтение "с листа", когда музыкант, глядя в ноты, без всякой подготовки играет записанное в них незнакомое музыкальное произведение. Не менее сложна игра "по слуху", когда человек играет на рояле или на гитаре услышанную им мелодию, не зная ее нотной записи. Пианист - виртуоз играет на память сложнейшие музыкальные пьесы. При этом его пальцы движутся как бы сами собой. Стоит ему задуматься во время игры о последовательности их движений, как он может сбиться. Такова механическая память движений.

Идеи Бернштейна развивали одну из догадок И.М. Сеченова о том, что мозг активен. Мозг не пассивно воспринимает информацию из окружающего мира и только отвечает на нее действием, а сам активно воздействует на мир. При этом он непрерывно создает прогнозы будущего, основанные на вычислении вероятности. Это будущее существует в мозгу в виде модели. Бернштейн понял, что мозгу заранее известна цель любого действия. Эта цель служит причиной для начала действия и может изменяться в самом процессе этого действия, совершаемого по принципу обратной связи - с постоянным сообщением "с мест" о достигнутом результате действия и непрерывной коррекцией движения.

В этом состоит теория активности (биология активности), созданная Н.А. Бернштейном: человек отличается от всего животного мира лишь тем, что у него принцип активности, боевой самоорганизации стал осознанным и формируется в членораздельной речи и языке.

Н.А. Бернштейн создал уровневую теорию управления двигательными навыками. Она заключается в том, что в зависимости от механической сложности и психологической важности движения управление ими осуществляется определенными участками головного мозга. Смысл такого уровневого управления движениями несколькими иерархически соподчиненными кольцами состоит в том, что каждое из этих колец регулирует только часть структуры движения, подчиняясь при этом более высоким кольцам, и так до уровня, управляющего смысловой частью движения. Эти кольца - объединения нервных клеток - нейронов мозга, управляющих движением, распределяют между собой роли по иерархии умения, целой лестнице подчиненности и распределения обязанностей. Часть нейронов только намечает общие пути достижения цели движения и включает крупные подразделения мышц, а за детали исполнения отвечают следующие кольца - группы нейронов и т.д.

На основе достижений биомеханики ученые НАСА -космического агенства США - разработали устройство и программное обеспечение, которое позволяет распознавать слова еще до того, как человек их произнес. Для этого на его горле, по обеим сторонам кадыка ("адамова яблока") закрепляют датчики, которые улавливают нервные импульсы в гортани и ротовой полости еще до того, как слова произнесены. Ведь именно с помощью мышц во рту, горле, на языке и голосовых связках формируются произносимые человеком звуки. Сигналы в нервах этих мышц от мозга появляются еще до того, как слова произнесены вслух. Считывание этих сигналов равносильно чтению мыслей на расстоянии. Эти исследования находятся только в начале пути. Пока удается распознать несколько простых слов (например: налево, направо, иди) и цифры от 0 до 9. В 92% случаев программа узнала то, что испытуемый подумал, но не произнес. Однако ученые планируют возможность обходиться без клавиатуры при работе на компьютере, возможность людей безмолвно переговариваться между собой (например, осуществлять общение глухонемых между собой без жестикуляции). Начинает сбываться давняя мечта - узнать, о чем думает человек!

И еще один важнейший научный подвиг совершил Н.А. Бернштейн, на этот раз в только еще рождавшейся космической медицине. В начале 60-х годов готовился первый полет человека в космос. У медиков были серьезные опасения, что космонавт в невесомости потеряет координацию движений и затем не сумеет ее восстановить. За советом обратились к Николаю Александровичу. Он рассуждал так. В космосе гравитация исчезает. И он предложил испытать изменение координации у будущих космонавтов при повышенной гравитации - на центрифуге. Опыты по его методике проводились с В. Быковским, В. Комаровым, Б. Волыновым. Они показали, что координация движения человека сначала нарушается, но постепенно восстанавливается. Первый космический полет Юрия Гагарина блестяще подтвердил этот прогноз. После полета А. Николаева и П. Поповича Н.А. Бернштейн выступил по радио с прогнозом биологического состояния человека в космическом пространстве и опубликовал обзор "Наука штурмует космос".

А теперь поговорим о памяти, связанной с высшей нервной деятельностью человека. Она существует двух родов: кратковременная (или оперативная) и долговременная.

Оперативная память играет вспомогательную роль и используется, например, для арифметических расчетов. При умножении чисел она дает возможность запоминать промежуточные результаты ("два пишем, четыре в уме"). Но после выполнения всей операции эти промежуточные результаты становятся ненужными и только "засоряют" память. Поэтому они очень скоро забываются. Глубину кратковременной памяти психологи измеряют количеством цифр или слогов, которые человек может запомнить с первого раза. При этом предлагают ему запомнить их в полном беспорядке, без какого-то смысла. Оказалось, что емкость оперативной памяти составляет всего 7-8 слогов, но для каждого отдельного человека эта емкость постоянна. При изучении оперативной "механической" памяти было замечено, что лучше всего запоминаются первые и последние цифра или слог. Предполагают, что средние слоги оказывают "торможение" со стороны соседних и поэтому труднее запоминаются. Из этого правила есть исключение - у профессиональных "счетчиков", обладающих специальными приемами запоминания и быстрого счета и использующих их в профессиональных целях в качестве своеобразного аттракциона.

Профессиональная, оперативная и долговременная память

У взрослых людей появляется еще и профессиональная память. Особенно хорошо она видна на примере врачей, помнящих невероятный объем информации: сотни и тысячи болезней, рецепты лекарств, своих пациентов; музыкантов, помнящих огромное число музыкальных произведений; шахматистов, помнящих множество шахматных дебютов, целых партий и способных играть сеансы одновременной игры "вслепую" с большим числом партнеров. Правда, у каждого профессионала вырабатываются свои приемы запоминания, связанные с хорошими знаниями и интересом к своей профессии.

Долговременная память работает совсем не так, как оперативная. Ведь многие вещи нам нужно помнить практически всю жизнь. Так, например, таблицу умножения мы заучиваем в первом классе школы и помним ее всю жизнь - в отличие от результатов каких-то текущих арифметических вычислений. Таким же образом мы запоминаем алфавит родного или иностранного языка, грамматические правила и великое множество самой различной информации.

Способности к обучению и запоминанию новой информации на многие десятки лет особенно проявляются у детей в возрасте до 3 лет. Именно за этот период ребенок получает не менее половины информации, которую он запоминает за всю свою жизнь. Достаточно вспомнить, как быстро ребенок (за первые полтора - два года) начинает говорить на родном языке. Да и изучение иностранных языков дается детям гораздо легче и быстрее, чем взрослым, особенно пожилым людям (как и любое другое обучение).

Ослабление памяти в старости начинается с ослабления именно оперативной памяти - именно так проявляется склероз.

Пожилой человек прежде всего забывает свежие события и факты и, в то же время, отчетливо помнит события и факты многолетней давности, даже детства. Чаще всего это начинается с того, что человек забывает, где он положил тот или иной предмет, например, очки, и начинает искать их по всей квартире. Долговременная память у пожилых сохраняется гораздо дольше, чем оперативная. Сохранению долговременной памяти очень способствует интеллектуальная работа в пожилом возрасте, в особенности при занятии любимым делом.

В чем же коренное отличие долговременной памяти от оперативной? Оперативная память в основном - механическая. Правда, запоминание можно сделать смысловым. Простейшим приемом является так называемый "узелок на память", то есть установление некоторых смысловых связей.