/
Автор: Штейнгауз А.И.
Теги: биология бионика биотехнологии окружающий мир биологические дисциплины
Год: 1968
Текст
Издательство
„Детская литература*
Москва 1968
Л. ШТЕЙНГАУЗ
ИНЖЕНЕР
и
ПРИРОДА,
/ Ч
ИЛИ
Что
такое
БИОНИКА
Scan+DjVu: AlVaKo
13/03/2025
Полон неразгаданных тайн окружающий
нас мир, много неизведанного в самых
обыденных, самых заурядных явлениях
живой природы. Человек старается
понять и изучить самого себя и
окружающую действительность, и в этом ему
помогает новая интереснейшая наука —
бионика. Вот об этой науке, ее
возникновении и возможностях читатель узнает
из книги А. Штейнгауза «Инженер и
природа, или что такое бионика».
Р и с у н и и Ю. Манареннова
7—6—3
6П2.15
Ш88
СКОЛЬКО НАУК НА СВЕТЕ?
Если у вас есть время и желание, попробуйте посчитать,
сколько наук на свете. Или даже проведите с товарищами
соревнования— кто больше назовет наук.
Быть может, в списке победителя их окажется более
сотни. Но и чемпион, и самый слабый из участников обязательно
в числе первых отметят математику, физику, химию,
биологию, кибернетику.
Случайно ли такое совпадение? Конечно, нет!
Называя эти науки в числе первых, мь\ просто отдаем
должное их роли в жизни человечества, надеждам и страхам,
которые порождают в людях все новые достижения каждой
из них. Но есть и множество других наук. Их слава не столь
громка, но каждая из них родилась не случайно, не по чьей-
то прихоти, они дарят нам новые знания, открывают новые
возможности.
Так сколько же сегодня существует наук?
Это не праздный вопрос. Многим из вас осталось не так
уж долго ждать окончания
школы, и вы, наверное, не
раз задумывались о том
пути, который предстоит
выбирать в жизни.
Перед теми, кто
собирается стать ученым,
открыта тысяча дорог, точнее —
тысяча сто пятьдесят. Ровно
столько, сколько
существует на свете наук, кто-то
сумел пересчитать все
тысяча сто пятьдесят.
Вряд ли этот подсчет
абсолютно верен. И не пото-
му, что какой-то науки недосчитались или, наоборот,
приписали лишнюю. Просто одни науки ветвятся, другие, наоборот,
сливаются, а некоторые уходят в прошлое. Правда, науки
умирают очень редко. Зато все больше их рождается. Вот
пример: раньше были просто физика, просто химия. Нынче же
есть еще физическая химия и химическая физика, а сами
физика и химия разделились на множество чрезвычайно важных
направлений, каждое из которых, быть может, рано или
поздно выделится в самостоятельную науку. То же самое
происходит и в биологии, и з
астрономии, и в
географии, и во множестве
других дисциплин. Словом,
можно уверенно говорить
о дальнейшем росте
числа наук.
Чем это объяснить?
Причин много, но
главная, основная,
заключается в небывалом
углублении и расширении знаний,
в росте потребности
человечества в знаниях.
Каких-нибудь двести
лет назад один человек мог знать всю физику, всю химию,
всю математику. Таким, например, был Ломоносов. Он сделал
важнейшие открытия в физике, химии, астрономии. Он
занимался «мозаичным художеством», слагал прекрасные звучные
стихи, и сам русский язык многим обязан ему. Двести лет
прошло со дня смерти основателя Московского
университета — не такой уж большой срок в истории человечества,— но
теперь даже величайшему ученому не под силу заниматься
одновременно несколькими науками. Нет уже и таких людей,
кто мог бы сказать, что знает от А до Я хотя бы одну науку.
И вовсе не потому, что гении перевелись: просто даже
самому выдающемуся из них не под силу изучить и запомнить все,
что открыто и известно ныне в пределах лишь одной науки.
Объем научных знаний стал особенно резко возрастать
после второй мировой войны. Вот лишь один пример. Уже
давно публикуется известнейший научный журнал
«Физическое обозрение». До войны он был тоненьким и читали его
лишь несколько сотен физиков, разбросанных по всему свету.
Теперь же без него не могут обойтись десятки и даже сотни
тысяч специалистов. А сам журнал так разросся, что если бы
его увеличение продолжалось и далее в том же темпе, то в
будущем веке его вес превысил бы вес земного шара!
6
Не менее быстро растет и количество научных работников.
Если бы темп этого увеличения сохранился, в недалеком
будущем все жители нашей планеты стали бы учеными.
Конечно, этого не случится, но все-таки армия ученых с каждым
годом будет расти. А еще больше будет увеличиваться армия
инженеров, потому что без инженеров не может развиваться
не только техника, но и наука.
Я не стал бы напоминать этой простой истины, если бы
меня не встревожил один странный факт, на который недавно
обратили внимание наши газеты. Они отметили, что число
желающих поступить в ведущие технические учебные
заведения сократилось. Вероятно, это произошло не только из-за
боязни сложных экзаменов. Скорее, многие из абитуриентов
недооценивали той большой роли, которую будут играть
инженеры в последней трети XX века.
Мне часто приходилось разговаривать с теми, кому в
первую очередь адресована эта книга,— со школьниками
старших классов. И я не раз замечал, что многие из моих
собеседников хотели стать учеными, но не испытывали желания
посвятить себя технике, инженерии. Они даже с некоторым
пренебрежением относились к профессии инженера и были
убеждены, что инженер всего-навсего подмастерье ученого.
Это заблуждение я хотел бы рассеять. Оно особенно
досадно в наши дни, когда наука и техника немыслимы друг без
друга, когда они проникли друг в друга столь глубоко, что
труд ученого часто неотличим от труда инженера, а труд
инженера — от труда ученого.
Пожалуй, особенно ярким примером такого
взаимопроникновения науки и техники является бионика. Бионика
безусловно наука, но столь же безусловно и техника. Она и
существует для того, чтобы помочь технике создавать особо
сложные и совершенные машины и приборы.
Вот о бионике, о труде инженеров и ученых, об их связи
с природой, об одном из тысячи ста пятидесяти путей в
технику и науку, который, быть может, выберет кто-нибудь из
вас, и рассказывается в этой книге.
ЧТО ТАКОЕ БИОНИКА?
Бионика... Слово незнакомое, и все-таки у многих оно
вызовет определенные ассоциации. Не образовано ли оно
сочетанием слов биология и электроника?
Такая догадка возникала не только у непосвященных, но
на первых порах даже и у тех, кто в некоторой степени был
7
знаком с предметом и методами этой науки; существование
ее действительно немыслимо в отрыве от биологии и
электроники. И все же слово «бионика» имеет иное
происхождение. Оно образовано от древнегреческого слова «бион», что
означает — ячейка жизни.
Ибо бионика, подобно биологии, интересуется живой
природой. Но цель у бионики совершенно иная. Новая наука
неразрывно связана с практикой, с техникой и изучает живую
природу специально для того, чтобы понять, в чем она
совершеннее, умнее, экономичнее современной техники и, поняв,
дать в руки инженеров новые знания, новые принципы и
методы решения труднейших проблем, вставших ныне перед
техникой. Вот почему бионика — и наука и техника
одновременно. Один из инженеров дал такое определение бионики:
«Бионика является искусством применения знаний о
биологических системах и методах к решению инженерных
задач».
Если рассматривать бионику с таких именно позиций,
можно решить, что ничего нового в ней нет. Ведь род
человеческий с первых дней подражает природе, учится у нее,
старается перенять все, что можно обратить себе на пользу. Так,
старинное предание говорит, что во времена средневековья
арабские ученые, исследовав строение глаза, изобрели линзу,
без которой не мыслимо существование оптики, фотографии
и кинематографии; без которой не возникла бы и
современная физика. О том, как изучение живой природы с самых
давних времен помогало человеку изобретать, можно
рассказать многое.
И все-таки бионика молода. Она зарождается на наших
глазах. В отличие от прежних исследователей природы,
открытия которых время от времени и лишь непреднамеренно
приводили к техническим изобретениям, бионики всегда ставят
перед собой цель — изучать живую природу для того, чтобы
открывать новые технические принципы и на их основе
создавать новые инженерные устройства.
Иными словами, бионик изучает живую природу не ради
нее самой, а заранее задавшись определенной технической
целью.
Времена случайных открытий отошли в прошлое. Ныне
биологи, как и представители точных наук, по большей части
гнают, что хотят найти. Знают это и бионики. Но, в отличие от
биологов, они в первую очередь интересуются техническими
принципами действия биологических систем (если хотите —
биологических машин) или отдельных органов. А это
означает, что основное внимание бионика сосредоточивает на том,
как работает система, как работает орган, а не на их биоло-
8
гических особенностях, если они не важны для решения
технической проблемы.
Конечно, бионика не возникла на пустом месте. Науки, из
которых она выросла, известны всем. Это биология, физика,
химия, математика и, разумеется, электроника и кибернетика,
это многие инженерные науки. Рождение бионики
подтверждает основное правило развития современных наук:
наиболее важные и плодотворные направления возникают на
стыке многих не связанных дотоле наук.
Передо мной несколько книг по бионике. Это не
учебники (их еще не скоро напишут), не монографии. Это сборники
докладов, зачитанных на советских и зарубежных
конференциях. Круг тем необычайно широк: тут и сообщения о первых
бионных приборах, и доклады об исследовании принципов
полета птиц, об обтекаемости тела рыб и водных
млекопитающих, о биолюминесценции (свечении организмов), о
строении мышц и о многом другом. Как ни разнохарактерны темы
исследовательских работ и докладов, все они сегодня с
равным правом относятся.к той области науки, которая родилась
на наших глазах и наречена бионикой.
Однако уже и сейчас можно довольно точно установить
главные направления этой науки на ближайшее будущее.
Сравнивая доклады на конференциях и журнальные статьи,
легко заметить, что год от года увеличивается число работ,
посвященных органам чувств животных, процессам в нервной
системе и вопросам навигации у животных. Это не случайно.
Именно изучение принципов работы органов чувств, нервной
системы, перелетов птиц, путешествий насекомых, рыб и
морских животных позволит разрешить наиболее важные и
трудные, наиболее неотложные проблемы, назревшие в технике,
поможет инженерам создать новые удивительные машины.
Но, повторяю, бионика занимается и многими другими
вопросами, ведет исследования в совершенно иных
направлениях. Какое из них первым принесет успех, предсказать
невозможно.
Ведь в бионике еще ничего не устоялось. И на ее счету
нет пока ни фундаментальных открытий, ни существенных
практических результатов. Нынче она всего лишь
многообещающий младенец. Несомненно только одно: многие бион-
ные исследования рано или поздно принесут сзои плоды.
Бионика уже сейчас начала оказывать влияние на технику, а
к тому времени, когда вы завершите свое образование, то
есть примерно к концу семидесятых годов, эта наука
обретет свою теорию, даст очень важные для практики
результаты.
Как видите, краткого и определенного ответа на вопрос
9
«Что такое бионика?»
не существует. Более
того, среди ученых
немало тех, кто
отвергает бионику. Но мне
не встречался ни один
инженер, который не
приветствовал бы эту
новую науку. Почему
среди ученых есть
такие, которые
отрицают бионику, а среди
инженеров их нет и
обоснованно ли такое
отрицание, мы увидим
позже. Пока добавлю,
что сегодня на свете
еще нет «профессиональных» биоников, и ни в одном
учебном заведении еще не создан факультет бионики. Сейчас
этой науке отдают свои силы энтузиасты из самых
различных областей техники, в основном из электроники, и,
разумеется, биологи и кибернетики.
Теперь, читатель, я хочу сделать небольшое отступление.
Я знаю, что вам уже кое-что известно о «патентах
природы», ведь о них не раз писали в газетах и журналах, немало
рассказывали по радио. И вы, вероятно, рассчитываете, что
уже со следующей страницы начнется рассказ о
сенсационных открытиях, удивительных бионных машинах и
таинственных загадках природы — словом, обо всем том, о чем вы
уже чуточку наслышаны.
Я должен разочаровать тех, кто надеется на это. Прежде
чем дело дойдет до «патентов природы», вам придется
прочитать немало страниц, посвященных совсем другой,
несенсационной бионике, о которой куда меньше говорили и
писали. Мне тоже хотелось бы, как говорится, взять быка за
рога, но опасаюсь, что столь опрометчивый поступок привел бы
нас с вами к весьма печальному финалу: я не сумел бы
рассказать по-настоящему, а вы понять, что такое бионика,
почему на нее возлагается столько надежд и чего можно в
действительности ждать от этой инженерной науки.
Чтобы понять бионику, надо знать ее истоки и причины,
вызвавшие ее к жизни, а следовательно, представлять себе
путь, по которому наука и техника пришли в школу живой
природы.
И нам, правда очень бегло, придется повторить этот путь:
мы начнем его в Италии конца XVIII столетия, затем узнаем
10
о некоторых научных открытиях, сделанных у нас на Родине
в конце прошлого и в начале нашего века, познакомимся с
одним американским ученым, а попутно поговорим об
электричестве, кибернетике, о профессии инженера, об экономии
и о том, насколько надежна современная техника.
Многое из того, что встретится в начале книги, быть
может, известно вам, Но дело в том, что совсем недавно все
это известное даже специалистам казалось не объединенным
друг с другом ничем, кроме истории науки. Теперь же, после
возникновения бионики, ясно видно, что все, о чем мь\ будем
говорить, тесно связано в единую цепь.
А пока расскажу об одном случае, приключившемся с
маленькой девочкой, которая ехала на Юг.
Девочка много слышала об удивительном Черном море,
о Кавказских горах, и ей не терпелось увидеть все самой: и
горы, и особенно море. Она была ке сильна в географии и
знала только одно: море находится на Юге. Но Юг она
понимала по-своему — для нее это было не направление, а некая
страна, где плещет теплое море.
И когда тронулся поезд, девочка прижалась носом к
оконному стеклу и неотрывно смотрела, как медленно
поворачивается за окном земля, как приближаются, а затем уходят
назад дымящие фабричные трубы, дома, белье, развешанное
на веревках, неторопливо идущие люди, деревья, поля, луга
со стадами. Дома, заводы, деревья... все было знакомым, все
это она уже не раз видела, и ей казалось, что поезд тоже не
торопится и идет слишком медленно; ей так хотелось скорее
попасть на Юг!
Но все-таки картины, мелькавшие за окнами, постепенно
менялись: как-то незаметно отступили от дороги леса, а
затем и вовсе исчезли, за окном раскинулась бескрайняя степь.
Но и она постепенно сменилась холмами — поезд
приближался к Кавказу. Над ночным горизонтом розовели в последних
лучах солнца вершины гор. Но тут девочку уложили спать.
Утром девочка проснулась и выглянула в окно. Но ничего,
кроме высоких деревьев да клочка необыкновенно синего
и высокого неба, не увидала. А вскоре в вагоне стало темнее,
чем ночью,— поезд вошел в тоннель. Потом вышел из него
и почти сразу нырнул в другой, третий, а когда выбрался из
последнего, отец воскликнул: «Смотри, море!»
Море! Оно даже снилось ей. Девочка знала, что оно
синее, сверкающее, огромное. И она быстро повернулась к
окну, но увидела только деревья, траву и бескрайнее синее
небо.
— Где же оно? — нетерпеливо спросила девочка.
— Да прямо перед тобой!—ответил отец.
11
Но она еще долго не могла увидеть моря.
Возможно ли это?
Да, возможно. Ведь девочка никогда не видела моря и
ясным солнечным утром не сумела отличить его от южного
неба.
Поверит ли кто-нибудь этой истории, если ее героем
окажется не ребенок, а взрослый?
Но представим себе, что надо заметить не море, а новое,
неизвестное науке явление или новую научную идею. Порой
их чрезвычайно трудно распознать и отличить от старого,
давно известного науке. И нередко старое принимают за
новое. Один ученый шутил: «Новое — это прочно забытое
старое».
Но зато, когда новое узнано и понято, наступает пора
прозрения; все поиски, которые велись как бы вслепую, все
попытки продвинуться по пути знания озаряются светом нового
открытия, новой идеи. И тогда становится ясно, что наука шла
именно к этому открытию, что оно подготавливалось всем
ходом развития человеческого общества и сделано вовсе не
случайно, хотя, разумеется, никто заранее не мог предвидеть,
каким будет открытие, какой окажется новая идея.
Я позволю привести пример из своей жизни.
В пятидесятых годах мне пришлось работать над одним
очень сложным электронным прибором. Нет нужды говорить
о нем подробно. Скажу только, что этот прибор должен был
следить за перемещениями светового зайчика,
отбрасываемого на экран колеблющимся зеркальцем. Куда бы ни двигался
зайчик, вверх или вниз, влево или вправо, как бы ни менялась
его яркость, прибор должен был обнаруживать перемещения,
их направление и скорость и выдавать управляющие сигналы
на электродвигатели.
Было ясно, что прибор этот имеет некоторое сходство с
человеческим глазом. Но поначалу я не придавал ему
никакого значения. Мне казалось, что подобное сходство меня,
инженера, ни к чему не обязывает. Правда, было забавно
наблюдать, как первый неуклюжий лабораторный макет
прибора поворачивал вслед за зайчиком, бегущим по полотну
экрана, голубой глаз объектива, как нерешительно и
недоуменно замирал и вздрагивал объектив, когда зайчик
ускользал из его поля зрения. В нем было что-то от живого
существа, в этом электронном автомате. Постепенно, сталкиваясь
с новыми и новыми трудностями, я стал понимать, что глаз
гораздо лучше прибора умеет следить за световым зайчиком.
В этом меня убеждали собственные глаза. И я понял, что
прибор можно значительно улучшить, если он будет работать
по тому же принципу, что и глаз.
12
Я думал об этом непрерывно. Глядя из окна троллейбуса
на прохожих, наблюдая за полетом птиц, самолетов, играя в
теннис, я все время пытался понять, каким образом мои глаза
успевают следить за движением стремительного теннисного
мяча, птицы, самолета... Я пытался анализировать свои
ощущения, но вскоре понял, что столь кустарным путем мне не
удастся узнать ничего нового. И тогда я с жадностью
накинулся на книги о глазе, зрении. Они были полны интересных
и новых для меня сведений. Но того, что меня интересовало
более всего, я в них не нашел.
А прибор, хотя и работал хорошо, меня уже не
удовлетворял. Мне хотелось, чтобы он не уступал глазу. И я решил
обратиться за помощью к физиологам. «Если об этом ничего
не написано в книгах,— рассуждал я,— то, скорее всего,
физиологи просто не придавали значения тому, как глаз следит
за движущимися предметами. Когда же я объясню, зачем
мне это нужно, они проведут исследования и через несколько
месяцев выяснят все необходимое». Я пошел к физиологам.
И сразу узнал, что дело обстоит не так-то просто. Оказалось,
что физиологи тоже очень хотят знать, как работают глаз и
мозг, следя за движущимися предметами, и уже давно
проводят исследования. Они очень сложны, эти исследования, но
ожидаемых результатов пока не приносят.
Так мне и не пришлось воспользоваться помощью
физиологов. Прибор, на который было потрачено три года работы,
выполнял свою задачу. Но был он в сравнении с глазом
чрезвычайно громоздким и ненадежным. Я до сих пор помню
чувство горечи и собственного бессилия оттого, что не
удалось сделать прибор, хотя бы приближающийся по своим
возможностям к глазу. О том, чтобы сделать прибор,
сравнимый с глазом, я и не мечтал. К этому времени я многое узнал
о технических достижениях природы и понимал, что
инженерам еще очень далеко до них. Знал я и то, что многие
важнейшие технические изобретения живой природы еще не
поняты, что понять их необычайно трудно, и считал, что
инженерам придется еще в течение очень многих лет полагаться
только на собственную изобретательность. В этом была моя
ошибка.
В 1961 году были опубликованы первые материалы по
бионике. Название новой науки привлекло меня, и я решил
почитать статьи.
И сразу же мне бросились в глаза слова: «Бионика
исследует функции и принципы организации биологических систем.
Цель этой науки — ускорить решение сложных инженерных
задач».
«Вот оно!» — подумал я, и у меня даже пересохло во рту
13
от волнения. Мне ничего не нужно было объяснять. Я все
понял. Ведь и меня волею обстоятельств и любопытства жизнь
выводила на берега моря, название которому «Бионика». Но
тогда оно было еще безымянным, и я не заметил его. А
теперь нашлись те, кто увидел это море, и на весь мир заявили
об этом. Не отрываясь, читал я все статьи и доклады. Они
убеждали меня в том, что я и сам смутно предчувствовал,
ярким светом озаряли трудности, возникшие в технике,
объединяли несвязанные до того поиски новых инженерных
решений в новое техническое направление. И я ни минуты не
сомневался в великой будущности бионики. Сама жизнь, опыт
убеждали меня в этом.
Так же как и я, приняли бионику все инженеры, которым
хотя бы раз приходилось соревноваться в своей работе с
живой природой. А вот некоторые биологи скептически
отнеслись к бионике. Не сталкиваясь с инженерными задачами,
они ничего не знали о трудностях, возникших в технике. Они
видели в бионике лишь сенсационное направление все той
же биологии, они честно не понимали, что в ней нового.
И, как всякие ученые, подозрительно относились к шумихе,
поднятой вокруг народившейся науки.
Испытывал ли я горечь оттого, что не первым крикнул
«Море!», что не додумался сам до той же идеи? Совершенно
честно — нет! Одно дело — смутное ощущение
надвигающихся новых идей, оно присуще большинству грамотных
инженеров и ученых, другое дело — точная и ясная
формулировка этих новых идей. Последнее выпадает лишь на долю
самых знающих и талантливых. Люди, ясно сформулировавшие
главную идею бионики, были именно такими. Они прекрасно
знали технику, ее возможности и трудности, знали биологию,
кибернетику, математику. Они отлично знали историю
развития науки и техники. Только сплав этих знаний позволил им
ясно высказать то, что предчувствовали многие.
Как видите, бионика не только наука и инженерия, в ней
таится и чисто человеческое содержание, ибо она отвечает
надеждам и мечтам инженеров о новых замечательных
машинах, о сбережении драгоценных природных ресурсов, о
новом расцвете человеческой цивилизации. Чтобы ясно
представить себе, что такое бионика, что сулит она человечеству,
нам придется совершить довольно далекое путешествие по
дороге, у начала которой стоит указатель с надписью:
«Бионика». По этой дороге нам предстоит двигаться не только в
будущее, но и в прошлое, порой довольно отдаленное.
Потому что рождение бионики, как вам уже известно, было
предопределено важными научными открытиями,
техническими изобретениями, и в неменьшей степени трудностями в
14
современной технике» Только узнав о них, поняв их сущность,
можно ясно представить себе, что такое бионика.
Вот почему я прошу вас не спешить и уделить внимание
не только сегодняшней бионике, но и ее предыстории. А
начинается она с одного великого научного спора,
разгоревшегося в Италии примерно сто восемьдесят лет Йазад.
СПОР, 9 КОТОРОМ ВСЕ
ОКАЗАЛИСЬ ПРАВЫ
Для судеб науки и даже человечества этот спор очень
важен. Все естественные науки испытали на себе его
благотворное влияние, но больше других — физика и физиология.
И хотя сто восемьдесят лет назад еще не могло возникнуть
бионики, спор этот привел к открытию, которое сегодня
можно по праву назвать бионным.
Когда спор начался, люди еще не только ничего не знали
о природе электрического тока, но даже не умели его
получать. Об электричестве думали, что это некая таинственная
жидкость, а самым выдающимся изобретением в
электротехнике были в то время громоотвод и электростатическая
машина. Но именно тогда электричество становилось самой
интересной областью исследований. Ученые старались
постигнуть природу атмосферного электричества — природу
молнии — и уже обратили внимание на то, что некоторые рыбы,
в частности Торпедо (теперь их называют электрические
скаты), вызывают у прикоснувшихся к ним людей ощущение
мгновенного болезненного удара, очень схожее с тем, какое
вызывала электрическая искра.
Спор разгорелся между двумя итальянскими учеными.
Один из них был физиологом, а другой — физиком. Первого
звали Луиджи Гальвани (1737—1798), второго — Алессандро
Вольта (1745—1827).
Гальвани был профессором анатомии Болонского
университета. Исследования электричества в живом организме,
«животного электричества», он начал в 1771 году. Пожалуй, никто
точно не знает, при каких обстоятельствах удалось ему
сделать открытие. В разных книгах об этом рассказывается по-
разному, и все рассказы немножко похожи на легенды.
Но в одном согласны все — честь открытия принадлежит
Гальвани.
В то время Гальвани изучал нервную систему лягушек.
Проводя опыты, он заметил, что прикосновение металла к
обнаженному седалищному нерву препарированной лягуш-
15
ки вызывает энергичные сокращения мышц ее задних лапок.
Гальвани предположил, что причиной этих сокращений
является кратковременный электрический разряд, проходящий
по нерву. Вначале он думал, что разряд возникает под
действием атмосферного электричества. Исследователь втыкал
медные крючки в позвоночный столб препарированной
лягушки и подвешивал ее к железной изгороди своего дома.
В грозу лягушачьи лапки вздрагивали, но не так сильно, как
во время опытов в лаборатории, когда к нерву и мышце
прикасались разнородными металлами.
Это навело Гальвани на мысль, что дело вовсе не в
атмосферном электричестве, и он предположил, что в нервах и
мышцах животных есть собственное «животное
электричество». Именно оно вызывает кратковременный разряд, когда
цепь замыкается металлическим проводником. Гальвани
провел множество опытов, прежде чем счел работу законченной,
и только в 1791 году опубликовал свой знаменитый «Трактат
о силах электричества при мышечном движении». Этот
небольшой по объему труд привлек к себе внимание ученых, и
многие из них стали повторять опыты Гальвани.
Среди тех, кто с особым вниманием читал «Трактат», был
Вольта, профессор университета в Павии, признанный
авторитет в области электричества. Он сразу же приступил к
опытам, и все они подтверждали факты, открытые Гальвани. Но
постепенно у Вольта возникли сомнения в том, что Гальвани
дал опытам правильное объяснение. И Вольта стал искать
другое объяснение. После трех лет работы он пришел к
выводу, что судороги лягушачьих лапок вызываются вовсе не
электричеством, возникающим в тканях лягушки, а
электричеством, которое создается, когда замыкается цепь из двух
разнородных металлов и жидкости, содержащейся в тканях
лягушки. В правильности данной точки зрения его убеждали
собственные эксперименты.
Вольта бросил вызов Гальвани. Вряд ли Вольта и
ответивший на вызов Гальвани предполагали, что начатое ими
научное сражение разделит всю итальянскую и даже всю
европейскую науку на два непримиримых лагеря — сторонников
«животного электричества» и сторонников «металлического
электричества». И тем более они не могли предвидеть, что их
спору суждено сыграть важнейшую роль в развитии науки.
Спор разгорался. Гальванисты настойчиво доказывали, что
все дело в тканях организма, а вольтаисты с неменьшим
жаром объясняли сокращение мышц лягушки только наличием
контакта разнородных металлов и жидкости тканей.
Требовалось придумать и поставить решающий опыт, который ясно
говорил бы в пользу какой-нибудь одной точки зрения. По-
16
еле долгих и напряженных поисков Гальвани наконец
удалось найти нужную методику — она позволяла полностью
отказаться от применения металла. Для замыкания цепи
вместо металлического проводника исследователь
воспользовался нервом. Но и в этом случае мышцы лягушки исправно
сокращались. Казалось бы, Гальвани должен был
восторжествовать.
Но, к счастью, не менее очевидные опыты ставил и
Вольта. Он создал первый в мире источник длительно
протекающего тока и проверял действие его не только на
бессловесных лягушках, которые не могли рассказать о том, что
чувствуют, но и на самом себе. Он пробовал ток на язык и
ощущал сильный кислый привкус, пропускал ток через
собственные глаза, и ему казалось, что вспыхивает яркий свет,
а однажды вставил концы проводов в уши и получил такой
удар, что больше не решался повторить столь опасный
эксперимент. Все эти опыты убедили его в том, что суть дела
только в «металлическом электричестве».
Казалось, спору пришел конец. Гальвани доказал свою
правоту, Вольта — свою. Однако дискуссия продолжалась с
прежним накалом, хотя сторонников у Гальвани оставалось
все меньше. Великая научная битва прекратилась только со
смертью Гальвани. В то время большинство считало, что
одержал победу Вольта.
Но мы знаем, что правы были обе стороны — существует
и «животное» и «металлическое» электричество. Почему же
два великих ученых, которым не пристало спорить ради спора,
не пожелали понять и признать правоту друг друга? Думается,
это произошло оттого, что Гальвани был прежде всего
физиологом. Он не придавал самому электрическому току столь
большого значения, сколь открытию того, что ток существует
в живом организме. Вольта же был физиком, для него сам
по себе электрический ток был важнее всего.
Но почему большинство ученых, в том числе и
физиологов, в конце концов примкнули к Вольта? Почему они отдали
пальму первенства Вольта? Сейчас я назову одну лишь
причину, а о другой мы поговорим позже.
Открытие «животного электричества» значительно
опередило свою эпоху, оно было сделано слишком рано, почти за
полтора века до того, как были предприняты первые,
по-настоящему успешные попытки его детального изучения.
Открытие Гальвани принадлежит эпохе электроники,
кибернетики и бионики. Зато открытие «металлического
электричества», электрического тока, подоспело кстати — именно на
рубеже XVIII и XIX веков наука и техника ощутили острую
потребность в новом виде энергии. Вот за то, что это открытие
17
подоспело так вовремя, и надо благодарить судьбу. Ведь
если бы решающий эксперимент Гальвани убедил Вольта, он
прекратил бы исследования «металлического электричества»
и не изобрел бы источника электрического трка, Кто-нибудь,
конечно, сделал бы это вместо него. Но насколько позже?
Практический успех Вольта — изобретение источника
электрического тока — во многом определил признание Вольта.
К нему пришла мировая слава.
1800 год — год рождения нового века, рождения эры
электричества. Прославленный Алессандро Вольта докладывает
о своем изобретении в переполненном зале Французского
национального института. Среди слушателей — Наполеон
Бонапарт, первый консул Франции. Через несколько дней после
доклада Вольта получает большую золотую медаль
института. Ее присуждают итальянскому физику по настоянию
самого Наполеона.
Вольта на вершине своей карьеры. Но, быть может, в
глубине души ему грустно; быть может, он понимает, что
лучшая пора в жизни уже позади. И хотя он считает себя
победителем в споре с Гальвани, он лучше всех понимает, что
именно этот спор, этот научный поединок будил в нем самые
плодотворные мысли, подсказывал новые идеи, натолкнул на
изобретение вольтова столба.
Всего два года прошло со дня смерти Гальвани, но уже
никто не осмеливается возражать Вольта. Его детище с
первых же дней становится непременным атрибутом всех
физических лабораторий. Ученые уже не могут обойтись без
вольтова столба, который, словно волшебная палочка, раскрывает
самые сокровенные тайны природы. Физиков очень скоро
перестало удивлять изобретение Вольта, они привыкли к
нему; все новые и новые открытия привлекают их внимание,
порождают горячие научные споры. Наука не стоит на месте,
она развивается в борьбе, в спорах, ибо только они
заставляют ученых искать неопровержимые аргументы,
наталкивают на новые открытия.
Вольта больше не сделал крупных открытий. Он умер
восьмидесяти двух лет, в 1827 году, в том самом году, когда
Георг Ом открыл свой закон, когда опыты Гальвани почти
никого не интересовали, а до расцвета электрофизиологии
оставалось еще более ста лет.
Известно, что Колумб открыл Америку. Менее известно,
что великий путешественник так и не узнал, что нашел новый
континент. Но разве это уменьшает значение его открытия?
То же самое можно сказать и о Гальвани. Даже если он и не
обратил внимания на электрический ток, опубликовав
«Трактат» и вступив в полемику с Вольта, он побудил^своего оппо-
18
нента изобрести вольтов столб — первый в мире источник
длительно протекающего электрического тока.
История воздала должное Луиджи Гальвани: изобретение
Вольта — электрические элементы — мы и по сей день
называем гальваническими элементами. А сам Вольта называл
электрическую батарею искусственным электрическим
органом. Этим он тоже отдавал дань уважения своему ученому
противнику и живой природе, изучение которой натолкнуло
его на одно из величайших изобретений. Мы же добавим, что
изобретение это по существу бионное, ибо было сделано в
ходе изучения электричества в тканях организма.
ОДА ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ
Некогда один современный поэт сказал, что он ничего не
понимает в электричестве, что оно его не интересует. И очень
жаль. Если бы поэт знал, что такое электричество, какую
роль играет оно во Вселенной, в современном обществе, в
жизни и жизненных процессах всех живых существ — от
инфузории до человека, он написал бы оду этому
замечательному виду энергии.
Я не берусь воспеть электричество стихами, но в книге о
бионике невозможно обойтись без перечисления основных
свойств электрической энергии, без объяснения
необыкновенно важной роли электричества почти во всех жизненных
процессах, которые рано или поздно придется изучать
бионике.
Вам многое известно об электричестве. Но задумывались
ли вы когда-нибудь, почему именно электрической энергии
выпало на долю играть столь важную роль в живой и
неживой природе и в технике; почему ни один из других
известных видов энергии не может по универсальности сравниться
с электрической; почему только после изобретения Вольта
наука, промышленность, транспорт и, конечно же, связь
двинулись вперед быстро и решительно?
Пожалуй, ни одна из наук и отраслей техники не
развивалась так стремительно, как наука об электричестве и
электротехника: почти одновременно появилась великолепная плеяда
великих ученых, в которой сияют имена Дэви, Эрстеда,
Ампера, Ома, Кирхгофа и Фарадея — гения среди гениев,
подлинного Моцарта физики. А вслед за ними пришли гениальные
инженеры-самоучки: изобретатель телефона Белл — учитель
из школы для глухонемых детей, изобретатель телеграфа
Морзе — художник по профессии и, разумеется, Эдисон.
19
Мем же объяснить успех, выпавший на долю
электричестве
Мы знаем несколько видов энергии: механическую,
тепловую, химическую, электрическую, ее близкую
родственницу — лучистую энергию и, наконец, ядерную. Так почему же
из шести видов энергии природа и человечество отдали
предпочтение одному — электрической энергии? Почему ни один
другой вид энергии не может сравниться с ней по
универсальности?
В этом h\b\ должны разобраться подробно. Тогда мы
поймем, для чего каждый бионик должен хорошо знать
электричество и почему большинство бионных машин будет
обязательно работать с использованием электрической энергии.
Хотя электрическая энергия самая распространенная, на
Земле нет свободных запасов этой энергии, а люди еще не
научились заготовлять ее впрок в больших количествах. И тем
не менее электроэнергия играет в нашей жизни первейшую
роль.
Вы читаете книгу, ее листы освещены светом
электрической лампы. По нити лампы бежит электрический ток. Откуда
примчался он? С электростанции, которая зачастую находится
в сотнях километров от вашего дома. Это стало возможным
благодаря тому, что мы научились передавать
электроэнергию с очень малыми потерями на сотни километров по
тонким проводам.
Можно ли передавать на большие расстояния энергию
других видов?
Ни механическая, ни химическая, ни тепловая, ни ядерная
энергия не пригодны для этого. И лишь для лучистой
энергии расстояния — не преграда. Более того, лучистую энергию
можно передавать без всяких проводов. Но, к сожалению,
люди пока не научились использовать лучистую энергию для
передачи больших мощностей. Сейчас она служит только
для передачи сигналов, от которых не требуется большой
мощности.
Электрическую энергию можно дробить на любые
ничтожно малые доли, и в этом заключается еще одно ее
важнейшее достоинство. Ни механическая, ни тепловая, ни
ядерная энергия не поддаются такому дроблению.
А самое замечательное свойство электрической энергии
состоит в том, что она единственная способна
непосредственно и просто переходить в другие виды энергии и, наоборот,
получаться непосредственно и без особых затруднений из
всех других видов.
Вы включили радиолу, поставили пластинку и опустили в
бороздку кончик иглы звукоснимателя. Комната заполнилась
20
звуками музыки — звуковыми волнами или механической
энергией. Звукосниматель преобразовал механические
колебания иглы в пульсирующий электрический ток, а усиленный
в схеме радиолы ток попал в громкоговоритель, или, иными
словами, в устройство, преобразующее электрический ток в
механические колебания, в механическую энергию.
Тепловую энергию также легко преобразовать в
электрическую с помощью различных видов термоэлектрических
генераторов. А обратное преобразование производится хорошо
известными вам электрической плиткой, электрическим
утюгом, электрическим холодильником.
На орбите спутник. Много разной научной аппаратуры на
спутнике. Она действует от электрического тока. Откуда же
берется на спутнике электроэнергия? Для питания аппаратуры
на спутнике часто используются особые полупроводниковые
ячейки, устилающие его наружную поверхность. Это
солнечные элементы, они преобразуют солнечный свет, лучистую
энергию солнца, в электрическую. Еще проще преобразовать
электричество в свет. Вам хорошо известны
преобразователи такого рода: это и обычная электрическая лампа, и
дуговая лампа, в которой сияет электрическая дуга, и газосветная
трубка для реклам, и полупроводниковый лазер.
Химическая энергия также непосредственно переходит в
электрическую.
Примером тому служит известный вам вольтов столб и
обычный аккумулятор — устройство, в котором при зарядке
электрическая энергия переходит в химическую, а при
разрядке — обратно в электрическую.
В последние годы созданы первые пригодные для
практики преобразователи ядерной энергии в электрическую.
И еще одно совершенно замечательное свойство есть у
электрической энергии. Она как бы самой природой
предназначена для передачи сигналов. Недаром же первыми
техническими применениями электричества были телеграф и
телефон.
Электрическая энергия имеет значительно больше
«измерений», изменяемых параметров — показателей, чем все
другие виды энергии. Параметрами электрической энергии
являются величина напряжения, сила тока, полярность; а у
переменного или пульсирующего тока добавляются еще частота,
фаза, длительность протекания тока, длительность паузы,
форма импульса при кратковременном протекании тока.
Столь широкий выбор параметров и позволяет принимать
самые разнохарактерные сигналы и самую различную
информацию. Именно благодаря такому многообразию удается
принимать без помех сигналы, поступающие одновременно, но из
21
разных точек, или же принимать и передавать из одной точки
и по одному проводу или радиолучу множество
одновременных сигналов.
Вот какими изумительными свойствами обладает
электрическая энергия. И недаром земной шар, как кокон, опутан
электрическими проводами — нервами современной
цивилизации, а электричество стало самым главным работником на
заводах, в шахтах, на транспорте и в нашем доме. Не менее
важную роль играет оно и в организме; электричество было
в самой первой живой клетке, появившейся на Земле в
незапамятные времена, оно и теперь пронизывает все живое, и
так будет вечно.
ЖИВОТНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
В этой небольшой главе ^лы впервые столкнемся с тем,
чем занимается сегодня бионика. Мы несколько подробнее
поговорим о роли электричества в живых организмах и
попутно узнаем о нервных клетках, нейронах. Эти клетки до
недавнего времени изучали только биологи. Теперь к ним
присоединились и бионики. На основе полученных знаний они
уже создали множество бионных моделей нейронов. Но пока
ни одна из них не удовлетворяет биоников полностью. Все
такие модели — лишь грубое подобие живых нейронов. Но
неудачи не обескураживают биоников, они понимают, что
создать точную бионную модель нейрона можно будет только
после того, как наши знания о нервных клетках станут
исчерпывающими. Без этих знаний создание многих бионных
автоматов вообще невозможно.
Но прежде чем рассказать о нейронах, об
электрофизиологии и изучении нервной системы, я упомяну о второй
причине, по которой Гальвани не сумел доказать свою правоту.
Дело в том, что многие ученые не были в состоянии
исследовать «животное электричество» с таким же
экспериментальным мастерством, как это делал Гальвани; в их опытах сила
действия «металлического электричества» маскировала силу
действия «животного электричества».
Токи, идущие по нервам, очень малы. Они в тысячи и
миллионы раз слабее тех, которые можно получить с помощью
вольтова столба. Не напрасно и по сей день приборы,
предназначенные для измерения очень слабых токов, называются
гальванометрами.
Мы знаем, что открытие Гальвани намного опередило свое
время и в ту пору не могло иметь практического значения.
22
Глубокое изучение «животного электричества» с помощью
примитивных приборов того времени было невозможно '.
Потребовались многие годы, чтобы благодаря открытию
«металлического электричества» развилась электротехника,
радиотехника и электроника. Нужны были гигантские усилия
ученых и инженеров, чтобы прийти к созданию волшебных
приборов — электронного усилителя и электронного
осциллографа, на экране которого зеленый луч рисует картину
любого электрического процесса. Только появление этих
приборов позволило приступить к глубокому изучению «животного
электричества», или, как говорят теперь, биопотенциалов, или
биотоков.
Разумеется, открытие Гальвани никогда не пребывало в
полном забвении. Во все времена находились энтузиасты,
понимавшие или предчувствовавшие великое значение этого
открытия. С помощью весьма несовершенных приборов они
пытались вести исследования, углубляя знания в одной из
увлекательнейших областей физиологии. И в какой-то мере
им удавалось это, хотя важных открытий сделать они не
могли. Зато, проводя свои опыты, они создавали все более
совершенные методы экспериментов, отрабатывали технику и
тем самым подготовили почву для нынешних
исследователей — электрофизиологоз, вооруженных совершенными
электронными приборами.
В наши дни изучением электрической активности нервной
системы — удивительной и необыкновенно сложной системы
связи и обработки информации в организме — занимается
множество электрофизиологов. Они уже добились огромных
успехов, но главные открытия, которые по-настоящему
позволят понять ее действие, еще впереди.
Тело человека и любого животного пронизывает
множество нервов, своеобразных многопроводных кабелей, в которых
роль отдельных проводов играют нервные волокна. Все
ткани, все органы тела соединяются этими
волокнами-проводами с центральной нервной системой — спинным и головным
мозгом. По одним волокнам к нервным центрам непрерывно
бегут электрические импульсы-донесения о состоянии
внешней среды, о состоянии всех органов и тканей; по другим
волокнам нервные центры посылают свои приказы рабочим
органам — мышцам и железам.
Как мы знаем, телеграфные и телефонные сообщения
передаются по одному и тому же проводу в обоих направлени-
1 Лягушачьи лапки явились первыми электрическими «приборами» в
лабораториях физиков, изучавших электрический ток. Других приборов
тогда еще не изобрели.
23
ях. И в этом смысле нервная сеть не имеет сходства с
телефонной. Зато во многих электрических и электронных
автоматах для передачи сигналов к управляющим центрам и для
передачи команд от управляющих центров к исполнительным
органам автоматов используют раздельные и строго
определенные провода. Назначение нервных волокон тоже
разделено: одни волокна всегда передают в центральную нервную
систему сообщения о состоянии внешней среды, органов
тела, тканей, а другие волокна всегда передают команды
центральной нервной системы рабочим органам. Иными словами,
по одним волокнам сообщения всегда идут от периферии к
центру, а по другим — от центра к периферии.
Эта аналогия между системой связей в организме и в
автомате явно не случайна. Открытие ее было важным
этапом в жизни науки, техники и философии. Факт сходства и
даже не просто сходства, а общности механизмов
управления в живой природе и в автоматах явился одной из самых
главных причин возникновения и бурного развития
кибернетики. Зная, что аналогия не случайна, h\b\ можем исследовать
процессы управления в живых автоматах, основываясь на том,
что хорошо известно об автоматах неживых, и наоборот,
изучая процессы управления в живой природе, мы можем с
успехом применять новые знания при создании автоматов. Второй
путь и есть путь бионики.
И все-таки никогда не надо забывать, что между
техническими устройствами, созданными руками человека, и тем, что
создала природа, есть не только общее, но и большие
различия.
Так, нервные волокна, проводники «животного
электричества», совсем не похожи на проводники «электричества
металлического» — медные провода. Скорость передачи по
проводам равна скорости света, самой большой из всех возможных
скоростей. Скорость передачи импульса по нервному
волокну в миллионы раз меньше. У беспозвоночных животных она
не более нескольких сантиметров в секунду, у лягушек
достигает 47 метров в секунду, а у некоторых теплокровных
животных и человека —120 метров в секунду. Правда, длина
нервных волокон такова, что даже по самому длинному из них
нервный импульс пробегает за очень малое время. Нервное волокно
отличается от провода еще и тем, что оно не просто некая
электропроводная «нить», соединяющая две какие-либо
точки организма; нервное волокно — это всего лишь отросток
нервной клетки, в которой протекают тончайшие химические
процессы, отросток нейрона, основы основ нервной системы.
Именно нейронам обязана нервная система своими
замечательными свойствами. Нейроны входят в состав головного и
24
Аксон
НОЛЛАТВРАЛИ
Концевое
разветвление
АКСОНА
спинного мозга человека. Дендриты
Приблизительные подсчеты
показывают, что в
центральной нервной системе
содержится буквально
астрономическое количество
нейронов — десятки миллиардов.
Тела нейронов (у
человека их размеры
колеблются от 0,005 до 0,15
миллиметра) сосредоточены в
головном и спинном мозге и
в нервных узлах. Нейроны
бывают разных типов. Они
различаются по своему
назначению, по внутреннему
строению и по размерам.
Тело нервной клетки имеет
два вида отростков; одни,
древовидно
разветвляющиеся, называются
дендриты (от греческого слова
«дендрон» — дерево),
другим видом является аксон, или нервное волокно. У
человека длина нервных волокон одних нейронов достигает
метра, длина волокон других нейронов не больше долей
миллиметра. С помощью нервных волокон и дендритов нейроны
соединяются между собой, с тканями, с рабочими органами.
Очень важную роль играют нервные окончания волокон.
Те из них, по которым передаются импульсы-приказы из
центральной нервной системы, соединяются с рабочими орга-
налли тела — мышцами и железами — и переводят
электрические сигналы на «язык», понятный тем или иным мышцам, тем
или иным железам.
Особенно интересны нервные окончания волокон, по
которым центральная нервная система получает сообщения о
состоянии внешней среды, о воздействиях ее на организм,
о состоянии органов и тканей тела. Они воспринимают самые
разнообразные раздражения: и механические, и химические,
и тепловые. Но независимо от физической природы
раздражений, от вида энергии, вызвавшей раздражение, они всегда
преобразуют их в понятные мозгу электрические сигналы.
Эти нервные окончания называются рецепторными \ Одни ре-
цепторные окончания преобразуют в электрические импуль-
1 От латинского слова «реципере» — получать, воспринимать.
25
сы механические воздействия, другие — тепловые, третьи —
химические. Поэтому строение рецепторных окончаний
различно и зависит, в частности, от того, какой вид энергии
приходится преобразовывать в электрические импульсы-сигналы.
Однако рецепторные окончания не всегда являются теми
«микрофонами», которые позволяют различным органам и
тканям общаться со своим «главнокомандующим» —
центральной нервной системой. В наиболее сложных случаях
рецепторные окончания снабжены специальными
приспособлениями, например специфическими рецепторными клетками
органов чувств — зрения, слуха, обоняния, вкуса.
Строение нервной системы многих животных и человека
изучалось еще в прошлом веке. Подробные «атласы» нервных
систем, составленные уже к концу XIX века, имели для
физиологов не меньшее значение, чем географические атласы
для мореплавателей. Сперва атласы нервных систем были не
очень точны: на них почти не было названий, белели пятна
различных неисследованных участков мозга, ветвились и
переплетались нервы неизвестного назначения. Но постепенно,
изучая анатомию животных и человека, исследуя различные
заболевания, разрушая или раздражая электрическим током
те или иные участки нервной системы подопытных животных,
ученые сумели нанести на свои карты названия,
указывающие назначение различных нервов, нервных узлов и нервных
центров. И все же до объяснения работы нервной системы
в целом, работы мозга было еще очень далеко.
На рубеже XIX и XX столетий, почти через сто лет после
опубликования «Трактата» Гальвани, в физиологии нервной
системы началась подлинная революция. В 1897 году Иван
Петрович Павлов на основании опытов доказал, что головной
мозг управляет процессами пищеварения. До Павлова они
считались «низшими», протекающими без участия головного
мозга. Работы Павлова оказали такое же огромное влияние
на физиологию, как работы Фарадея на физику.
Успехи физиологов прошлого века, составивших довольно
подробные атласы нервной системы, труды Павлова и его
последователей, разработавших новые методы исследований
нервной деятельности, и, конечно, успехи радиоэлектроники
позволили ученым начать обширные исследования
электрической активности нервной системы. Почти в-се, что известно
теперь в этой области, было открыто за последние тридцать —
сорок лет. За эти годы ученые исследовали электрические
явления в клетках моллюсков, земноводных, теплокровных
животных и человека.
Особенно удобными для исследований оказались
гигантские волокна кальмаров и нервы лягушки — излюбленного
26
объекта физиологических исследований с самых давних
времен. Сначала изучали нервные волокна, изолированные от
организма, но затем электрофизиология перешла к более
сложным объектам — к нервным тканям в живом организме, к
мозгу.
Электрические импульсы в нервных рецепторных
волокнах были обнаружены в конце двадцатых годов нашего
столетия. Ученые не сомневались в их роли. Они были уверены,
что эти импульсы и есть те сигналы центральной нервной
системе, без которых она не могла бы знать, что происходит в
организме и во внешней среде, не смогла бы отдавать
правильных приказов. Ученые установили, что залпы нервных
импульсов подчиняются определенным закономерностям.
Пожалуй, самая замечательная из них заключается в том, что
нерв реагирует не на всякое раздражение. Если раздражение
не достигло определенной силы, по нерву не идут сигналы.
Но стоит силе раздражения хотя бы чуточку превысить
некоторую величину, перейти порог, как по нерву тотчас пойдет
целый залп импульсов. Данный принцип работы нервных
волокон был назван «все или ничего». Это странное, на первый
взгляд, название вполне оправдано. Дело в том, что величина
нервного импульса не зависит от силы раздражения; если
раздражение ниже порога, импульсы не возникают, но стоит
раздражению на ничтожную величину превысить порог, как
появляются импульсы, и как бы ни увеличивалась затем
сила раздражения, величина импульсов будет оставаться
неизменной.
Кстати, по этому же принципу работают и многие
электронные схемы, в частности те, которые выполняют логические
и арифметические операции в электронных вычислительных
27
машинах. Кибернетика и бионика придают очень большое
значение аналогии между возникновением импульсов в
нервном волокне, в нейроне, и возникновением импульсов в
логических электронных схемах вычислительных машин.
У вас, вероятно, возник вопрос: как же передается в мозг
информация, если величина нервных импульсов не зависит
от силы раздражения? Ведь мы по опыту знаем, что всегда
можем различить по весу два разных груза, по яркости две
звезды, по громкости два разных звука...
Вопрос вполне законный. Вам уже известно, что, в
отличие от других видов энергии, электрическая имеет много
параметров. Одним из них является частота. Именно этот
параметр и изменяется при изменении силы раздражения. Когда
эта сила только-только превысит порог, импульсы возникают
довольно редко, но с увеличением силы раздражения
частота возникновения импульсов возрастает. Значит, о силе
раздражения мозг судит по частоте нервных импульсов. Правда,
если раздражение станет слишком большим, частота
импульсов уже не будет возрастать. Но в нормальных условиях
этого, как правило, не случается, и мозг вполне удовлетворяется
информацией, передаваемой за счет изменения частоты
импульсов.
В технике связи метод передачи информации путем
изменения частоты импульсов теперь широко используется. Он
имеет ряд преимуществ по сравнению с более старым
методом, при котором информация передается с помощью
соответствующих изменений величин импульсов, следующих
друг за другом с неизменной частотой. В условиях
различных помех — грозовых разрядов или намеренных помех,
создаваемых противником во время военных действий,—
передача информации путем изменения частоты импульсов, а
не их величины значительно надежнее.
АВТОМАТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И
АВТОМАТЫ ЖИВОТНЫЕ
История автоматов началась в незапамятные времена.
И мы никогда не узнаем имени изобретателя первого
автомата; ведь этим автоматом была простейшая западня или
какой-нибудь силок, установленный первобытным охотником на
звериной тропе. И хотя человек этот не умел ни читать, ни
писать, он был настоящим инженером, гениальным
изобретателем. Потому что его нехитрый автомат сам, без участия
хозяина, ловил зверя.
28
Другими, хотя и не столь
древними, но все-таки очень
старинными автоматами
являются музыкальные
шкатулки, различные органчики
или шарманки и самые
распространенные в мире
автоматы — часы.
Изобретатели первых
автоматов не отдавали себе
отчета в том, что их
детища — машины особого
рода, что они отличаются от
всех других чрезвычайно
важными особенностями,
что эти особенности общи
для всех автоматов, как бы ни различались они по своему
назначению и конструкции. Инженеры поняли это всего лишь
несколько десятилетий назад, когда мир уже вступил в эпоху
автоматизации.
В те годы фантасты едва лишь начинали осваивать
проблему роботов, наделяя их разнообразными человеческими
свойствами, а подлинные роботы, никем, кроме инженеров,
еще не узнанные, уже занимали рабочие места. Теперь мы
встречаемся с ними всюду: они продают газированную воду,
дают сигналы точного времени, соединяют наш телефонный
аппарат с любым другим, управляют движением транспорта,
изготавливают самые разнообразные товары, наводят на
цель ракеты и даже обучают людей.
Автоматы разнятся не только по роду работы, но и по
типу устройства: одни — электронные, другие —
гидравлические, третьи — механические, четвертые — электрические.
Но как бы ни отличались они по назначению и конструкции,
главный принцип организации един для всех автоматов, и все
они состоят из одинаковых по роду обязанностей органов.
Вот эти органы:
чувствительный орган,
управляющий и запоминающий орган,
исполнительный орган,
источник энергии.
Чувствительные органы — в технике их называют
датчиками, а теперь все чаще рецепторами — позволяют вести
наблюдения за состоянием внешней среды, например,
обрабатываемого продукта и собственных исполнительных органов
29
^r
чувствительный
орган
1 исполнительный
1 ОРГАН
I
у
Провоа
▼
Управляющий
орган
Провод.
Запомни а юих им
ОРГАН
Источник 1
ЭНЕРГИИ 1
Блон-схема автомата.
автомата. Чувствительный орган в зависимости от вида
автомата связан с управляющим «линией связи»: либо
электрическими проводами, либо воздухопроводом, либо металлической
тягой и так далее. По этим линиям связи в управляющий орган
и поступают сигналы, несущие информацию о состоянии
внешней среды и исполнительных органов. Чувствительные органы
могут быть самыми разнообразными. В холодильнике это
электрический термометр, в системе включения и выключения
уличных фонарей — фотоэлемент.
Сигналы от чувствительного органа поступают в
управляющий орган. Но если бы в него вводились только сигналы от
датчиков, управляющий орган не смог бы управлять
работой автомата. Сами по себе сигналы от датчиков не имеют
смысла. Чтобы понять их, управляющему органу необходимо
знать и помнить, какими должны быть сигналы от датчиков
при нормальных условиях работы автоллата. Только в этом
случае управляющий орган сможет разобраться в сигналах от
датчиков, решить, насколько и в какую сторону они
отклоняются от требуемых, и послать правильную команду на
исполнительные органы. Поэтому управляющий орган непрерывно
сравнивает сигналы от датчиков с сигналами, хранимыми в
собственной «памяти», в запоминающем органе. В нем,
помимо образцов сигналов, хранятся и инструкции, программы
работы автомата, которые задают всю последовательность
действий и нередко позволяют производить эти действия в
различных и даже не всегда предусмотренных заранее слу-
30
чаях. Запоминающие органы могут быть самыми
разнообразными по выполнению. В музыкальной шкатулке это валик, с
укрепленными на его поверхности металлическими
шпеньками, в токарном автомате, в двигателе внутреннего сгорания —
кулачковый вал, в ткацких станках и в вычислительных
машинах — карты с пробитыми отверстиями, в других автоматах —
ленты с пробитыми отверстиями, ленты, подобные
магнитофонным, кинопленки с прозрачными и непрозрачными
участками, наборы особым образом соединенных магнитных
сердечников и многие другие.
Управляющий орган сравнивает сигналы, поступающие от
датчиков и от запоминающего органа. Как производить
сравнение, какие решения принимать в том или ином случае, ему
опять-таки подсказывает запоминающее устройство, в
котором хранятся не только образцы сигналов, но и
многочисленные инструкции, программы работы. Сигналы, полученные в
результате сравнения, подаются в исполнительный орган,
который и выполняет принятую команду.
Роль источника энергии ясна. Как и всякой другой
машине, автомату нужна энергия. Без нее он не может работать,
он мертв.
Единство принципов построения любых металлических
автоматов инженеры установили лишь в тридцатые годы
нашего столетия. Правда, и тогда они еще не могли объяснить,
почему эти принципы едины, но само единство уже не
вызывало сомнений. И этого было уже достаточно, чтобы
возникла и бурно начала развиваться инженерная наука об
автоматах.
Вряд ли кто станет теперь оспаривать мысль, что
развитие всех наук взаимосвязано. В наши дни очень легко
показать взаимные связи физики и химии, физики и математики,
биологии и медицины. Но подобные связи не всегда столь
хорошо заметны и проследить скрытую подчас связь
отдельных наук очень трудно.
Именно так обстояло дело с наукой об автоматах и
физиологией нервной деятельности. Ведь только в последнее
время эти науки сблизились настолько, что можно указать, в чем
их сходство. Но и значительно раньше уже существовали
какие-то общие философские идеи, вдохновлявшие и тех, кто
изучал автоматы, и тех, кто пытался постигнуть законы
нервной деятельности животных. Ведь вряд ли можно лишь
совпадением объяснить, почему примерно в то же самое время,
когда заканчивалась эпоха стихийного изобретательства
автоматов и закладывались прочные основы науки об этих
новых машинах, почему в то же самое время в физиологии—
старой заслуженной науке — тоже завершался этап стихий-
31
ного изучения нервной деятельности и начинался новый, когда
физиология нервной деятельности получила прочную научную
основу. Завершал старый этап физиологии и начинал новый
Иван Петрович Павлов.
Мы уже представляем, как организован и работает
металлический автомат. Теперь попробуем разобраться в
некоторых процессах нервной деятельности животных и человека.
Для этого необходимо вникнуть в понятие «рефлекс» —
основное понятие в физиологии нервной деятельности.
Оно существует в науке уже очень давно. Его ввел
великий французский философ и естествоиспытатель Рене Декарт
(1596—1650). Он считал, что в организме существуют
чрезвычайно легкие частицы материи, названные им «животные
духи», которые движутся от органов чувств к мозгу и, подобно
световым лучам в зеркале, отражаются мозгом к мышцам,
заставляя их напрягаться или расслабляться. По-латыни
отражение, отбрасывание назад — «рефлексус». Декарт,
писавший, как и все ученые тех времен, по латыни, ввел слово
«рефлекс».
Декарт не имел никаких полученных из опыта данных,
которые подтверждали бы его объяснение нервной
деятельности; в те далекие времена их попросту не существовало.
И поэтому понятие рефлекса было чисто умозрительным.
И, разумеется, не очень-то конкретным. Но если отбросить
«животных духов» и вместо них говорить о «животном
электричестве», о нервных импульсах, мы сразу поймем, что
догадка Декарта была в чем-то очень близка к
действительности.
Дальнейшее изучение рефлексов знаменитым английским
физиком, химиком и философом Робертом Бойлем (1627—
1691) и итальянским естествоиспытателем Ладзаро Спаллан-
цани (1729—1799), с которым нам еще придется встретиться
на страницах этой книги, показало, что у лишенных
головного мозга лягушек — именно с такими работал и Гальвани —
одни и те же раздражения нервов вызывают всегда
одинаковые движения лапок. Затем удалось установить, что, если
разрушить спинной мозг, раздражение нервов уже не вызовет
движений. Стало ясно, что рефлекс связан со спинным
мозгом.
Исследования рефлексов продолжались, и постепенно
накопилось много фактов, которые помогли уточнить понятие
рефлекса. Под рефлексом стали понимать неизменные
реакции организма, которыми ведают низшие отделы
центральной нервной системы. Ученые поняли, что рефлексы играют
важнейшую роль в жизни животных и человека. Но в одном
они ошибались: они думали, что рефлексы совершенно не
32
зависят от высших отделов центральной нервной системы.
Что же касается мышления, осознанных поступков, то есть
психической деятельности человека, то она считалась
совершенно не связанной с рефлексами, существующей
независимо от них, абсолютно произвольной и на этом основании
признавалась непознаваемой. Признание этой независимости
приводило к тому, что нервная деятельность была разделена
на два не связанных и даже противопоставляемых вида:
низшую и высшую.
Против подобной точки зрения резко выступил Иван
Михайлович Сеченов (1829—1905), великий предшественник
Павлова. Он утверждал, что все проявления «сознательной и
бессознательной жизни суть рефлексы». Сеченов был убежден,
что даже самые сложные психические явления можно
исследовать экспериментально. Свои воззрения он изложил в
труде «Рефлексы головного мозга». В нем Сеченов настаивал на
познаваемости явлений психики или высшей нервной
деятельности и утверждал, что мышление человека вполне можно
объяснить, не прибегая к таким понятиям, как бог и душа.
Однако подтвердить свои теоретические положения опытом
Сеченов не мог; еще не были разработаны нужные
экспериментальные методы и необходимые лабораторные приборы.
То, что не удалось Сеченову, сделал Пазлов. Но он не
просто доказал опытным путем теоретические положения
своего предшественника. Он сделал необыкновенно важные
открытия и создал теорию высшей нервной деятельности
человека и животных.
Едва появившись на свет, ребенок начинает дышать.
Никто не учил его этому, и много дней пройдет, прежде чем
можно будет заметить в нем первые признаки сознания. Но
он сосет молоко, кричит, засыпает и просыпается, его
кровеносная и пищеварительная системы работают точно и
слаженно. Действиями всех его органов, всех систем управляют
безусловные или врожденные рефлексы, полученные им по
наследству от далеких и близких предков. Именно о них, о
врожденных рефлексах, говорили ученые, начиная от
Декарта, кончая Сеченовым.
Безусловные рефлексы действуют в нас на протяжении
всей жизни. Когда мы дышим, пьем, пережевываем пищу,
чихаем, h\b\ совершаем непроизвольные рефлекторные
действия. Мы совершаем их не задумываясь, автоматически. Таких
действий огромное количество — автоматически сужается и
расширяется зрачок глаза, бьется сердце, работают органы
пищеварения, железы...
Но по наследству передаются не только отдельные
независимые друг ог друга безусловные рефлексы. Наблюдатели
2 Инженер и природа
33
жизни животных, рыб, насекомых, в особенности пчел,
муравьев, термитов, не раз бывали поражены удивительной
целесообразностью их действий. Трудно отделаться от мысли,
что строительство гнезд, выкармливание птенцов и перелеты
птиц в далекие страны, сбор нектара пчелами, сооружение
сотов и многие другие сложные действия совершаются без
участия сознания. И все же, как это ни удивительно, это факт:
многочисленные опыты показывают, что ни птицы, ни рыбы,
ни насекомые, ни даже человек не обучаются некоторым
очень сложным действиям, а рождаются с уже готовым
умением совершать их. До поры оно дремлет в организме, но
приходит время, и это умение неотвратимо и безошибочно
проявляет себя. Поведение такого рода называется
инстинктом и представляет собой сложную цепь точно
координированных во времени и в пространстве безусловных рефлексов.
Итак, даже очень сложные действия могут быть
врожденными и совершаться без участия разума, бессознательно,
автоматически.
Но есть и другие действия, которым животное и человек
обучаются. Мы учимся говорить, писать и читать, управлять
машинами, играть на пианино или скрипке. В начале обучения
каждое действие мы совершаем неловко, неточно; ^ль\
должны сосредоточить на нем все свое внимание, всю волю. Но
постепенно вырабатывается навык и даже самые сложные
действия можно научиться совершать автоматически. Скрипач
не думает о том, как вести смычок и располагать пальцы на
струнах. Выучив пьесу, он все это совершает автоматически,
и лишь самой музыке — мысли, в ней заключенной,— отдает
все силы разума. Так же работают и опытный токарь, и
художник, и летчик — никто из них не думает, какие и в какой
последовательности должны сокращаться и расслабляться
мышцы, чтобы резец выточил сложную деталь, чтобы из
сочетания линий и пятен получился пейзаж, чтобы самодет
совершил целый каскад сложнейших фигур высшего пилотажа.
Все подобные действия, хотя и совершаются
автоматически, не унаследованы от предков, им человек обучается.
До Сеченова и Павлова никто не пытался объяснять, как
происходит обучение. Говорили, что это чисто психический
процесс; и, словно этим все было сказано, даже не пытались
опытным, объективным путем разобраться, в чем же кон*
кретно заключается процесс обучения.
Павлов не побоялся экспериментально исследовать
высшую нервную деятельность и создал удивительные по своему
совершенству методы опытного изучения. Его смелость и
необыкновенный талант экспериментатора были вознаграждены
открытием нового вида рефлексов — условных рефлексов.
34
Условные рефлексы, в отличие от безусловных, не
являются врожденными, а образуются под воздействием внешней
среды в процессе обучения. Если безусловные рефлексы
практически одинаковы у всех животных данного вида и
«запрограммированы» так, что передаются из поколения в
поколение, а некоторые одинаковы для всех животных данного
класса, то условные рефлексы часто различны у животных
данного вида, ибо определяются собственным опытом
каждого отдельного животного. Условные рефлексы — как бы
доведенный до автоматизма личный опыт. Они могут
образовываться только в ответ на достаточно частые и неизменные
воздействия среды. Условные рефлексы, например, быстро
образуются у рабочих конвейера, у балерин и спортсменов,
часами отрабатывающих какое-то определенное движение, у
музыкантов, у первоклассников, выводящих в тетрадках
буквы. Благодаря существованию безусловных и условных
рефлексов животные могут приспосабливаться к вечно
меняющемуся миру, жить в нем и продолжать свой род.
Павлов указал на различие между высшей нервной
деятельностью животных и человека. Оно объясняется
существованием у человека двух сигнальных систем. У животных
имеется всего лишь одна — так называемая первая
сигнальная система; есть она и у человека. Эта сигнальная система
воспринимает воздействия физических раздражителей:
света, звука, запаха, тепла... Вторая сигнальная система,
имеющаяся только у человека, действует на основе первой, но
для нее сигналами (раздражителями) оказываются уже не
сами явления во внешней или внутренней среде организма,
а слова, их обозначающие. Вторая сигнальная система
формировалась одновременно с речью. Именно наличием
второй сигнальной системы отличается человек от всех прочих
животных; эта система позволяет человеку воспринимать мир
не только чувствами, но и через слова, отвлеченно; она
позволяет обобщать. Иначе говоря, вторая сигнальная система
дает человеку возможность мыслить.
Какие же элементы нервной системы принимают участие
в образовании рефлекса? Или, выражаясь терминами
физиологии, что входит в состав рефлекторной дуги? Вот эти
элементы:
рецептор;
нервное волокно, по которому импульсы передаются
в центральную нервную систему;
нервные центры, участвующие в образовании данного
рефлекса;
нервное волокно, по которому передаются импульсы
из нервных центров к рабочим органам;
рабочий орган;
источник энергии.
ЗАДНИЕ РОГА
ХРабочий
1 ОРГАН
НЕРВНОЕ
волокно \
НЕРВ
ЦЕ/-
Нервное
волокно
1
ный
1ТР
Передние рога
Спинной мовг
Слева поназана схема рефлекса таной, нам ее представляют себе инженеры,
а справа — таной, нан ее представляют себе биологи.
Не напоминают ли названия этих элементов другие —
названия органов автомата? Разумеется, да! И хотя названия эти
в каждой области науки возникли независимо, сходство не
случайно: назначение элементов рефлекторной дуги и
органов автомата сходно.
Рецептор выполняет ту же роль, что и датчик. Он
преобразует физические воздействия в сигналы. Нервные волокна,
хотя они и значительно сложнее, можно уподобить проводам,
«линиям связи», по которым сигналы направляются к нерв*
36
ным центрам и оттуда к рабочему органу. Название рабочего
органа говорит само за себя; он, так же как и
исполнительный орган автомата, исполняет полученные команды. Не
трудно найти сходство и между управляющим органом и
нервным центролл, в котором есть и запоминающее
устройство, память.
Какой простой, естественной и совершенно очевидной
кажется нам в конце шестидесятых годов аналогия между
металлическим автоматом и животным автоматом —
рефлекторной дугой! Но в тридцатые годы некому было проводить
такое сразнение: физиологи не знали общих принципов
построения автоматов и их теории, а инженерам была неведома
физиология нервной деятельности. Представители обеих
наук считали их столь далекими, столь разными, что даже
и не пытались найти общее между ними. Да если бы они и
захотели сделать это, то вряд ли смогли бы найти общий
язык, понять друг друга.
В те годы теория металлических автоматов и теория
животных автоматов создавались и развивались независимо
одна от другой.
В сущности, научных фактов, накопленных в этих двух
областях науки, хватило бы для возникновения новой
революционной науки, которой.суждено было объединить столь
далекие, на первый взгляд, теории. Вы, вероятно, уже
догадались, что имя этой новой науки — кибернетика. Но хотя
накопленных знаний было уже достаточно, два мощных
научных течения — автоматика и физиология нервной
деятельности— не могли еще слиться воедино. Они уже вынесли науку
к берегам неведомого бескрайнего моря, однако ученые еще
не знали, куда стремятся потоки, они не замечали еще и
самого моря и уж тем более не знали его имени. Слишком
много еще оставалось знакомого и привычного по берегам; так
много, что даже самое новое, самое удивительное было
трудно выделить и различить в привычном и знакомом.
Чтобы заметить это удивительное, ученым нужно было по-
новому взглянуть на известные факты, разобраться в
сформулированных уже теориях «металлических автоматов» и
«животных автоматов». Но для этого требовалось еще одно:
чтобы биологи и инженеры нашли общий язык, поняли друг
друга. И самое главное, чтобы они захотели сделать это.
ПОНЯТЬ ДРУГ ДРУГА
Почему же физиология нервной деятельности и
автоматика совсем не сотрудничали, почему у представителей этих
двух наук даже и не возникало желания сесть за круглый
стол и вместе разобраться в накопленных знаниях?
Есть несколько причин.
В тридцатые годы время для такси «мирной
конференции» еще не наступило. Жизнь, практика еще не требовали
объединения сил физиологов и автоматчиков. Инженерам,
конструировавшим сравнительно несложные автоматы, еще
не требовалось ничьей помощи, у них и в мыслях не было
учиться у живой природы. А биологи и в особенности
физиологи с давних пор привыкли считать себя представителями
чистой науки, то есть людьми, занятыми поисками научной
истины и связанными с практикой разве лишь через
медицину. Как ни странно это покажется вам, но ясная теперь всем
мысль о неразрывной связи науки и практики сравнительно
нова. Каких-нибудь тридцать лет назад ее признавали лишь
немногие, а большинству ученые представлялись эдакими
рассеянными чудаками, а их занятия — совершенно
непрактичным и безобидным делом. И сами ученые — даже
физики!— как правило, тоже считали себя далекими от практики,
от техники. Что же тогда говорить о биологах?! Мысль о том,
что исследование физиологии нервной деятельности или
изучение образа жизни летучих мышей имеет непосредственное
отношение к технике, не могла бы прийти в голову даже
самому дерзкому биологу.
Познакомившись в следующих главах с миром техники,
которым правят рабочие и инженеры, вы поймете, что новое
рождается лишь тогда, когда старые методы и приемы уже
не дают возможности справляться с требованиями практики,
когда становится явным противоречие между требованиями
жизни, практики и возможностями науки и техники.
Есть и другие причины.
Буделл откровенны: средний инженер, средний физиолог
в те годы, а теперь в особенности знают не очень-то много
о том, что происходит в других науках. Часто это бывает из-
за узости интересов специалистов, а иногда и не по их вине—
человек средних способностей, трудолюбия и здоровья
физически не в состоянии уследить за развитием многих наук
и уж тем более предвидеть, какая из 1149 оставшихся наук
окажется полезной для его непосредственной работы.
Угадать такую науку иногда помогает стечение обстоятельств,
везенье, а чаще — интуиция, без которой не было бы сделано
ни одного открытия, ни одного достижения в науках, искус-
38
стве, технике. К сожалению, понятия «интуиция», «талант»,
«гений» все еще остаются столь же неопределенными и
зыбкими, каким было и понятие «высшая нервная деятельность»
до павловских исследований. И мы пока не можем сказать,
почему один человек, умный, хорошо знающий свое дело,
никогда не достигает вершин, а другой, кажется ничем не
отличающийся от первого, делает великое научное открытие
или же сочиняет удивительную музыку, замечательную книгу,
пишет картину, от которой у зрителя замирает сердце. Чтобы
объединить достижения физиологии нервной деятельности и
автоматики, соединить казавшееся несоединимым, тоже
требовались талант, смелость, удача. Но не менее нужны были
знания в обеих областях науки.
Теория автоматов развивалась спокойно и скромно; о ней
знали лишь некоторые инженеры и математики. Что же
касается фактов, открытых Павловым, его учения, то оно было
признано повсеместно, и все культурные люди, независимо
от специальности, слышали о них. Более того, они
интересовали всех, потому что непосредственно касались каждого.
И естественно, что многие культурные инженеры пытались
разобраться в павловском учении. Им, как и всем другим
людям, хотелось понять, что же такое — человеческая мысль.
Но глубоко, не хуже самих физиологов разобраться в
работах Павлова и тем более прийти к выводу, что его
открытия имеют прямое отношение к технике, к автоматике, было
не просто. И совсем не потому, что факты, о которых гоеэ-
рилось в работах Павлова и его учеников, были очень
трудными для понимания. Нет, любой физиолог легко и быстро
воспринимал их. Но только физиолог, а не инженер.
Причина одновременно и совсем проста, и необыкновенно
сложна. Язык павловских работ — не просто русский язык.
Это язык физиологии, насыщенный сугубо специальными
терминами и понятиями физиологии. Физиологу-иностранцу,
едва знающему русский язык, читать книги Павлова и даже
беседовать с русским физиологом проще, чем русскому
инженеру. Точно так же и биологу труден и непонятен язык
инженера.
Тут есть и еще одна беда. Я вспоминаю свою первую
беседу с физиологом, изучавшим слух человека. Мы только
начали работать совместно. В то время он ничего не понимал
в электронных приборах, с помощью которых мы собирались
экспериментировать, а я был полнейшим профаном в
физиологии слуха. Впрочем, у меня на первых порах было одно
естественное преимущество. Имея собственные уши, я хоть
как-то представлял себе, что такое слух. А мой коллега в то
время не имел даже собственного радиоприемника. В первую
39
встречу мы, любезно улыбаясь, очень долго разговаривали
о будущей работе и нам даже казалось, что h\b\ обо всем
договорились. Придя домой, я решил написать методику нашего
будущего эксперимента. И только тут, к своему изумлению,
почувствовал, что не понял значительную часть из того, что
говорил физиолог, что ощущение взаимопонимания во время
разговора оказалось ложным и возникло только потому, что
оба ^ль\ говорили на русском языке. На деле же он говорил
на русском физиологическом языке, а я — на русском
радиоэлектронном. В конце концов ^лъ\ научились понимать друг
друга, но на это пришлось потратить немало времени и
усилий, а само взаимное обучение проходило далеко не гладко
и даже не всегда мирно. Кажущееся ощущение
взаимопонимания не раз зло подшучивало над нами и, хотя мъ\ были
крайне осторожны, частенько вовлекало в пустые затяжные
споры, когда каждый твердит о своем, понимая собеседника
превратно.
Позже мне не раз приходилось сталкиваться с
подобными недоразумениями. Зато на первую конференцию по
бионике я пришел чуточку подготовленным. А вот многие
инженеры и биологи, впервые встретившись на общей научной
конференции, испытывали настоящие муки и даже разочарование,
пытаясь вступить в контакт между собой. И хотя все они
говорили по-русски, невидимой и не сразу ощутимой стеной
стоял между ними языковый барьер.
Разумеется, существование своего научного языка в
каждой области знаний вполне оправдано и до недавнего
времени приносило одну лишь пользу. Однако бурное развитие
всех отраслей знания, накопление невообразимого
количества новых сведений, развитие новых понятий породило в
последние десятилетия трудность, препятствующую
плодотворному обмену знаниями между науками. Эта трудность и
получила название языкового барьера.
Не раз случалось, что один и тот же факт, одно и то же
явление одновременно изучались разными науками, но
исследования велись разобщенно; никому и в голову не
приходило, что под разными названиями кроется одно и то же.
Часто бывало — бывает и теперь,— что факты, столь нужные,
но неизвестные в одной научной дисциплине, давно открыты
и описаны на языке иной. Но различие языков, а значит, и
разобщенность наук не позволяют узнать об этом, и
приходится проделывать уже выполненную работу, растрачивать
труд и средства.
Вероятно, вы уже догадались, что наиболее остро
проблема языкового барьера чувствуется в бионике, где бок о бок
трудятся инженеры, биологи, физики, химики, кибернетики и
40
математики. Именно в этой области знаний и техники
смешение языков достигло своего апогея.
Но биоников это не пугает. Они убеждены, что только
союз наук позволит достигнуть великих целей. На долю
бионики выпало не только создание невиданных доселе машин,
но и создание синтетического научного языка, равно
понятного и физику, и биологу, и инженеру, и математику, и
психологу, и врачу. Это тоже великое и необыкновенно полезное
для будущего дело.
Понять друг друга — девиз современных ученых.
ПОСВЯЩЕНИЕ
Одной из первых наук, в которой ее основателям
пришлось немало потрудиться над преодолением языкового
барьера, была кибернетика. Об этой науке и одном из ее
создателей, Винере, нам следует поговорить подробно. Ведь
бионика очень во многом обязана своим существованием
кибернетике. Идеи и методы кибернетики не только вызвали
к жизни бионику, они — важнейшая составная часть новой
науки.
Норберт Винер (1895—1964) был разносторонне
образованным человеком. Он свободно владел несколькими
европейскими языками, хорошо знал художественную литературу,
философию, историю. Его специальностью была математика,
однако немало времеьи он уделял технике и физиологии. Но
наука сама по себе не была для него всем; Винер серьезно
думал и о судьбах человечества, культуры, о роли науки в
современном обществе.
Его тревожило, что великие достижения нашего времени
могут быть использованы не во благо, а во вред людям. Он
делал все, что было в его силах, чтобы предупредить
человечество о грозящей опасности, если оно не возьмет науку под
свой контроль.
Вся жизнь Норберта Винера связана с одним из самых
известных в США технических высших учебных заведений, с
Массачусетским технологическим институтом. Здесь, в
Массачусетсе, он преподавал математику и еще до войны
подружился с биологами из Гарвардской медицинской школы.
Этой дружбе суждено было сыграть огромную роль в жизни
Винера.
Во время второй мировой войны Массачусетский институт
стал одним из главнейших центров разработки
радиолокаторов, в частности радиолокаторов для наводки зенитных ору-
41
дий, а несколько позже и вычислительных машин. Винеру,
математику по призванию и профессии, пришлось отложить
до лучших времен чистую науку и принять участие в решении
важнейших инженерных задач. Это, конечно, не значит, что
он сменил свои математические книги на логарифмическую
линейку и листы ватмана. Его вкладом в работу были
математические формулы, которые помогли создать весьма точные
прицелы для зенитных орудий. Такие прицелы обладали
замечательной по тем временам особенностью: определяя
положение и скорость самолета в данный момент, они
предсказывали его положение к моменту встречи со снарядом. Работа
Винера, посвященная предсказывающим прицелам, была
издана в ярко-желтом переплете, и ее в шутку назвали
«Желтая опасность». Мне хочется отметить, что «Желтая
опасность» была не просто очередной математической работой
Винера,— она имела важное отличие от предыдущих, так как
выполнялась специально для инженеров и в то же время
помогла самому Винеру понять, что такое труд инженера, какие
задачи стоят перед техникой. А это, в свою очередь,
позволило Винеру гораздо глубже разобраться и в собственной
работе.
Со временем ему стало ясно, что формулы «Желтой
опасности» важны не только для проектирования зенитных
прицелов. Они оказались полезными и для
совершенствования дальних телефонных и телеграфных линий, для
радиосвязи, радиолокации — словом, всех систем, в которых
приходилось иметь дело с передачей и приемом сигналов.
Как ни был занят Винер, он и во время войны продолжал
интересоваться чисто научными проблемами, в
особенности— физиологией, а когда началось создание
вычислительных машин, он один из первых понял, какие захватывающие
возможности открываются перед человечеством, какие
опасности таят в себе новые машины.
После войны Винер вернулся к науке. Опыт работы с
инженерами, специалистами в области автоматики и связи,
дружба с физиологами дали свои плоды, и в 1948 году он
опубликовал свою знаменитую книгу «Кибернетика, или
управление и связь в жизотном и машине».
Издатели очень недоверчиво отнеслись к новой книге, они
считали, что ею заинтересуются лишь немногие. Но
«Кибернетика» имела необычайный успех и принесла ее автору
всемирную славу.
«Кибернетика» переведена на множество языков. Любой
из вас может взять в библиотеке книжечку в ярко-желтом
переплете. Часть из того, что в ней написано, понятно
только людям с высшей математической подготовкой. Но многое
42
доступно всякому, кто всерьез хочет понять, что такое
кибернетика \
Если вы захотите прочитать ее, обратите внимание на
посвящение:
«Артуро Розенблюту, моему товарищу по науке в течение
многих лет».
Кто же такой Артуро Розенблют? Почему создатель
кибернетики посвящает ему главную книгу своей жизни, книгу,
которая нашла такой горячий отклик во всем мире и дала
толчок к развитию кибернетики?
Познакомимся с тем, что пишет сам Винер:
«Эта книга представляет итог более чем десятилетних
исследований, предпринятых совместно с д-ром Артуро Розен-
блютом, работавшим в Гарвардской медицинской школе.
В то время д-р Розенблют ежемесячно устраивал дискуссии
о научном методе. В этих дискуссиях участвовали главным
образом молодые ученые Гарвардской медицинской школы.
Дискуссии были постоянным существенным вкладом в наше
научное развитие.
В течение многих лет д-р Розенблют разделял со мной
убеждение, что самыми плодотворными для развития наук
являются области, оставленные в пренебрежении по той
причине, что они были «ничейной территорией» между
различными сложившимися науками.
Д-р Розенблют всегда настойчиво утверждал, что
действенное изучение «белых пятен» на карте науки может быть
предпринято только коллективом ученых, каждый из
которых, будучи специалистом в своей области, должен быть,
однако, основательно знаком с областями науки своих коллег.
При этом необходимо, чтобы все привыкли работать
совместно, зная склад ума другого, оценивая значение новых идей
коллеги, прежде чем эти идеи будут достаточно точно
сформулированы. От математика не потребуется умения провести
физиологический эксперимент, но он должен уметь понимать
такой эксперимент, уметь подвергнуть его критике и
предложить новый эксперимент. От физиолога не потребуется
умения доказать определенную математическую теорему, но
физиолог должен быть в состоянии понять ее значение для
физиологии и указать математику направление поисков».
Я нарочно привел столь длинную выписку из
«Кибернетики»; ведь она, по существу, является программой для
организации любой группы биоников, а кроме того, свидетельст-
1 В Советском Союзе, кроме «Кибернетики», опубликованы и другие
книги Винера: «Кибернетика и общество» и автобиографическая повесть
«Я — математик». Это интересные и доступные для любого читателя книги.
43
вует, каким путем преодолевался языковый барьер на заре
кибернетики. Таким же путем предстоит преодолевать его
и бионике.
А сейчас мь\ более подробно познакомимся с сутью
работы Винера и его коллег над предсказывающими прицелами и
с тем, какие важные научные выводы удалось сделать из этой
чисто инженерной работы.
В старой русской армии бытовала поговорка: «Красавцы
в кавалерии, умные в артиллерии». Поговорка шутливая, но
со смыслом: среди военных артиллеристы с давних пор были
самыми образованными и культурными. И это не случайно.
Служба требовала от них знания математики, механики,
умения быстро производить сложные расчеты. Без этого была
немыслима точная стрельба даже в те годы, когда целями
для орудий были неподвижные форты и крепости,
неповоротливые фрегаты, медленно передвигающиеся по полю
сражения войска. Пока приходилось иметь дело с такими целями,
пока скорость ядра или снаряда во много раз превосходила
скорость движения цели, все необходимые расчеты наводки
орудий производились при помощи сравнительно простых
приспособлений.
Но вот появились скоростные самолеты. Они летали всего
в три-четыре раза медленнее зенитных снарядов. Если,
стреляя по крепости, орудие наводят прямо на нее, то при
стрельбе по самолету надо посылать снаряд с упреждением — в то
место, куда подлетит самолет через десятки секунд.
Положение снаряда в пространстве в любой момент
времени можно рассчитывать очень точно. И задача прицельной
стрельбы по неподвижным целям сводится именно к этому.
Расчет траектории умеет сделать каждый артиллерийский
офицер.
Но как узнать, где окажется через двадцать—сорок
секунд самолет? Возможно ли с необходимой точностью
предсказать его будущее положение? Ведь самолет, в отличие от
снаряда, меняет скорость, высоту, совершает маневры.
Словом, самолет управляем, ибо он подчиняется воле человека.
Правда, законы механики действуют и в данном случае:
самолет не может мгновенно изменять скорость, направление,
высоту. Значит, хотя бы частично, положение самолета
можно предсказывать, основываясь на законах механики. Однако
такое предсказание будет правильным в лучшем случае на
три—пять секунд вперед. Зенитчикам же требуется знать, где
окажется самолет через десятки секунд. Не учитывая
действий летчика, узнать это невозможно. Значит, необходимо
научиться предсказывать их. Но как можно наперед знать, что
предпримет пилот? Оказалось, что это не так уж и трудно.
44
Ибо действия летчика в промежутки, измеряемые десятками
секунд, не могут быть совершенно произвольными.
Пилотирование самолета тоже подчиняется некоторым законам и
обстоятельствам, не зависящим от воли летчика.
Винер и его сотрудник Бигелоу поняли, что предсказывать
траекторию самолета, а значит, и создать совершенный
зенитный прицел удастся только в том случае, если они
разберутся, как человек осуществляет управление, по каким законам
это происходит. Иа помощь им пришли теория автоматов, и
теория связи (будучи математиками, они могли разобраться
в них сами), и физиология в лице д-ра Розенблюта,
разъяснившего им суть новейших достижений физиологии, павловского
учения, рефлексов.
Объединение всех этих знаний помогло не только создать
совершенный предсказывающий прицел. Оно дало куда
более значительный результат — кибернетику. Связанные
воедино, эти знания помогли сформулировать необыкновенно важ-*
ную идею.
Для иеной работы ни предназначался бы автомат, наной бы
ни была его конструкция, наней бы ни была нервная система —
простейшего животного или человека,—и автомат, и нервная
система всегда имеют дело с сигналами, с сообщениями. И
дуга автомата, оканчивающаяся с одной стороны датчиком и
исполнительным органом с другой, и рефлекторная дуга,
оканчивающаяся рецептором с одной стороны и рабочим органом с другой,
замыкаются воздействующими извне сигналами в кольцо, в нон-
тур обратной связи.
Когда эта идея была сформулирована ясно и четко,
инженерам и физиологам стало понятно, почему главный принцип
организации един для всех автоматов, почему между схемой
организации простого автомата и схемой рефлекторной дуги
столько общего. Понятным стало и другое: теория
«металлических автоматов» и теория «животных автоматов» слились в
единую полную теорию. Ученые наконец заметили море,
имя которому «Кибернетика».
К его берегам шли не только Винер со своими
товарищами. Были и другие, кто шел почти вровень с ними. Винер это
прекрасно понимал. Вслед за Ньютоном он повторил: «Если
я видел дальше, чем другие, то потому, что я стоял на плечах
гигантов».
Есть идеи, которые постепенно назревают в обществе.
Они, как говорится, носятся в воздухе: многие люди смутно
предчувствуют их рождение. И когда кому-нибудь удается
ясно выразить такие идеи, общество принимает их, как
иссохшее поле животворный ливень. Так были восприняты и идеи
кибернетики, и именно поэтому чисто научная книга Винера
45
раскупалась и читалась десяткам^ тысяч людей, никакого
отношения к науке не имеющих. Идеи, высказанные Винером,
уже назрели в обществе — развитие науки и техники вывело
к берегам Кибернетики не только ученых, но и все
человечество.
Люди уже давно предчувствовали, что не может быть
непроходимой пропасти между живым и неживым. Если бы
такая пропасть существовала, живое не могло бы возникнуть
из неживого, и только божьей волей можно было бы
объяснить, почему есть на Земле «и всякая трава, сеющая семя, и
всякое дерево, и все звери земные, и все птицы небесные, и
всякие пресмыкающиеся по земле, и все рыбы», и, добавлю,
сам человек. Кибернетика утверждает: нэт непроходимой
пропасти между живым и неживым, нет пропасти между живот-
ным и человеком.
Знал ли Винер, работая над книгой, об ожидавшей ее
судьбе? Предвидел ли столь шумный успех? Скорее всего, нет.
Разумеется, он понимал, что его работа имеет важное
научное значение. Но что кибернетика будет принята обществом
с таким же энтузиазмом, с каким в свое время была
встречена теория относительности Эйнштейна, он не ожидал.
Зато он твердо знал, что без тесной связи наук, без
дружеского сотрудничества физиолога «Кибернетика» не была
бы написана. Потому-то книга, возвестившая о рождении
новой науки и написанная математиком, посвящена физиологу
Розенблюту.
ЧЕЛОВЕК И МАШИНА
Завершалась вторая мировая война...
Гитлеровская Германия пала. И хотя на Дальнем Востоке
отчаянно сопротивлялись японские милитаристы, хотя Европа
лежала в развалинах, смертельно усталые, разоренные,
голодающие народы, еще не успевшие оплакать погибших, с
надеждой смотрели в будущее.
И внезапно в эти первые дни неполного, но все-таки мира
человечество поразила весть об атомной бомбе.
Вы, к счастью, не знаете того времени. Но попробуйте
представить себе тех, кто во имя победы прошел фронт, кто
пережил почти шестилетний кошмар массированных танковых
ударов, артиллерийских обстрелов, бомбардировок, кто
пережил непередаваемый ужас лагерей уничтожения.
Представьте себе этих людей в первые дни мира, добытого ценой
десятков миллионов жизней, когда впервые за шесть лет
46
можно было вздохнуть полной грудью, когда можно было
начать строить, а не разрушать города, налаживать
промышленность и сельское хозяйство. А теперь представьте их в
тот день, когда они узнали об атомной бомбе. Что могли
подумать они в тот страшный день о будущем, об ученых,
создавших атомную бомбу, о науке вообще? Тем более, что
взрыв атомных бомб в Японии оказался не финалом, а
прелюдией. Первые обладатели атомных бомб — американские
военные, пытались устрашить СССР, начали грозить атомной
войной. Над миром нависла угроза новой, еще более
страшной бойни.
А вскоре люди узнали о многих других важных
изобретениях: о радиолокации, о реактивных самолетах, о первых
боевых ракетах. В мир, еще не залечивший ран, нанесенных
гитлеризмом, но уже ожидавший уничтожительной атомной
войны, никем не жданной пришла новая промышленная и
научная революция.
На страницах газет одно за другим замелькали сообщения
о новейших достижениях науки и техники. Заговорили об
электронных вычислительных машинах, об автоматизации.
Падким до сенсаций газетчикам жилось легко, не нужно
было бегать в поисках интересных материалов, не нужно было
выдумывать, ибо правда была удивительнее всякой выдумки.
В промышленно развитых капиталистических странах,
особенно в США, сообщения об электронных вычислительных
машинах и новых автоматах вызывали у людей мрачные
предчувствия. Так одна из самых первых американских
вычислительных машин (еще очень несовершенная) могла заменить
целую армию расчетчиков. Эти машины назывались
вычислительными лишь потому, что первым их применением были
вычисления. Но с тем же правом их можно было бы назвать
электронными логическими машинами, ибо с не меньшей
точностью и быстротой они выполняют логические операции, то
есть делают такую работу, которая всегда считалась
естественной монополией человека. Вскоре появились сообщения и
о том, что одна вычислительная машина в состоянии
управлять работой производственной линии, цеха и даже целого
завода, может выполнять и конторскую работу.
Я уже говорил, что еще в тридцатые годы нашего
столетия большинство людей мало знало о науке. В лучшем
случае она казалась им делом интересным и почетным, но тем
не менее довольно далеким от жизни. После войны
отношение к науке переменилось, ее стали считать всемогущей.
И действительно, когда стало известно, что всего одна бомба
способна лишить жизни десятки и даже сотни тысяч
людей, рабочим капиталистических стран, не раз переживавшим
47
безработицу, нетрудно было поверить, что одна
вычислительная машина может лишить куска хлеба такое же
количество людей. Бомба грозила полным уничтожением, машина
же не была убийцей, но и от нее ждали страшной беды —
обесценения человеческой личности.
Но люди ошибались: наука не была всеведущей и
всесильной. В те дни особенно ярко проявилось именно ее бессилие,
ибо создатели таких великолепных вещей, как локатор,
атомный реактор, вычислительная машина, не сумели защитить
человечество от потрясений. Норберт Винер переживал
тяжелые времена. Вторая промышленная революция устрашала
и его.
«Для меня давно стало ясно, что современная
сверхбыстрая вычислительная машина в принципе является идеальной
центральной нервной системой для устройства
автоматического управления. Сигналы, которые подводятся в машину и
выходят из нее, не обязательно должны быть
сигналами-числами, вместо этого они могут быть сигналами от
искусственных органов чувств, например фотоэлементов или
термометров, а выходные сигналы могут представлять собой команды
для исполнительных органов — двигателей и
электромагнитов. Другие датчики позволят следить за работой
исполнительных органов и передавать данные о наблюдении в
центральную управляющую систему путем обратной связи1. Еще
задолго до Нагасаки и того, как общественности стало
известно о существовании атомной бомбы, мне пришла мысль,
что мы стоим перед лицом другой социальной силы, несущей
неслыханные возможности для добра и для зла»,— писал он
в 1947 году.
Сегодня, спустя двадцать лет, можно сказать, что
страшные прогнозы не сбылись, что Винер и многие другие
переоценили непосредственную угрозу со стороны
вычислительных машин. Но утверждать, что такая угроза никогда на
возникнет в будущем, с полной уверенностью нельзя. Ведь
инженеры непрерывно совершенствуют электронные
вычислительные машины, и немалую роль в этом предстоит
сыграть бионике. Не надо, однако, забывать, что применение
машин для тех или иных целей очень мало зависит от
инженеров и ученых. И Винер это прекрасно понимал. Он знал,
что в соврелленных ему Соединенных Штатах Америки
вычислительные машины могут принести много вреда, и
предупреждал об этом. «Выход один,— писал он,— построить общест-
1 При прямой сзязи путь сигнала таков: «вход -+ управляющий
орган -> выход». При обратной связи путь сигнала таков: «выход -> вход».
Таким образом дуга замыкается и возникает петля, контур обратной
сзязи: «вход -> управляющий орган -► выход ~* вход».
48
вэ, оснозанноз на человеческих ценностях, отличных от
купли-продажи. Для построения такого общества потребуется
большая подготовительная работа и большая борьба...»
Однако вычислительные машины привлекли всеобщее
внимание не только как конкуренты человека в области
умственного труда. После опубликования «Кибернетики» выяснилась
и другая очень важная сторона проблемы «Человек и
вычислительная машина», чисто научная.
В отличие от своих предшественниц, механических
счетных машин, основанных на десятичной системе счисления,
примерами которых являются арифмометр и обычный
кассовый аппарат, электронная вычислительная машина основана
на двоичной системе. Это значит, что она работает по
принципу «О и 1» или «Да—Нет» или, что то же самое, по
принципу «все или ничего», то есть по тому же принципу, по
которому осуществляется передача сигналов в нервной
системе. Другой важной особенностью электронных
вычислительных машин является наличие очень емких запоминающих
устройств, способных хранить огромные количества
информации.
Когда идея Винера об общности принципов организации
автомата и нервной системы стала ясной, уже ничто не
мешало признать, что, хотя бы в принципе, можно воплотить в
металле некую сверхсозершенную вычислительную машину,
ничем не уступающую мозгу. Сам Винер, сопоставляя мозг и
вычислительную машину, писал: «В природе вычислительной
машины нет ничего несовместимого с наличием в ней
условных рефлексов». Иначе говоря, признание возможности
образования условных рефлексов в вычислительной машине
равносильно признанию того, что такая машина может
обучаться и мыслить, ибо,
как доказал Павлов,
основой обучения и
мышления являются именно
условные рефлексы.
Коротко сформулировать
научное и философское
содержание проблемы
«Человек и
вычислительная машина» можно
следующим образом.
Исходное
утверждение: между человеком и
азтоматом существует
общность.
Первый вывод: если
утверждение правильно, то в сфере, где такая общность
существует, человека можно уподобить автомату, а автомат —
человеку.
Второй вывод: в сфере, где такая общность существует,
при создании достаточно совершенных автоматов они всегда
смогут заменить человека.
Что же это за сфера?
Она огромна — это все, начиная от простейших
производственных операций, кончая всем связанным с высшей
нервной деятельностью — мышлением, творчеством. Эта сфера
охватывает и производство, и управление производством, и
управление военными действиями, и сочинение музыки, книг,
доказательство новых математических теорем, выдачу самых
разнообразных справок, игру в шахматы, диагностику
заболеваний и научные исследования — словом, великое
множество видов деятельности, чисто человеческой, которой люди
всегда гордились, ибо именно она отличала их от всего
сущего и давала человеку право называть себя царем природы.
Идея о существовании сходства между действиями
животных (особенно низших) и автоматов высказывалась очень
давно. Но мысль об отсутствии принципиальной разницы
между автоматом и человеком, даже в сфере мышления, была
высказана определенно и обоснованно только после второй
мировой войны, в годы начала второй промышленной
революции. Она, являясь одним из важных выводов
«Кибернетики», подсказала людям и другие плодотворные мысли.
Короче говоря, новорожденная кибернетика многое
изменила в отношении ученых и философов к важнейшим
проблемам. Не меньшее влияние она оказала и на всех тех, кто
интересуется наукой, кто, будучи подлинно культурным
человеком нашего времени, разбирается не только в искусстве,
литературе, политике и всех «традиционных» вопросах, но и
в главных проблемах науки и промышленности. И хотя
кибернетика не без труда завоевала признание, хотя споры о ней
длились почти десятилетие, она уже оказала огромное
влияние не только на технику и науку, но и на мировоззрение
людей. В этом ее заслуги столь же велики, сколь и заслуги
гелиоцентрической системы Коперника, происхождения видов
Дарвина, теории относительности Эйнштейна.
Но, как ни странно на первый взгляд, прямое влияние
кибернетики на технику, особенно в первое десятилетие, было
довольно незначительным. И многие машины, которые
журналисты любят называть кибернетическими, могли бы быть
созданы и действительно создавались почти без всякой
помощи этой науки. Это не значит, что инженеры не обратили
внимания на кибернетику. Наоборот, они сразу же
заинтересовались ею. Но чтобы сконструировать и построить простой
и даже не очень простой автомат, и нынче далеко не всегда
требуется прямая помощь кибернетики. Она необходима при
создании особо сложных автоматов, которые только начали
появляться. Что же касается будущих сложных автоматов,
которыми придется заниматься бионике, то при их создании
обойтись без кибернетики будет уже нельзя.
МИР, В КОТОРОМ ЖИВУТ ИНЖЕНЕРЫ
До сих пор мы говорили о предыстории бионики, о ее
научных предпосылках. Но наука возникает и развивается не
просто по желанию того или иного ученого. Ее рождение и
рост обусловлены производственной и практической
деятельностью всего человечества. Хотя бы отчасти, вы могли это
почувствовать на примере кибернетики. Бионика же еще
более яркий тому пример.
Познакомившись с миром, в котором живут инженеры, вы
поймете, почему бионика возникла именно сегодня, в чем ее
главное назначение. И тогда, только тогда вы сумеете
правильно оценить рассказы о загадке летучих мышей, о
дельфинах, о пчелах и птицах, об органах чувств и о многом
другом, о чем предстоит вам прочитать на страницах этой книги.
Все эти рассказы о мире живой природы, о ее тайнах
теперь имеют прямое отношение к миру инженера, его
чаяниям и трудностям, которые ему приходится повседневно
преодолевать. В них стоит очень хорошо разобраться.
Именно они послужили непосредственным толчком к созданию
бионики. Эти трудности имеют постоянный характер. С ними
51
всегда приходится сталкиваться инженерам, и их преодоление
всегда приводило к важным научным и техническим сдвигам.
С трудностями этими придется столкнуться и вам, когда вы
займете свое место в цеху, в лаборатории, на испытательном
полигоне, в пилотируемом космическом корабле или в
городке, выстроенном на дне ллоря.
Оглянитесь вокруг, посмотрите, сколько разнообразных
вещей служит людям. Без них, наших слуг и помощников, мы
не смогли бы существовать. Все они — плоды человеческого
"ФУДа, порождения инженерного гения человечества. Мир
вещей, машин — часть нашего общего мира. Этот мир создали
люди, которых называют изобретателями, инженерами.
Инженер изобрел глиняный горшок и колесо, автомобиль
и самолет, электрический генератор и турбину,
электрическую и электронную лампы; он построил небоскребы,
гигантские заводы, огромные корабли; он плавит металл, строит
дороги, посылает в космос ракеты, изобретает искусственное
сердце, печатные станки, музыкальные инструменты,
киноаппаратуру, краски... И можно уверенно говорить, что любая
разумная задача ему по плечу. Особенно теперь, когда на
наших глазах наука и техника сделали новый гигантский
скачок вперед.
А как инженеры понимают слова «гигантский скачок
вперед», «промышленная и научная революция»? Да так же, как
и все, но сверх того эти слова для них означают, что машина,
построенная вчера, сегодня уже устарела, и надо строить
новую машину, которая устареет завтра же. Каких-нибудь
полвека назад конструкции машин оставались одними и теми же
в течение десятилетий. А нынче конструкции даже таких
сложнейших и совершенных машин, как самолеты,
заменяются в среднем раз в несколько лет.
Человеку, не связанному с техникой, почти невозможно
представить себе, каких усилий и средств стоит даже самый
незначительный успех, самое простенькое
усовершенствование, каких трудов стоит создание пусть даже несложного, но
нового устройства, прибора или машины. А ведь с каждым
годом сложность технических задач все более увеличивается,
ибо непрерывно усложняются технические системы,
необходимые промышленности, транспорту, связи, науке, военной
технике. Все чаще традиционные методы и принципы
изживают себя, а новые, к сожалению, изобретают не так часто,
как хотелось бы, и, что не менее важно, их не столь уже легко
освоить, чтобы сразу и с успехом создавать принципиально
новые инженерные устройства и внедрять в практику.
Мир инженера... Он такой же, как у всех. В нем светит то
же солнце, те же деревья шумят на ветру, так же плещут
52
морские волны. Но есть и другой мир — мир непрерывно
меняющихся открытий, технических идей, машин и вещей. С ним
связаны N\b\ все. Но инженер видит его изнутри. Ведь он
создает его, он первым воспринимает все изменения в нем,
первым осознает его непрерывное усложнение, знает его силу
и слабости.
Несмотря на великие успехи, у современной техники очень
много слабостей! И, как это ни парадоксально, с особой
силой эти слабости проявляются в самых передовых отраслях
техники. К ним, несомненно, относится и авиация.
Тот, кому приходилось забираться в кабину истребителя,
знает, что кабина и специальные приборные отсеки
фюзеляжа истребителя до отказа забиты электронной аппаратурой.
Обилие циферблатов, стрелок, кнопок подавляет
непривычного человека. Кажется невозможным даже запомнить
назначение всех этих приборов, всех органов управления. И уж
совершенно не представляешь себе, как удается летчику в
машине, мчащейся со сверхзвуковой скоростью,
манипулировать вселли необходимыми органами управления и вести
при этом бой.
Что же, хорошо это или плохо, когда истребитель
оснащен таким обилием сложнейших приборов?
Я подожду отвечать на этот вопрос. Давайте-ка лучше
вспомним чувство восхищения, которое неизменно
охватывает нас, когда ^ль\ видим проносящуюся в небе стремительную
машину, ощущаем ее грозную силу, поражаемся умению
пилота, выполняющего головокружительные каскады фигур
высшего пилотажа. Иногда под грозный гул реактивных
двигателей мне в голову приходит странная, несбыточная мысль:
я думаю о Великой Отечественной войне и горько жалею о
том, что не было у нас тогда хотя бы нескольких десятков
реактивных «МИГов» и дзух-трех современных реактивных
бомбардировщиков. К сожалению, это невозможно:
технические идеи и технические возможности того времени еще не
позволяли перейти к строительству реактивных самолетов.
Однако вернемся к современной авиации.
В кабине экипажа бомбардировщика или пассажирского
лайнера просторнее, чем в истребителе. А различных
приборов установлено еще больше. И каждый из таких приборов
совершенно необходим. На самолете вообще нет
приборов, без которых можно было бы обойтись. Летать без
приборов сегодня нельзя. Даже отказ одного из двигателей на
многомоторном самолете подчас менее страшен, чем выход
из строя некоторых радиоэлектронных приборов.
Значит, это хорошо, что современный самолет имеет на
борту столько сложных и нужных приборов?
53
А какое множество приборов установлено на щите
диспетчера, управляющего крупной электроэнергетической
системой! Ведь в такой системе объединены десятки мощных
электростанций, сотни подстанций, множество линий
электропередачи, общая протяженность которых достигает десятков
тысяч километров; такая система снабжает энергией сотни
городов, тысячи заводов и фабрик, шахты и нефтепромыслы,
больницы и радиостанции, городской и железнодорожный
транспорт. И всей этой гигантской системой, раскинувшейся
на сотни тысяч, даже на миллионы квадратных километров,
управляет диспетчер, инженер-электрик. Без новейших и
сложнейших приборов, его единственных советчиков на
диспетчерском пункте, он не смог бы работать.
Подобных сложных систем с каждым годом становится
все больше. Они есть теперь в каждой отрасли
промышленности, на транспорте, в связи, в военном деле, они появились
уже в операционных палатах больниц, их немало в науке.
И они непрерывно усложняются.
Хорошо это или плохо, что таких систем становится все
больше, что они непрерывно усложняются?
Пора и ответить на вопросы. Попросим сделать это
инженера-самолетостроителя. Вот что он нам сказал бы.
Да, системы усложняются. Но тут уж ничего не
поделаешь. Теперь другие условия работы. Если раньше в воздухе
находились одновременно десятки, от силы сотни,
сравнительно тихоходных самолетов, то нынче всего лишь один
аэропорт принимает и отправляет множество скоростных
лайнеров. Понятно, что для управления полетами теперь
требуются значительно более сложные системы. Конечно,
инженеры стремятся упростить их, сделать более компактными,
надежными и удобными. То же относится и к приборам на
самолетах. Они жизненно необходимы. Но было бы
прекрасно, если бы приборостроители сделали так, чтобы можно
было обходиться меньшим числом приборов. Ведь они очень
облегчили бы труд летчика. Ведь сегодня он работает на
пределе нервных перегрузок. А если к тому же добавить, что
в летчики (особенно в истребители) берут только людей с
наилучшей нервной системой, то окажется, что пилоты
вообще работают на пределе человеческих возможностей. И это
очень спасно. Словом, в авиации уже настало такое
положение, когда условия полетов усложняются еще более, а
увеличивать число приборов нельзя, летчик все равно не
успеет реагировать на их показания. Не увеличивать надо
количество приборов на самолете, а уменьшать. Есть и другие
важные причины, по которым необходимо уменьшать
количество вспомогательной» аппаратуры на самолете: она страшно
54
дорога, за ней нужен непрерывный уход, она занимает
много лишнего места и потребляет много энергии. Мы,
авиастроители, за то, чтобы приборов на самолете было как можно
меньше. Но мы понимаем, что сделать это очень и очень
трудно.
Примерно так же станут отвечать и другие инженеры.
Странное положение создалось сегодня в технике. Мъ\
лучше всего поймем это на примере авиации. Вряд ли кто
будет сомневаться, что современный самолет — чудо
инженерного искусства; каждый прибор, установленный на нем,
даже каждый винтик — плоды изобретательности инженеров,
плоды новейших достижений техники. Но вместе с тем как
трудно управлять самолетом, как тяжело поддерживать его
в хорошем техническом состоянии! А инженеры добавляют,
что совершенствовать самолеты теми же методами, что и
пять лет назад, все труднее, а скоро и вовсе станет невоз-
. можным.
Значит, авиация и многие другие отрасли техники стоят
сегодня перед лицом кризиса? Значит, если не найти новых
принципов, новых путей, развитие многих отраслей
остановится?
Да, остановится.
И, как ни странно, кризис этот вовсе не противоречит
тому, что в технике сегодня происходит революция. Она и
сама-то началась в результате преодоления кризиса,
назревшего в технике в предвоенные годы. Во все времена науке
и технике приходилось преодолевать кризисы, и нынешний —
далеко не последний. Что же касается путей, то сегодня уже
наметились многие. Один из них — бионика.
Чем может помочь бионика авиаторам? Чтобы ответить
на этот вопрос, придется назвать некоторые авиационные
приборы. Хотя бы важнейшие.
Начнем с радиопередатчиков и радиоприемников,
предназначенных для переговоров с аэродромами, с
командованием, с другими самолетами. Живая природа не знает
радиосвязи, поэтому совершенствование конструкций
передатчиков и приемников, видимо, и далее будет происходить без
помощи бионики, хотя некоторые принципы повышения
надежности аппаратуры, позаимствованные у природы,
принесут немалую пользу. Зато неоценимую помощь окажет
бионика разработке методов передачи, приема и переработки
радиосигналов.
Затем следует радиолокационная аппаратура. Она весьма
разнообразна и применяется для обнаружения противника,
наведения управляемых снарядов, стрелково-пушечного
вооружения, бомбометания, предупреждения о заходе само-
55
лета противника сзади — это на боевых самолетах. На
гражданских радиолокаторы предупреждают о возможности
столкновения с другими самолетами, позволяют определять
местонахождение грозовых зон, густой облачности, ураганов,
позволяют видеть землю сквозь тучи и в темноте, помогают
штурманам выбирать правильный курс. Современные
радиолокаторы — чудо техники наших дней. И все же
необходимо значительно улучшить их. В этом большую помощь
может оказать бионика. Ведь живая природа уже миллионы
лет назад изобрела и довела до высочайшего совершенства
локаторы летучих мышей, китообразных и некоторых других
водных животных.
Очень важную роль играют приборы, указывающие
путевую скорость самолета. Их тоже удастся
усовершенствовать методами бионики.
Управляя самолетом, летчик должен знать, как
сориентирована машина в пространстве. Иными словами, он должен
знать, куда направлены продольная, поперечная и
вертикальная оси самолета. Ныне бионика уделяет особое внимание
органам ориентации в пространстве у животных. И в этом
природа может многому научить инженеров.
Необыкновенно важными являются навигационные
приборы. В любое время суток, в любую погоду, в любой точке
земного шара они должны указывать точное
местоположение самолета и точное направление на аэродром прибытия.
Навигационных приборов на самолете (на корабле, на
подводной лодке) много. Зачастую они чрезвычайно сложны. Но
сегодня нет среди них таких, которые полностью
удовлетворяли бы штурманов.
Специалисты в области навигации возлагают огромные
надежды на бионику. Ведь теперь стало ясно, что многие
птицы, морские и сухопутные животные и даже рыбы —
отличные навигаторы.
Перечень приборов на самолете можно было бы
продолжить. Но и этого достаточно, чтобы понять, какую роль они
играют. Увеличение количества приборов на самолете не
только усложняет пилотирование.
Не следует забывать и о стоимости приборов. А она за
последние десятилетия чрезвычайно выросла. Ее доля теперь
нередко составляет больше половины полной стоимости
современного саллолета.
Так, количество электронных узлов и деталей
американского бомбардировщика Б-17 выпуска 1940 года составляло
всего 2000; весь самолет обходился в 200 тысяч долларов.
А американский самолет выпуска 1960 года, Б-58 «Хастлер»,
имеет уже 97 000 электронных узлов и деталей, причем сто-
56
ммость одного только оборудования (а не всего самолета!)
приближается к 10 миллионам долларов.
Но дело не только в сложности пилотирования и
стоимости оборудования. Пожалуй, куда важнее, что с
усовершенствованием самолета и аппаратуры резко усложняется и
удорожается эксплуатация. Так, затраты на эксплуатацию
самолета Б-17 составляли примерно 19 тысяч долларов, а
стоимость обслуживания Б-58 достигла колоссальной суммы —
более 500 тысяч долларов. Чтобы обеспечить всего лишь
час полета этой современной машины, приходится
затрачивать 50 человеко-часов напряженной работы во время
предполетной подготовки.
Срок жизни совредленного самолета составляет примерно
2000 летных часов. Значит, на предполетное обслуживание
в течение всего срока службы затрачивается 100 тысяч
человеко-часов или 55 человеко-лет квалифицированного труда.
Это на один самолет. А ведь авиационные флоты промышлен-
но развитых государств насчитывают многие тысячи
самолетов. И следовательно, только на обслуживание самолетов
должны затрачиваться усилия десятков тысяч квалифициро-
ваннейших рабочих, техников, инженеров.
Слов нет, их труд необходим и полезен. Но было бы
гораздо лучше, если бы для обслуживания самолетов не
требовалось так много людей, а их труд можно было
использовать на заводах, фабриках, в сельском хозяйстве. К
сожалению, пока еще везде: в промышленности, связи, торговле,
военной технике, на транспорте — приходится отвлекать на
ремонт и обслуживание машин великое множество людей.
Возникает порочный круг. Мь\ стремимся освободиться от
нетворческого, непроизводительного труда; N\b\ не желаем
быть придатками машин, мы хотим повелевать ими. Для
этого мы вводим автоматизацию, создаем все более сложные
автоматические системы. Но надежность их работы пока еще
так низка, что приходится содержать целую армию
ремонтников и эксплуатационников, которые не только не
повелевают машинами, но, по существу, являются их слугами.
Что же будет дальше? Если инженеры не научатся делать
новые машины безотказными, все большему количеству
специалистов придется идти в услужение к своим детищам. И
невольно спрашиваешь себя: а не настанет ли такое время,
когда машины поработят нас, превратят в своих слуг? И не по
злой воле, не от большого ума, а просто потому, что без
нашего наблюдения не смогут работать. Это куда страшнее,
чем бунт мыслящих машин, о котором так любят рассуждать
иные фантасты. Страшнее потому, что проще, реальнее.
И все-таки думается, такое время никогда не наступит. Но
57
уже пришло время, когда повышение надежности
технических устройств стало з технике проблемой № 1, одной из тех
проблем, что вызвали к жизни бионику. И в этом нет ничего
странного. Ведь самые сложные из известных людям
систем — они сами и многие животные. И хотя живые
машины сделаны не из стали, а всего лишь из сравнительно
непрочного строительного органического материала, они
исключительно надежны. Узнав способы, которыми
пользовалась природа, повышая надежность своих созданий,
инженеры сумеют достигнуть новых успехов в деле повышения
надежности машин.
Собственно, инженеры всегда уделяли большое
внимание безотказности своих детищ. Они всегда старались
сделать их прочными и надежными. Но раньше, даже если
какое-то устройство или машина изредка ломались, особой
беды не было, во-первых, потому, что машин было не так уж
много, а во-вторых, потому, что поломки только в редких
случаях, да и то по небрежности, приводили к тяжелым
последствиям. Как правило, на починку всегда хватало времени.
Теперь положение изменилось, отказ в системе управления
самолетом, кораблем-спутником, мощным генератором
недопустим хотя бы потому, что нет времени его
исправить.
Да, время в технике теперь стало дороже всего. Здесь оно
измеряется на миллионные и даже миллиардные доли
секунды. В том мире, в котором живут инженеры, время мчится с
громадной скоростью. И это, пожалуй, главное, что отличает
его от мира живописца, актера, музыканта, садовода,
учителя.
ЭКОНОМИЯ И ЕЩЕ РАЗ ЭКОНОМИЯ
Не только проблема надежности тревожит инженеров. Не
менее заботят их и вопросы экономии. Собственно, и в
проблеме надежности огромную роль играет экономическая
сторона. И мь\ уже на примере авиации знаем, сколько
растрачивается понапрасну человеческого труда, когда машины
недостаточно надежны.
Но не только надежностью определяется экономия.
Если вам приходилось бывать на гидроэлектростанциях, на
металлургических заводах, вы, вероятно, не раз были
поражены огромностью плотины, домны, конвертора, прокатного
стана, турбины... Глядя на плотины, шлюзы, океанские
корабли, понимаешь, что размеры их не случайны, что они цели-
58
ком оправданы назначением этих гигантских сооружений и
машин.
Среди вас есть и те, кому удавалось воочию или хотя бы
в кино увидеть электронные вычислительные машины.
Некоторые из этих машин занимают много места, для них даже
отводят специальные помещения. Большие размеры
вычислительных машин не продиктованы их сущностью, просто их еще
не всегда умеют делать маленькими. Но недалеко то время,
когда электронные вычислительные машины с теми же
математическими способностями станут гораздо меньше —
величиной со стол или даже небольшой чемодан. Такие машины,
конечно, пригодятся геологам, морякам, полярникам, их
смогут устанавливать на самолетах и космических кораблях.
Мы знаем, что в самолете крайне мало свободного места,
здесь на счету каждый кубический сантиметр, каждый грамм.
Ведь на перевозку одного только грамма на протяжении
всего срока службы самолета расходуется очень много
горючего, а каждый лишний кубический сантиметр, занимаемый
аппаратурой, уменьшает и без того небольшой полезный объем
самолета. Не менее строго относятся к экономии веса и
объема и строители подводных лодок. Но особенно придирчивы
конструкторы аппаратуры для ракет, спутников и
космических кораблей. Здесь каждый лишний грамм оборачивается
огромным увеличением стартового веса ракеты.
Экономия места, экономия веса. Это невероятно трудные
задачи. А их правильное решение обычно усложняется еще
и тем, что уменьшение размеров и веса любых технических
устройств, как правило, приводит к снижению надежности,
прочности и к удорожанию. В этом заключается одно из
вечных противоречий техники. И до чего трудно находить такие
решения, которые позволяли бы уменьшать вес и размеры
и в то же время повышали бы надежность, качество работы
и удешевляли бы изделие. Как ни трудно решать
одновременно эти противоречащие друг другу задачи, инженеры не
отступают. Борьба за экономию веса и объема, особенно в
электротехнике и радиоэлектронике, ведется уже много лет,
и в ней одержаны крупные победы. За последние годы
удалось значительно уменьшить многие устройства, начиная с
радиолокаторов, электронных вычислительных машин и
приборов управления ракетами, кончая переносными
радиоприемниками. Уменьшение размеров и веса важно не только с
точки зрения экономики. Оказывается, чем меньше размеры
аппаратуры, тем больше открывается новых, подчас
совершенно неожиданных областей ее применения.
Так, уменьшение радиопередатчиков помогло медикам и
биологам. Был создан специальный прибор для исследования
59
кишечника, названный «радиопилюля». Радиопилюля
представляет собой капсулу величиной с обычную пилюлю,
внутри которой помещен крохотный радиопередатчик,
миниатюрная электрическая батарейка — внучатая племянница
вольтова столба — и датчики. Орнитологи — зоологи, изучающие
птиц,— тоже воспользовались достижениями
радиоэлектроники; они смогли укреплять на птицах миниатюрные, но
достаточно мощные радиопередатчики и следить за полетами
голубей и некоторых других птиц.
Итак, экономия места, экономия веса, В одних случаях
такая экономия позволяет применить новое устройство в тех
областях, где раньше это было попросту невозможным, в
других — ввести какие-то полезные устройства, которым раньше
не хватало места, в третьих — сберечь энергию, в
четвертых — уменьшить вес и размеры системы в целом. И всегда
снижение размеров и веса позволяет уменьшить расход
материалов, требующихся для изготовления машин и устройств,
и подчас очень дорогих.
Наибольших успехов на этом пути добилась
радиоэлектроника; вес и размеры радиоэлектронных устройств за
последние десять лет удалось уменьшить не на проценты, как зо
многих других областях, а во много, иногда в сотни раз.
Совсем недавно, еще в сороковые годы, основными
деталями всех без исключения радиоэлектронных устройств
были радиолампы, сопротивления, конденсаторы, катушки
индуктивности, трансформаторы. Примерно такие, какие и
сегодня можно увидеть в большинстве телевизоров и ламповых
радиоприемников. Сопротивлениями, трансформаторами,
конденсаторами широко пользуется и электротехника, правда
совсем иными по конструкции. Но тем, что делало
электронику столь могущественной, что отличало ее от электротехники,
была электронная лампа, единственный в своем роде и,
казалось, ничем не заменимый чудеснейший прибор, перед
которым меркнут тысячи ламп Аладдина. И недаром вся нозая
область техники была названа в честь этого волшебного
прибора электроникой.
Размеры электронных ламп, конденсаторов,
сопротивлений, катушек до начала пятидесятых годов определялись
отчасти их электрическими свойствами, отчасти —
возможностями материалов, из которых их изготовляли, но, пожалуй,
глазным образом размерами самого человека, величиной его рук,
возможностями зрения и осязания. Ибо изготовление этих
деталей и сборка аппаратуры из них производились вручную.
Приборы получались громоздкими, тяжелыми, и, что не
менее важно, для их работы требовалось много
электрической энергии. Но хотя сегодня эти приборы показались бы
60
несовершенными, они единственные открыли небывалые
возможности для науки и техники. С их помощью
экспериментаторы смогли исследовать явления, которые никакими
другими известными способами изучать невозможно. В то время
выбор деталей и ламп был невелик, и поэтому научная,
радиолокационная, связная аппаратура, вычислительные
машины, телевизоры, автоматические регуляторы работы
ядерных реакторов и множество других приборов изготовлялись
в основном из одинаковых деталей.
Но время не ждало. Новые задачи все более
усложнялись. Усложнялась и аппаратура, хотя ее по-прежнему
приходилось собирать все из тех же основных деталей. Размеры
приборов росли, непомерно увеличивался их вес, все больше
электроэнергии требовалось для работы. Надежность падала.
Трудно сказать, что было бы дальше. К счастью, в
начале пятидесятых годов были созданы новые устройства:
полупроводниковые диоды и транзисторы — долговечные
миниатюрные собратья электронных ламп. Они были
настолько меньше своих предшественниц и потребляли так
мало электроэнергии, что стало попросту смешно использовать
совместно с ними прежние громоздкие конденсаторы,
сопротивления и другие детали. Сразу стало ясно, что простая
замена радиоламп крохотными транзисторами не даст
большой экономии веса и объема. Экономия станет значительной,
только когда все детали сделают соответствующими
размерам и мощности транзисторов. И такие детали вскоре были
созданы.
Это было лишь началом. В наши дни появляется столько
новых деталей, выполненных из полупроводниковых и
магнитных материалов, что
инженеры едва успевают
разобраться в одних, как им на
смену приходят новые.
Время в мире
электроники еще более убыстрило
свой бег.
Казалось, еще вчера в
кассетницах монтажниц
лежали разноцветные
цилиндрики сопротивлений,
блестящие цилиндрики и
разноцветные пуговички
конденсаторов, а над столами висели
катушки с разноцветными
монтажными проводами.
Монтажницы ловко брали
пинцетами из кассетниц нужные детали, укрепляли их в
схеме и припаивали проволочные выводы. Сегодня паяльник,
кусачки, пинцет уходят на покой. Они слишком
несовершенны, слишком громоздки и грубы для новых крохотных
деталей. Да и сам метод сборки электронных схем из отдельных
деталей начинает выходить из употребления. Все чаще вместо
отдельных деталей и транзисторов начинают изготовлять
целые схемы из малюсеньких кусочков полупроводниковых
кристаллов. На рабочих местах бывших монтажниц появились
микроскопы.
И все-таки, несмотря на огромные успехи в деле создания
новейших деталей и узлов электронных устройств, главная
битва еще впереди. И в ней решающая роль будет принадлежать
бионике. Вот несколько примеров того, насколько жизая
природа опередила технику в деле экономии размеров и веса.
Как вы помните, основным элементом нервной системы
является нервная клетка — нейрон. Рабочие характеристики
нейрона очень напоминают характеристики триггера, одного
из основных радиоэлектронных элементов вычислительных
машин и других электронных устройств. Триггер представляет
собой электронную схему из нескольких сопротивлений и
двух ламп или транзисторов. Подобно тому как нейронные
цепи образуют сложные сочетания рефлекторных дуг
нервной системы, триггерные цепи могут образовывать сложные
сочетания «рефлекторных дуг» автоматов.
Так, в радиолокационном автомате, предназначенном для
наведения боевой ракеты на самолет и разработанном в
конце прошлой войны в Германии, содержалось, не говоря уже
о большом количестве механических деталей и источнике
энергии, множество радиоламп, реле и других элементов
автоматики. Такой автомат весил десятки килограммов.
А вот другой «автомат», на сей раз — живой. Он весит
доли грамма и может выполнять множество сложнейших
работ, строить соты, находить дорогу к цветущим растениям и
обратно, указывать дорогу к добыче своим собратьям,
выводить потомство, защищать и убирать свое жилище. Вы уже
догадались, что это пчела. Ее тоже можно назвать
автоматом, ибо она не действует разумно. В нервном центре пчелы
насчитывается всего 900 нейронов (а у муравья и того
меньше—250!).
Если бы инженеры попытались создать автомат, умеющий
делать все то же, что и пчела, то он оказался бы огромным,
тяжелым и, разумеется, ненадежным. Но самым
разительным примером преимущества живой природы над
современной техникой является мозг человека. В нем нейронов
полтора десятка миллиардов. Если бы инженеры задумали создать
62
электронную модель мозга на современных деталях и
современными конструктивными методами, размеры модели
оказались бы гигантскими, а для ее работы понадобилась бы
энергия от сравнительно мощной электростанции.
В уменьшении размеров электронных деталей огромная
роль всегда будет принадлежать физике. Эта наука уже
сегодня обещает значительно уменьшить размеры электронных
устройств. Так, по некоторым предположениям, удастся
создавать схемы, в которых плотность размещения элементоз
будет составлять 5 миллиардов в одном кубическом
сантиметре. Но только бионика сможет подсказать инженерам, по
каким схемам соединять эти элементы, чтобы, используя
всего лишь несколько сотен, можно было строить автоматы, не
уступающие пчеле рабочими качествами, надежностью и
экономичностью.
„КВК"
Кроме экономии веса, объема, материалов, заботит
инженеров экономия энергии. Пока аппаратуры было мало,
почти всегда можно было мириться с тем, что она расходует
неоправданно много энергии; но теперь, когда без электронной
аппаратуры не может обойтись ни бухгалтер, ни хирург^ ни
рабочий, ни военный, ни домашняя хозяйка, а в каждой
научной лаборатории стенды ломятся от электронной
аппаратуры, положение резко изменилось.
Возьмем, к примеру, одну из самых популярных
телевизионных передач — «Клуб веселых и находчивых», или
сокращенно «КВН».
Приближается день выхода в эфир. На Московском
телецентре делаются последние приготовления: режиссеры и
редакторы, жюри и команды, операторы и осветители,
инженеры и техники еще и еще раз проверяют, все ли в порядке,
все ли готово. Наконец наступает вечер. Теперь миллионам
телезрителей остается только включить телевизоры, и
волшебный экран перенесет их в зал веселых соревнований.
Но действительно ли все готово? Конечно! Ведь никогда
еще не случалось, чтобы зрители оставались без
телевизионных передач. Да, все в порядке. Но это заслуга не только
телевидения. Само телевидение не могло бы существовать без
энергетики, без электростанций, которые, подобно сердцу, не
имеют права останавливаться ни на миг. Мы должны быть
благодарны всем работникам фабрик электричества и генералу
от энергетики — дежурному диспетчеру энергосистемы. У се-
63
бя на диспетчерском пункте он не будет смотреть «КВН», но
и он готовится к передаче: он тщательно продумывает, от
каких станций можно взять электроэнергию. Ведь для того
чтобы в миллионах домов одновременно светились голубые
экраны, требуется вся мощность нескольких крупных
электростанций. Чтобы мы могли посмотреть одну лишь
передачу «КВН», надо сжечь тысячу тонн каменного угля. Тысячу
тонн того, что некогда было деревьями, что пролежало в
земле миллионы лет и безвозвратно превратится в золу и дым,
тысячу тонн времени и солнечного света, спрессованных в
черный камень.
Не слишком ли большая плата за незинное телевизионное
развлечение?!
А сколько же мы будем сжигать угля, когда телевизоров
станет в десятки раз больше? Инженеры думают об этом.
Вскоре телевизоры начнут изготовлять полностью на
транзисторах. Такие телевизоры будут потреблять значительно
меньше электроэнергии. Экономия получится благодаря
отказу от электронных ламп, ибо они самые большие
потребители энергии в электронике.
Так, для работы всего лишь трех электронных ламп,
установленных в каком-нибудь из самолетных приборов, на
протяжении всего срока службы самолета расходуется лишних
пятьдесят литров бензина. А ведь на крупных самолетах не
три, не тридцать, а многие сотни электронных ламп. В
ламповой же электронной вычислительной машине их
насчитывалось многие тысячи. При работе такой машины
расходовалось столько же электроэнергии, сколько необходимо для
освещения пятидесятиквартирного дома.
Зато мозг — самая большая, самая совершенная
«вычислительная машина» — потребляет всего 20 ватт, то есть
столько же, сколько
небольшая электрическая лампа.
И в этом есть чему
поучиться у природы.
Уголь, нефть, газ
лучше сохранить для
будущего. Ведь Земля по
крохе, по капельке
собирала эти бесценные
сокровища в своих недрах.
А мы сжигаем их в
топках, плавильных печах, в
двигателях. Нынче газ,
нефть, уголь дают нам
почти всю необходимую
энергию. Но все большее число атомных электростанций
вступает в строй, и физики уверенно говорят о скором
приближении тех времен, когда основным источником энергии
станет термоядерная реакция. Будем надеяться, что эти
времена придут раньше, чем истощатся запасы угля, нефти и
газа— драгоценнейшего сырья для производства разных
замечательных товаров.
Вот почему нужна строжайшая экономия. Мы должны
экономить уже потому, что наши потомки будут знать куда
больше нас и сумеют лучше распорядиться дарами природы.
А кроме того, мотовство никого не приводило к добру.
И когда придет пора ядерной энергетики, государства-моты
будут в отчаянии обшаривать опустошенные недра, ибо
самыми богатыми и процветающими окажутся те государства,
которые сумеют сохранить нерастраченными свои угольные,
нефтяные и газовые запасы.
Вот главное, во имя чего следует экономить.
Честно говоря, инженерам не всегда есть время и охота
задумываться об исторических целях экономии энергии.
К счастью, в согласии с историей действуют и чисто
технические цели, заставляющие инженеров, особенно инженеров-
энергетиков, электриков и электроников, соблюдать режим
самой жесткой экономии.
Представьте себе тех, кто будет конструировать и
снаряжать космический корабль первой экспедиции на Марс. О чем
только им не придется заботиться: о воздухе, о воде и пище,
медикаментах и одежде, о книгах и кинофильмах, о десятках
научных приборов, о запасных частях для самой ракеты и для
приборов и о великом множестве других вещей. Но самой
бдительной будет забота об энергии. Потому что экспедиция
может состояться только в том случае, если запасов энергии
хватит на путь к Марсу, на работу экспедиции, на
возвращение назад. Но космический корабль не может быть таким же
большим, как дизель-электроход «Обь», доставляющий
экспедиции полярников в Антарктиду. Запасов топлива на борту
корабля марсианской экспедиции будет очень мало, даже
если это будет ядерное топливо. Но и это еще не все. Ведь
если топлива не хватит в Антарктиде, его с большим или
меньшим трудом можно доставить в течение нескольких дней,
доставить же топливо на Марс даже в самом лучшем случае
можно только через много месяцев. Понятно, что энергию
придется расходовать с такой же скупостью, с какой
расходует последние глотки воды путник, заблудившийся в
раскаленной пустыне.
Мы уже говорили, что транзисторы позволяют экономить
объем и вес аппаратуры. Но они замечательны еще и тем,
3 Инженер и природа
65
что расходуют значительно меньше электроэнергии, чем
радиолампы. Множество обладателей «Спидол», «Атмосфер»,
«Соколов», «Транзисторов» и других радиоприемников на
полупроводниках уже успели убедиться в этом. Но и обычным
транзисторам далеко до идеала, и электроники изобретают
новые и еще более экономичные устройства. Только создав
аппаратуру, которая будет расходовать в тысячи и даже,
может быть, в десятки и сотни тысяч раз меньше энергии, чем
нынешняя, человек сумеет совершать дальние космические
перелеты.
Когда вы видите пролетающий в небе спутник, когда
встречаете на Земле вернувшихся из полета космонавтов,
вспомните тех, кто на Земле готовил космический полет,
вспомните, сколько усилий потратили они, чтобы сэкономить вес,
объем, энергию. Во имя экономии они не жалели ни труда,
ни времени. А время инженера особенное, и не так уж много
у него даже этого, особенного, времени.
ВЕЧНЫЕ СТУДЕНТЫ
Но как ни мало времени у инженеров, они не только
работают на заводах, в конструкторских бюро,
научно-исследовательских институтах, они еще и непрерывно учатся.
Инженеры — вечные студенты, потому что без постоянного учения
ни один из них, как бы ни был он талантлив, не сможет
добиться успеха.
Пополнять знания приходится не по учебникам: то, что
хочет знать инженер, еще не описано там. По горячим следам
идет он за наукой, по крупицам выискивает необходимые
сведения в десятках и сотнях журналов, изданных в разных
странах. Только здесь, может быть, отыщется то, что нужно
сегодня, то, без чего трудно сделать новый шаг в технике.
И когда пришло время кибернетики, первыми без лишних
слов ее начали изучать инженеры. Философы и ученые еще
спорили о ней, жаркие дискуссии о том, нужна ли
кибернетика вообще, завязывались там и сям, а инженеры уже
делали первые попытки воспользоваться помощью кибернетики
при решении практических задач.
Случайно ли это? Нет. Сама жизнь заставляла инженеров
поступать так. Жизнь не ждала и нужно было неуклонно
обновлять и совершенствовать машины, автоматические цеха,
автоматизировать такие процессы, которые раньше были либо
совсем неосуществимы, либо медленно и неточно
выполнялись людьми. Во все времена инженеры были готовы принять
66
помощь любой науки, как бы она ни называлась, какие бы
споры вокруг нее ни шли, лишь бы эта наука действительно
помогала им. Но дело не только в этом. Инженеры, уже
хорошо знавшие теорию автоматов, не сомневались в
кибернетике. Им было легче чем кому бы то ни было освоить ее
идеи, ведь они прямо связаны с идеями теории автоматов,
потому что многие автоматы, которые иной раз мы слишком
поспешно называем кибернетическими, были созданы
инженерами за несколько лет до того, как родилось слово
«кибернетика» '. Ведь идеи кибернетики, как мы говорили, носились
в то время в воздухе, и многое из того, что вошло в новую
науку, было уже известно или предчувствовалось
инженерами. Иначе и не могло быть: то, что породило кибернетику —
совершенные автоматические системы: радиолокаторы,
зенитные и бомбовые прицелы, электронные вычислительные
машины, первые цеха-автоматы и многие другие, создавались
силами инженеров, и не могли не вызывать у них мыслей,
сходных с мыслями основателей новой науки.
Пока инженеры работали, философы спорили. Дискуссия
о том, подлинная ли наука кибернетика или лженаука, быть
может, продолжалась бы и по сей день, если бы ее раз и
навсегда не решила жизнь. Идеи и методы кибернетики
направили по совершенно новому пути многие исследования,
помогли сделать новые важные открытия.
Практика, опыт — единственные надежные контролеры,
проверяющие истинность любой науки,— приняли
кибернетику на вооружение.
1 Это слово не впервые появилось в науке. Еще Ампер, составляя
перечень наук, воспользовался им, но придавал ему иной смысл.
67
Где бы ни применяли кибернетику — в автоматике, связи,
экономике, биологии и медицине, лингвистике, военной
технике, она всюду позволяла ставить и решать такие задачи, о
которых раньше невозможно было и помыслить. Наука и
техника обязаны ей тем, что поднялись на новую вершину.
Противники кибернетики стихли. Казалось, для новой
техники нет преград. За что ни брались инженеры, все было им
по силам. Но постепенно, одна за другой, начали возникать
трудности. С годами их накапливалось все больше, и спустя
двадцать лет после рождения новой науки практика, опыт
подают первые сигналы о том, что кибернетика не
всеобъемлюща, не всемогуща. И говорят об этом не противники
кибернетики, а те, кто активно участвовал в развитии этой
науки и непрерывно прибегает к ее помощи, создавая новые
машины, проводя новые научные исследования. По мнению
этих людей, современная кибернетика не в состоянии
объяснить некоторые важные явления, открытые в живой природе,
и они считают, что только новые идеи помогут кибернетике
развиваться дальше.
Прочитав это, некоторые, быть может, решат, что
кибернетика и вовсе устареет. Однако такой вывод неверен.
Почти три века назад создал свою механику Ньютон.
Двести двадцать лет — до 1905 года — она была единственной
и считалась непререкаемой. Все механические явления,
известные в то время, даже движение планет, подчинялись
законам Ньютона. Но в конце XIX века были открыты первые
явления, которых ньютоновская физика объяснить уже не
могла. Это удалось сделать новой физике, физике Эйнштейна.
Эйнштейновская механика не отменила ньютоновской;
новые законы не опровергают старых, наоборот, они
подтверждают их, но одновременно указывают и те области, где
старые законы справедливы, и те области, в каких надо
пользоваться новыми. Законы Ньютона, которые почти три века
изучают школяры всех стран, будут служить нам вечно;
опираясь на них, мы будем рассчитывать и корабли, и самолеты,
и ракеты, и траектории межпланетных перелетов и многое
Другое.
Видимо, так будет и с кибернетикой. Новая кибернетика
не отменит нынешней, она углубит ее, обогатит новыми
идеями; укажет границы, в которых справедлива нынешняя
кибернетика.
Пока ньютоновская физика не столкнулась с серьезными
трудностями, все верили, что она может все; и ллир казался
ученым и инженерам простым и ясным, как сами законы
Ньютона. Когда возникла кибернетика, инженерам и ученым
тоже казалось, что она может объяснить все процессы пере-
63
работки и передачи информации. Они уверовали в нее
полностью и не сомневались, что смогут строить
совершеннейшие автоматы, совершеннейшие ллашины, которые
превзойдут все, что было создано природой.
Словом, они считали, что у природы им учиться нечему.
А идею кибернетики о том, что между живой и неживой
природой нет непроходимой пропасти, понимали так, что
принципы действия создаваемых ими машин могут объяснить
работу любой живой машины.
Инженеры действительно создали многое, чего нет в
живой природе. И бесспорно, им есть чем гордиться. И еще
совсем недавно, каких-нибудь десять лет назад, они смотрели
на природу примерно так, как смотрит старшеклассник,
освоивший алгебру, на братишку-пятиклассника, корпящего над
арифметической задачкой; старшеклассник еще не забыл о
днях, когда и сам бился над той же задачей, он любит
братишку, но все-таки относится к нему чуточку свысока и
считает себя гораздо более умным.
Инженеры ошибались. Они односторонне понимали идею
общности процессов переработки и передачи информации,
процессов управления в живом и неживом автоматах.
Эта ошибка теперь исправляется инженерами. Многие из
них стали студентами в великом университете природы,
сделались ярыми приверженцами бионики.
Имена основоположников кибернетики назвать нетрудно.
Они хорошо известны. А вот имена первых биоников не
известны. Эта наука родилась как бы сама по себе, сразу во
многих местах. И невозможно назвать того, кто первым
убедительно сказал о том, что инженерам есть чему поучиться у
живой природы, что
природа уже давно решила
многие задачи, над
которыми теперь безуспешно
бьются в технике. Быть
может, первым сказал
это биолог, быть
может,— инженер. Но
скорее всего, как и в случае
кибернетики, мысль эта
возникла в результате
дружбы и глубоких
взаимных интересов
инженера и биолога; в поисках
решения какой-то задачи,
которая в равной мере
была интересна и биоло-
гу и инженеру. Ведь новую науку не придумывают, приставив
палец ко лбу; человек по природе расчетлив и не станет делать
того, что не является необходимым. Новое всегда родится в
мучительных поисках выхода из тупика, в который рано или
поздно заводят науку или технику старые воззрения и методы.
Но, как и кибернетика, бионика зародилась под влиянием
хорошо известной и ставшей уже простой мысли, только
она теперь выражалась немного иначе: нет непроходимой
пропасти между живой и неживой машиной; все, что может
сделать живая машина, может сделать и неживая машина; а
если это тан, то стоит внимательно изучать живые машины—
на этом пути могут встретиться удивительные находни.
Однако от этой мысли, выраженной в такой общей форме,
перейти к конкретным действиям очень трудно. Одно дело —
утверждать, что общность существует, другое — найти ее.
РАДИОЛОКАТОР И ЛЕТУЧАЯ МЫШЬ
Радиолокаторы были созданы еще перед второй
мировой войной. К началу войны Советский Союз, Англия, США и
противник — фашистская Германия уже располагали
радиолокаторами различных типов.
Идея радиолокации проста. Она может быть выражена
хорошо известной вам задачей:
«Из пункта А в пункт В выехал путешественник. Достигнув
пункта В, путешественник тотчас же пустился в обратный путь
и вернулся в пункт А через t часов.
Найти расстояние между пунктами А и В, если известно,
что скорость путешественника всегда постоянна и равна V,
а пункты А и В находятся на концах отрезка прямой».
Задачу эту на бумаге легко решит любой пятиклассник, а
на практике ее решает совершеннейшая отрасль техники,
радиолокация. Правда, в радиолокации условия задачи
формулируются несколько иначе. Вот, примерно, как они выглядят,
когда от инженеров требуется создать радиолокатор для
обнаружения самолетов:
«Известно местоположение локатора (пункт А).
Местоположение самолета (пункт В) неизвестно. Известно, что в
воздухе и в вакууме радиоволны распространяются строго
прямолинейно со скоростью 299 776 километров в секунду.
Требуется в любое время суток, в любое время года, в
любую погоду и в любой обстановке обнаружить одиночный
самолет или группу самолетов, определить до них расстояние
и определить направление на эти самолеты».
70
Идея локатора столь очевидна, что даже трудно назвать
того, кто первый высказал ее. И в каждой стране чтут
своего изобретателя радиолокации. Но, как бы то ни было,
основная идея была известна инженерам задолго до войны.
Однако претворить ее в практику долгое время не удавалось.
И войскам противовоздушной обороны приходилось
применять для обнаружения самолетов громоздкие и очень
неточные звукоулавливатели, которые по звуковым волнам,
излучаемым моторами и винтами самолета, позволяли определять
направление (но не расстояние!) на услышанный самолет.
С грехом пополам звукоулавливателями можно было
пользоваться, покуда скорость самолетов не стала сравнимой со
скоростью звука. Звук начал запаздывать настолько, что
точно определять направление на скоростной самолет с
помощью звукоулавливателя стало невозможно \
Инженеры понимали, в чем состоит порок
звукоулавливателей, но приступить к созданию радиолокаторов смогли
лишь после того, как радиотехника научилась генерировать
и излучать очень короткие радиоволны длиной от двух-трех
метров до единиц сантиметров. Чтобы генерировать и
излучать такие короткие волны, потребовалось значительно
усовершенствовать и изобрести новые типы электронных ламп,
научиться строить антенны совершенно иных типов. Это
было трудным делом, и первых успехов радиотехника добилась
только в самом конце тридцатых годов.
Такие короткие волны обладают несколькими
замечательными свойствами. Первое из них состоит в том, что
радиоволны можно посылать в пространство узким, направленным,
подобно лучу прожектора, пучком. Это делается с помощью
специальных антенн, часто напоминающих своей формой
прожектор.
Узкий «прожекторный» луч радиоволн позволяет весьма
точно определить направление на обнаруженный самолет. Но
такой луч «освещает» очень малый участок пространства, и
чтобы отыскать самолет, небо приходится буквально
обшаривать лучом радиоволн. Если на его пути не встречаются
препятствия, луч уходит и не возвращается назад. Но,
наткнувшись на самолет, он отразится, и к антенне радиолокатора
вернется часть (ничтожная) энергии радиоволн. Здесь
отраженный радиосигнал будет усилен в радиолокационном
приемнике.
Как же измерить длину радиолуча между самолетом и
1 Скорость звуковых волн в воздухе равна примерно 330 метрам в
секунду. Максимальная скорость истребителей в начале войны достигала
170 метров в секунду.
71
локатором, как найти ответ столь простой алгебраической
задачи?
На первый взгляд это совсем несложно. Скорость
радиоволн известна. И достаточно измерить время между отпрез-
кой радиолуча и приходом отраженного сигнала, чтобы
нейти ответ. Однако измерить время распространения радиоволн
туда и обратно оказалось совсем не просто. Ведь
радиоволны движутся с колоссальной скоростью, и поэтому
измеряемые отрезки времени крайне малы: миллионные доли
секунды. Точность же измерения времени должна составлять
стомиллионные доли секунды!
Не сразу сумели придумать и метод разделения и
различения посылаемого и отраженных сигналов. Это оказывалось
особо сложным еще и потому, что посылаемый
радиолокатором сигнал чрезвычайно силен, а принимаемые
невообразимо слабы. Когда же нашли выход из положения, он оказался
удивительно простым.
Каждому, наверное, не раз приходилось задавать
вопросы лесному или горному эхо.
«Кто сел на дива-а-ан?»
«...ива-а-ан»,— отвечает эхо.
«Кто украл хомуты-ы?»
И эхо снова отвечает. Можно придумать множество таких
шутливых вопросов.
Но почему эхо отвечает только последними слогами
вопроса? Почему оно не повторяет его целиком? Нет, оно
повторяет весь вопрос, звук за звуком. Просто мы не слышим
начала отзвука. Мы еще продолжаем кричать и сами себе
заглушаем вернувшиеся очень тихие в сравнении с криком
звуки. Но если коротко свистнуть или вскрикнуть, то мь\
услышим, как через несколько мгновений эхо полностью повторит
изданный нами звук.
Точно таким образом заставили работать и
радиолокатор. Передатчик радиолокатора излучает радиоволны
короткими, но мощными импульсами. Импульсы излучаются
один за другим через строго определенные промежутки
времени — паузы. Во время паузы локатор с помощью
приемника вслушивается в приходящие отраженные радиосигналы.
Длительность паузы вполне достаточна для того, чтобы к
локатору успел домчаться импульс, отраженный от самого
дальнего из самолетов, находящихся в радиусе действия
станции. Локатор как бы вскрикивает, а потом вслушивается в
приходящее слабое радиоэхо. Время в этом случае
измеряется просто: это интервал между началом посылки мощного
импульса и моментом прихода эхо-импульса. Второй
замечательной особенностью ультракоротких радиоволн являет-
72
ся то, что на этих волнах можно излучать особо короткие
радиоимпульсы, их длительность может составлять
десятимиллионные доли секунды, а в некоторых случаях, когда
требуется измерять расстояния с особо высокой точностью или
малые расстояния, длительность импульсов делают еще
меньшей.
Где и с какой целью применяется радиолокация?
Вначале радиолокация имела чисто военное назначение.
Прежде всего радиолокаторы начали применять для
обнаружения самолетов противника и вражеских кораблей. Сперва
локационные станции были тяжелы и громоздки, и их можно
было ставить только на суше или на больших кораблях. Но,
как всегда, инженеры боролись за снижение веса, за
экономию места и потребляемой энергии. И со временем были
созданы весьма компактные локаторы, которые можно было
размещать на самолетах. Сперва локаторы на самолетах
ставились только для того, чтобы обнаруживать и атаковать
вражеские самолеты. Потом инженеры создали очень простой
радиолокатор, так называемый «локатор защиты хвоста». Он
предназначен только для обнаружения самолетов,
заходящих для атаки сзади. Этот локатор предупреждал пилота о
том, что в хвосте пристраивается вражеский истребитель.
Сигналы летчик слышал в наушниках; это были звуки, высота
которых изменялась при изменении расстояния между
машинами. На крупных бомбардировщиках ставили еще один
локатор, который давал панораму местности под самолетом;
этот локатор являлся очень точным прицелом для
бомбометания.
Но борьба за экономию места, веса и энергии на этом не
кончилась. Были созданы совсем уж простые и такие
миниатюрные радиолокаторы, что их можно было помещать в
головки зенитных снарядов. Правда, локаторы-взрыватели
работали несколько иначе, но задачу свою они выполняли
отлично. Когда гитлеровцы стали пускать на Лондон
беспилотные реактивные снаряды «Фау-1», их вначале сбивали
истребители и зенитная артиллерия. Сперва зенитные снаряды
имели обычные взрыватели, которые подрывали снаряд через
определенное время. Время срабатывания взрывателя
устанавливалось солдатом из артиллерийского расчета перед
тем, как другой солдат вкладывал снаряд в орудие. Стрельба
такими снарядами была очень неточной. Чтобы сбить «Фау-1»,
приходилось расходовать десятки, а то и сотни снарядов, хотя
зенитные орудия уже наводились с помощью специальных
радиолокаторов — так называемых станций орудийной
наводки. А когда подоспели снаряды с радиолокационными
взрывателями, положение резко изменилось: только едини-
73
цам «Фау-1» удавалось прорываться к Лондону. Чтобы сбить
«Фау-1», требовалось уже не более пяти — десяти снарядов.
Гитлеровцам пришлось отказаться от посылки «Фау-1» на
английскую столицу.
В наши дни локаторы стоят не только на самолетах и
судах, они помогают следить за погодой, предсказывая
приближение штормов и ураганов; с помощью локаторов
наблюдают за перелетами птичьих стай, за спутниками и
космическими кораблями. Локаторы применяли для измерения
расстояний до Луны и некоторых планет, с помощью локатора
наблюдают за солнечной короной.
По существу, радиолокация — это новое средство,
небывало расширившее возможности человеческого зрения.
Теперь мы можем видеть и ночью и в тумане; мы можем
видеть на огромные расстояния и, что особенно важно, очень
точно измерять эти расстояния.
Мы уже знаем: основная идея радиолокации давно
известна инженерам. Они изобрели ее, ни у кого не заимствуя.
Мы знаем также, что одной лишь основной идеи было
недостаточно для практического, создания даже самого простого
радиолокатора. Локация — необыкновенно сложная область
техники. Чтобы радиолокационная станция работала так, как
того хотят инженеры, чтобы она могла обнаруживать цели
быстро, точно и на очень больших расстояниях, инженерам,
помимо основной идеи и основного принципа действия,
пришлось изобрести множество необыкновенно важных и
остроумных технических приемов, создать сложнейшие
устройства и приборы.
В этом они тоже полагались лишь на собственные силы
и никому не подражали. И вовсе не потому, что считали
подражание зазорным. Просто они даже не предполагали, что,
создавая локаторы, можно кому-то подражать, перенимать
у кого-то уже накопленный опыт. В те годы им и в голову
не могло прийти, что многие технические задачи, с которыми
пришлось столкнуться во время работы над
радиолокационными станциями, решены природой тысячи и даже миллионы
лет назад.
И, уж конечно, они не могли даже помыслить, что между
одним из самых совершенных творений инженерного гения и
крохотным пушистым зверьком — между радиолокатором и
летучей мышью — есть общее. Не догадывались об этой
общности и зоологи. Хотя, казалось бы, им следовало знать о
самых распространенных в мире млекопитающих — о
летучих мышах — все или по крайней мере самое главное.
Зоологам уже давно было известно, что летучие мыши отличаются
от всех других ночных животных тем, что могут ориентиро-
74
ваться в полной темноте. Однако, как делают это мыши, было
неизвестно. Загадку летучих мышей пытались решить на
протяжении полутора веков, но все попытки оказались
безуспешными.
В течение полутора веков загадка летучих мышей
называлась в науке «проблемой Спалланцани». И, быть может,
зоологи не решили бы ее по сей день, если бы инженеры,
никогда не слышавшие об этой проблеме, не изобрели локации
и чувствительных приборов, которые смогли обнаруживать и
регистрировать неслышимые человеком ультразвуки.
ПРОБЛЕМА СПАЛЛАНЦАНИ
Чтобы узнать об этой проблеме, ^лы снова возвратимся на
полтора века назад, в Павию, в университет, где в эти же дни
профессор Алессандро Вольта проводит первые проверки
опытов Гальвани.
Но на этот раз мы заглянем в другую лабораторию, к
замечательному естествоиспытателю Ладзаро Спалланцани
(1729—1799).
В то время в скромных лабораториях ученых не было
еще ни источников электрического тока, ни точных и
чувствительных приборов, и естествоиспытателям приходилось в
основном полагаться на внимание и наблюдательность, на
зрение и слух, обостренные горячей любознательностью, на
чуткость и умелость своих рук. Качества эти во все времена —
главные помощники ученого. Без них не помогут даже самые
совершенные приборы.
Биолог и физиолог Ладзаро Спалланцани, профессор
университета в Павии, был щедро одарен этими качествами. Как
и Гальвани, он умел ставить тончайшие эксперименты; как и
Гальвани, он ставил опыты над лишенными головного мозга
лягушками, и одним из самых первых наблюдал двигательные
рефлексы. Что бы ни изучал Спалланцани, ему всегда
удавалось открыть нечто важное.
Спалланцани первым доказал невозможность
самопроизвольного зарождения микроорганизмов; он внес важный
вклад в изучение процессов размножения; изучал
регенерацию конечностей саламандр и тритонов; одним из первых
исследовал процессы кровообращения, дыхания, пищеварения
у животных.
Об этих открытиях и научных заслугах Спалланцани
упоминается во всех энциклопедиях. Но очень редко говорят о
проблеме Спалланцани. И это не случайно, Она полтора
75
века ждала своего решения, и за эти полтора века многие
забыли о ней, а многие не придавали особого значения.
Как это часто бывает в науке, все началось с того, что, на
первый взгляд, каждому показалось бы чистой случайностью.
Но для настоящего естествоиспытателя случайностей не
бывает. В книгах об ученых всегда рассказывается о
случайностях: о счастливой мысли, пришедшей во время купания в
ванной; о падении яблока; о подергивании лягушачьих
лапок в грозу; о тысячах других счастливых случаев и
совпадений.
Но, конечно, причину открытий надо искать не в них.
Подлинный ученый, увлекшись какой-то научной проблемой,
отдает ей все свои мысли, всего себя. И тогда любое явление,
самое неожиданное, может натолкнуть его на открытие. В
поисках истины для ученого все не случайно, потому что он ищет
и находит закономерности. Конечно, ученому, как и любому
другому человеку, приходится ежедневно сталкиваться с
тысячами случайностей, но он или вовсе не замечает, либо
тотчас забывает их. Но если случай хотя бы очень отдаленно
связан с тем, что интересует ученого, с тем, что он ищет,
ученый не забудет его и не успокоится, пока не найдет ему
правильного объяснения.
С давних времен люди убеждены, что совы великолепно
видят в темноте. И действительно, зрение отлично служит сове
там, где человек не видит ни зги. Сова замечает
поверхности, светимость которых в десятки раз меньше светимости
поверхностей, еще различаемых человеком. Но хотя
чувствительность зрения сов и потрясающе велика, эти птицы в
полной темноте так же слепы, как человек, как и все другие
зрячие животные.
И вот случайности...
В одну из темных беззвездных ночей 1793 года в комнату
Спалланцани случайно влетела сова. Случайно она слишком
близко подлетела к свече, и взмахами сильных крыльев
мгновенно задула слабый огонек. В комнате стало гораздо
темней, чем под открытым неболл, и сова, неожиданно для
Спалланцани, ударилась о стену, наткнулась еще на что-то,
снова ударилась о стену. Она вела себя так, словно внезапно
ослепла.
Это сильно удивило Спалланцани — ведь он, как и все в то
время, считал, что совы видят даже в абсолютном мраке. Он
много раз, уже намеренно, повторил опыт с совами и
убедился, что совы действительно не видят в темной комнате.
Это был не известный ранее факт. Быть может, другой
этим и ограничился бы, но Спалланцани был подлинным
естествоиспытателем, он не мог остановиться на полдороге.
76
Ведь он знал, что, кроме сов, ночной образ жизни ведут и
летучие мыши. Громадные стаи этих зверьков гнездятся
в глубоких пещерах, куда не проникает свет.
В том же году Спалланцани провел опыты с летучими
мышами и примерно за год узнал о них столько нового,
сколько не удалось узнать всем другим исследователям за
последующие полтора века.
Вначале Спалланцани решил, что мыши видят в темноте
гораздо лучше сов и, разумеется, людей. Он делал самое
простое: закрывал глаза мышей, обвязывая им головы
непрозрачной тканью. И мыши действительно не могли
ориентироваться. Исследователю, менее внимательному, чем
Спалланцани, этого было бы довольно, чтобы убедиться, что летучая
мышь ориентируется при помощи глаз, зрения; что летучие
мыши превосходно, гораздо лучше сов, видят в темноте.
Однако ученый остался неудовлетворен своими опытами.
Интуиция натуралиста подсказывала ему, что повязка на
голове мыши могла помешать не только зрению животного.
Он решил ослепить несколько мышей. И тогда
обнаружился удивительный факт: переболев после операции,
ослепленные мыши летали как и прежде, не сталкиваясь ни со
стенами, ни с людьми, они по-прежнему могли охотиться за
мошками и ночными бабочками.
Спалланцани терялся в догадках, он не знал, как
объяснить удивительную способность летучих мышей видеть не
просто в темноте, но даже и тогда, когда их лишали глаз.
Загадка летучих мышей не давала Спалланцани покоя до
конца жизни. Уже незадолго до смерти ему удалось
установить, что мыши теряют способность «видеть», если им
закрывать рот или уши. Это было важнейшее открытие. Но оно
казалось настолько странным, что после смерти Спалланцани
никто не верил в достоверность этих «странных» фактов, а
потом они и вовсе затерялись в пропыленных и забытых
фолиантах. Способность летучих мышей стали объяснять тем,
что, приближаясь к препятствию, они ощущают повышение
давления воздуха, которое возникает при отражении от
препятствий воздушного потока, создаваемого крыльями мыши.
К сожалению, о «проблеме Спалланцани» зоологи знали
не так уж много. Большинство наблюдений и выводов,
сделанных Спалланцани, не было опубликовано.
В 1912 году мир потрясло известие о гибели «Титаника».
Этот громадный пассажирский корабль столкнулся в тумане
с айсбергом и затонул.
Инженеры многое слышали об опасностях, поджидающих
корабли в тумане, об угрозе столкновения с айсбергами. Но
как помочь морякам, они не знали. Трагическая гибель «Ти-
77
таника» заставила их снова искать пути и методы создания
приборов, которые помогали бы мореплавателям избежать
столкновений с айсбергами. Этим вопросом занялся и
знаменитый инженер Хирам Максим, изобретатель автоматического
оружия и, в частности, станкового пулемета «Максим», автор
огромного самолета с паровым двигателем, который
разбился при попытке к взлету. Хирам Максим предложил
устройство, предупреждающее о приближении к айсбергу. Объясняя
принцип действия этого устройства, Максим, первым после
Спалланцани, высказал мысль, что летучие мыши
ориентируются при помощи слуха. Первым сформулировал Максим
и принцип звуковой локации. Он считал, что летучая мышь
движением крыльев создает неслышимые для человека (не
для нее самой) звуки. Воспринимая отражение этих звуков от
препятствий, мышь выбирает направление полета.
Максим полагал, что частота колебаний звуков,
издаваемых мышью, совсем мала — всего лишь около пятнадцати
колебаний в секунду. Это было ошибкой. Максим забыл или не
знал свойств звуковых низкочастотных и
ультравысокочастотных волн. Подобно радиоволнам звуковые
низкочастотные или длинные волны хорошо огибают препятствия и плохо
отражаются от них. И наоборот, ультравысокочастотные или
ультракороткие звуковые волны, длина которых составляет
доли метра и даже доли сантиметра, хорошо отражаются от
препятствий. Предположение о том, что летучие мыши издают
ультразвуки, то есть звуки, длина волны которых очень мала,
было высказано несколькими годами позже. Но оно
оставалось непроверенным до 1938 года.
В том году студент-выпускник Гарвардского университета
Дональд Гриффин начал изучать летучих мышей. Он хотел
выяснить, как и почему совершают перелеты стаи этих
животных. О том, как мыши обнаруживают препятствия, он знал
не более того, что в те годы говорилось студентам на
лекциях: мыши чувствуют приближение препятствия крыльями.
Он слышал также предположение, что мыши издают очень
высокие звуки, на самом пределе слышимости человеческого
уха; частота этих звуков, по мнению некоторых, должна была
равняться 15—20 тысячам колебаний в секунду (длина волны
2,2—1,65 сантиметра).
Приступив к изучению летучих мышей, Гриффин нашел
поддержку в лице известного специалиста в области
радиотехники. Молодой естествоиспытатель получил от него
электронные усилители ультразвуков, и чудесные приборы сразу же
уловили ультразвуки, издаваемые мышами. И, разумеется, не
при помощи крыльев, а ртом. Но Гриффин решил, что эти
звуки играют ту же роль, что и звуки, издаваемые птицами и
78
другими животными, то есть что они служат летучим мышам
для сигнализации.
Только после окончания второй мировой войны, когда
идеи локации стали широко известны и когда были созданы
новые значительно более совершенные электронные
приборы для научных экспериментов, Гриффину удалось выяснить
роль ультразвукоз в жизни летучих мышей. Многолетние
исследования позволили ему доказать, что зрение в жизни
летучих мышей почти не играет никакой роли. У многих видов
этих зверьков зрение совсем плохое, а глаза им заменяют
поразительные по своему совершенству органы эхолокации,
которые позволяют им жить, летать и охотиться там, где царит
полная темнота, где глаза были бы попросту бесполезны.
Вот каким непростым оказалось решение проблемы Спал-
ланцани.
УЛЬТРАЗВУКОВОЕ „ЗРЕНИЕ"
Открытие Гриффина запоздало, оно ничем не помогло
инженерам. Напротив, инженеры помогли Гриффину сделать
открытие: без чувствительных электронных приборов Гриф-
фин не смог бы наблюдать за летучими мышами, а если бы
инженеры не изобрели локации, он не сумел бы правильно
истолковать свои наблюдения.
Инженерам, разумеется, было особенно интересно узнать,
что природа тоже создала локатор, что, решая ту же задачу,
она шла сходным путем. Сходство это утвердило инженеров
в правильности принятых ими решений и, быть может,
оказалось самым первым и наглядным доказательством того, что
между живой и неживой машинами нет не только
непроходимой пропасти, но есть масса общего.
Но другая, казалось бы столь же очевидная мысль, что
природа могла превзойти инженеров, что органы звуколока-
ции летучих мышей более совершенны, чем локаторы,
родилась не сразу. Прошло немало времени, прежде чем
инженеры присоединились к биологам и начали серьезное изучение
органов звуколокации этих зверьков.
Летучие мыши распространены почти по всей земле.
Некоторые питаются кровью других животных и плодами
растений; другие, пользуясь своим локатором, охотятся на рыб,
подплывающих в ночные часы близко к поверхности воды;
но большинство летучих мышей насекомоядные. Пользу,
которую приносят насекомоядные летучие мыши, невозможно
исчислить, столь она велика. В благоприятных условиях в стае
79
летучих мышей (одной стае!) могут насчитываться многие
миллионы и даже десятки миллионов зверьков 1. Всего на земле
более 800 видов летучих мышей. Они действительно самые
распространенные на свете млекопитающие.
Подлинно бионическое изучение эхолокации у летучих
мышей, как уже говорилось, началось сравнительно недавно.
И вполне возможно, что мы еще не знаем, какой же из
восьмисот видов мышей имеет особо совершенные органы зву-
колокации. Да и то, что уже известно об этих органах, лишь
ничтожная часть того, что предстоит изучить бионике,
прежде чем удастся во всех деталях понять их работу. Звуколо-
кация лучше изучена у обычных насекомоядных летучих
мышей. И то, что здесь будет рассказано, относится именно к
таким зверькам.
В полете летучая мышь все время издает чрезвычайно
короткие и высокие звуки, или, говоря инженерным языком, все
время излучает ультразвуковые локационные импульсы.
Импульсы не расходятся во все стороны, подобно кругам на
воде; как и локатор, мышь излучает волны довольно узким
пучком—она направляет их только в ту сторону, куда направлен
ее полет. Летучие мыши большинства видов излучают столь
высокие звуки, что человеческое ухо не в состоянии их
1 К великому сожалению, эти ценные зверьки варварски
уничтожаются людьми. Одни охотятся за ними, чтобы делать чучела и подчас
уничтожают целые стаи, другие разрушают и без того немногочисленные гнезда
зверьков. Не меньший урон летучим мышам наносит чрезмерное
употребление ядохимикатов для уничтожения насекомых. В журнале «Наука и
жизнь» № 4, 1968 г. на стр. 159 помещена заметка о том, как делать
домики для этих полезных животных.
80
воспринять '. Длина волн ультразвуков, излучаемых мышью,
очень мала, благодаря этому (как и в случае ультракоротких
радиоволн) ультразвуковые волны хорошо отражаются даже
от совсем малых препятствий, их можно собирать в узкие
пучки и излучать весьма кратковременными импульсами.
Частота колебаний в локационном импульсе мыши плавно
меняется. В начале импульса она равна 70 000 колебаний в
секунду (длина волны 4,7 миллиметра), а к концу импульса
спадает до 35 000 колебаний в секунду (длина волны 9,5
миллиметра).
Количество и длительность локационных импульсов
летучей мыши тоже непостоянны.
Когда мышь летит в открытом пространстве и на пути нет
ни преград, ни насекомых, она излучает импульсы редко —
10 раз в секунду, а сами импульсы сравнительно долгие —
0,01 секунды. Это и понятно: в открытом пространстве мышь
не рискует столкнуться с препятствием, а обнаружить добычу
можно и при таком количестве импульсов. Если на пути нет
преград, нет добычи, мыши важно знать лишь одно:
обстановка не меняется 2. Но стоит только локационному импульсу
отразиться от ветви дерева, от стены дома, от телеграфного
столба, бабочки и даже крохотного москита, как локатор
мыши изменяет ритм работы. Теперь мыши надо быть
настороже, теперь ей требуются гораздо более подробные и точные
сведения об окружающей обстановке. И чем ближе
препятствие, чем ближе жертва, тем чаще посылает мышь
локационные импульсы, тем они короче, частота их повторения
нарастает до 100 в секунду, а длительность сокращения до
0,001 секунды. И это тоже легко объяснить: чем больше
частота импульсов, чем они короче, тем надежнее, точнее и
быстрее ориентируется мышь среди препятствий или в погоне
за насекомым; чем короче импульсы, тем точнее можно
определять малые расстояния. Последнее правило хорошо
известно инженерам. В локаторах, предназначенных для
измерения малых расстояний, импульсы делаются более короткими.
1 Однако не у всех насекомоядных мышей локационные звуки столь
высоки. Мне самому удавалось слышать эти звуки, когда летучие мыши в
сумерки вылетали на охоту. Я наблюдал за их охотой на Северном
Кавказе. Вначале я подумал, что ослышался. Но, проверяя себя в течение
нескольких вечеров, убедился, что действительно слышу эти звуки:
изредка, когда мышь летела в мою сторону, до меня доносились короткие, чуть
слышные звуки, похожие на звон серебряного бубенчика.
2 Мыши некоторых видов в знакомой обстановке, например в местах
своего гнездовья — в пещере, на чердаке,— вообще летают по памяти и
почти не «включают» своих локаторов. Способность точно помнить
обстановку, путь полета является еще одной замечательной способностью этих
удивительных зверьков.
81
Создавая органы локации летучих мышей, природа
поступала как истинный инженер. Она заботилась не только о
надежности и точности, но и об экономии энергии, объема и
веса. Изменение ритма работы звуколокатора мыши в
зависимости от обстановки важно и с точки зрения экономии
энергии, и, возможно, инженеры переймут этот принцип, создав
некоторые типы локаторов с переменным ритмом и
переменной длительностью импульсов. Но, надо признаться, это
совсем непростая задача.
Инженерам еще не скоро удастся вступить в
соревнование с природой за экономию веса, объема и энергии. Даже
если бы им было абсолютно точно известно, как устроены
органы локации у летучей мыши, и они решили бы
воспроизвести эти органы техническими средствами, то объем и вес
приборов, изготовленных из современных радиоэлектронных
д©талей, и расход энергии в десятки тысяч раз превосходили
бы объем, вес и затраты энергии органов локации летучих
мышей. Ведь обычная летучая мышь — крохотный зверек; она
весит граммы, а ее органы локации еще во много-много раз
меньше.
Наблюдения за мышами и многочисленные опыты,
проведенные в лабораториях, показывают, что звуколокация
полностью заменяет мыши зрение. Звуколокация — это не просто
слух; вполне можно предположить, что слух у мышей
качественно отличается от слуха животных с развитым зрением.
Можно даже говорить о переходе слуха летучих мышей в
некое ультразвуковое «зрение». Ведь те виды летучих
мышей, органы звуколокации которых достигают наибольшего
совершенства, почти слепы. Глаза их утратили свое значение,
превратились в почти отмершие органы, а следовательно,
изменились удельный вес и роль слуховых и зрительных
центров мозга.
В пользу предположения об ультразвуковом «зрении»
говорит и то, что ультразвуковые волны некоторыми своими
свойствами очень напоминают световые — они не огибают
препятствий, а отражаются от них, подобно свету; и поэтому
в луче «ультразвукового прожектора» летучей мыши будут
четко различаться участки звуковой тени и звукового «света» '.
1 Частота лучей фиолетового света примерно в два раза больше
частоты красного света. Все многообразие цветов, которое мы воспринимаем
глазами, заключено в участке спектра частот, отличающихся всего лишь
в два раза. В два раза отличаются и граничные ноты в звуковой октаве. Но
этого достаточно, чтобы сыграть мелодию. Граничные частоты
локационного импульса летучей мыши тоже отличаются в два раза. Не помогает ли
это мыши еще лучше «видеть» своими ушами? И если наше
предположение о звуковом видении верно, то каким же странным и удивительным
представляется летучей мыши наш мир!
82
В пользу предположения
об ультразвуковом
«зрении» летучих мышей
говорят и опыты, проведенные в
лаборатории. Зверька
нисколько не затрудняет
полет между натянутыми
поблизости друг от друга
тонкими (меньше миллиметра
в диаметре) проволочками.
Чтобы осуществить такой
полет, мышь должна иметь
представление
одновременно о многих проволочках-
препятствиях, об их
взаимном расположении, то есть
о размещении проволочек
в пространстве. По существу, это не слух, каким мы его
представляем по собственному опыту, а, скорее, видение.
Есть много примеров, подтверждающих, что звуколокация
летучих мышей не просто слух. Так, летучая мышь легко
находит и ловит крохотных москитов (тело москита имеет
длину около полутора миллиметров) и даже еще более мелких
насекомых. Но самый разительный пример другой. Мы уже
знаем, что иногда летучие мыши поселяются в больших
пещерах и, если хватает корма, численность их в стае достигает
многих миллионов. Вылет из пещеры такой многочисленной
стаи и ее возвращение могут длиться часами. Но мыши
летают не только на открытом воздухе. И без ультразвукового
видения почти невозможно объяснить, как они не
сталкиваются при полетах внутри пещеры, как разбираются в
тысячах и десятках тысяч локационных импульсах, издаваемых
другими мышами, как в этом хаосе локационных звуков им
удается расслышать звуковые эхо, возникшие от их
собственных локационных импульсов 1.
Органы локации мыши помогают ей ориентироваться в
условиях, когда рядом тысячи других мышей тоже излучают
локационные звуки. В этом отличие их от радиолокаторов.
Радиолокаторам очень легко помешать — достаточно на той
же или близкой волне излучать радиосигналы. Если
радиолокаторы расположены неподалеку друг от друга, то они
никогда не работают на одной и той же волне. В противном слу-
1 Правда, как теперь стало известно, в знакомых местах мыши летают
молча. Но все равно трудно представить себе, что все они абсолютно не
издают локационных звуков.
83
чае все они не смогут работать. В этом природа тоже
значительно опередила инженеров.
Правда, она и начала свою работу значительно раньше.
Эта работа ведется с незапамятных времен и целиком
подчинена законам эволюции \
БАБОЧКА, ЛЕТУЧАЯ МЫШЬ, СОВА
Когда *ль\ говорим: «природа — изобретатель»,
«природа — инженер», «природа обогнала технику», мы, разумеется,
знаем, что такие выражения всего лишь метафоры и
понимать их следует в переносном смысле. В природе нет ни
изобретателей, ни институтов, ни бюро изобретений. Природа
слепа, но жизнь упорна и неистребима. Подчиняясь законам
эволюции, совершая бесчисленное множество ошибок и проб,
принося в жертву миллиарды жизней, создает она
инженерные шедевры.
К их числу можно по праву отнести и органы звуколока-
ции летучей мыши. В них все отвечает своему назначению,
все целесообразно, все устроено так, чтобы каждая летучая
мышь, чтобы вся стая совместно живущих летучих мышей,
весь вид могли выжить и продолжать род.
Но можем ли s\b\ утверждать, что, с точки зрения техники
локации, летучие мыши достигли абсолютного совершенства?
Нет.
Природа, законы эволюции «позаботились» о том, чтобы
органы эхолокации летучих длышей не были абсолютно
совершенными. Если бы органы звуколокации какого-нибудь из
видов летучих мышей достигли абсолютного совершенства,
этот вид вымер бы, оставшись без пищи. Выжить и
существовать могут только такие виды летучих мышей, локаторы
которых не настолько хороши, чтобы совершенно
безошибочно ловить добычу, и в то же время достаточно хороши,
чтобы мыши могли прокормиться.
Это утверждение подкрепляют и опыты. В лабораториях
летучих мышей приучают ловить мучных хрущаков, которых
выбрасывают в воздух с помощью катапульты. Не всякий раз
мышам удается обнаружить и схватить добычу, примерно в
25 случаях из 100 их постигает неудача.
Законы эволюции справедливы для всего живого, и
природа позаботилась не только о летучих мышах, но и об их
1 По подсчетам ученых, эволюция летучих мышей началась 50
миллионов лет назад.
84
жертвах. И у них в ходе борьбы за существование
постепенно выработались способы защиты от летучих мышей.
Совсем недавно ученые провели исследования одного из
видов ночных бабочек и обнаружили у них орган, который
выполняет ту же самую роль, что и локатор защиты хвоста,
устанавливаемый на самолетах. Этот орган предупреждает
бабочку о приближении летучей мыши. Самолетный локатор
устроен значительно проще, чем локаторы других типов.
«Локатор» бабочки совсем примитивен. И ученые особенно
внимательно изучают его в надежде, что хотя бы в данном случае
им удастся полностью понять, как он работает, и изучить тем
самым процессы переработки информации и управления в
живом организме. По существу, это даже не локатор, это
орган слуха. Но в отличие от органов слуха других животных, он
предназначен исключительно для того, чтобы слышать
локационные импульсы летучих мышей. Больше он ни на что не
годится. Именно потому, что этот орган решает всего лишь
одну задачу, он так прост.
Два уха бабочки расположены по бокам головогруди,
примерно там, где она переходит в брюшко. Уши представляют
собой небольшие углубления, закрытые снаружи барабанной
перепонкой. В каждом ухе содержится всего лишь две
нервные клетки, реагирующие на звуковые колебания. Нервные
волокна от обеих клеток каждого из ушей соединяются с
примитивной центральной нервной системой бабочки. С помощью
электронных приборов ученые исследовали электрические
импульсы в нервных волокнах этих клеток. Вот что им удалось
выяснить.
Бабочка слышит звуки в диапазоне частот от 10 до 100
тысяч колебаний в одну секунду, но она не различает высоты
звуков. Все они кажутся ей одинаковыми и отличаются только
громкостью. Слух у бабочки никудышный, по
чувствительности он почти в сто раз уступает слуху человека.
Правда, бабочки слышат ультразвуки, которых человек не
воспринимает.
Но даже и такого несовершенного слуха достаточно,
чтобы бабочка могла слышать летящую в ее направлении мышь
на расстоянии до 30 метров.
Клетки в ушах бабочки имеют неодинаковую
чувствительность. По нервному волокну одной клетки импульсы идут в
центральную нервную систему только при воздействии
довольно громких звуков. По нервному волокну другой клетки
импульсы идут и под воздействием тихих звуков. Нервные
импульсы, идущие от чувствительной клетки, как бы
предупреждают бабочку: «Внимание. Появилась мышь!»
Импульсы, идущие от клеток, реагирующих только на громкие зву-
85
ки, видимо, означают сигнал близкой опасности: «Она близко!
Спасайся!»
Скорость полета бабочки значительно меньше, чем у
мыши. Но зато бабочка начинает слышать летучую мышь
несколько раньше, чем та может обнаружить свою жертву.
Поэтому если бабочка будет улетать от мыши по прямой, у
нее есть шансы спастись только в том случае, когда мышь
еще находится на пределе слышимости. Но когда мышь
близко, полет по прямой будет наверняка гибелен для бабочки:
мышь настигает ее.
И бабочка, воспринимая локационные импульсы с
помощью всего лишь четырех нервных клеток (по две в
каждом ухе), действует по-разному, чтобы уйти от
преследования. Подобно летчику, получившему сигнал от локатора
защиты хвоста, она либо на полной скорости старается
улететь от мыши, либо совершает сложные маневры в воздухе.
Надо только помнить, что летчик действует сознательно,
а бабочка имеет очень примитивную центральную нервную
систему, и все ее действия — это безусловные (врожденные)
рефлексы. Их несколько типов и в зависимости от
громкости локационного импульса мыши «включается» тот или иной
рефлекс.
Чтобы выяснить поведение бабочек, услышавших
локационные импульсы, ученые провели весьма простой опыт. На
поляне они установили на высокой стальной мачте
громкоговоритель, способный излучать ультразвуки. Ученые даже не
старались точно воспроизводить локационные импульсы
летучих мышей. Они подводили к громкоговорителю простые
электрические импульсы постоянной ультразвуковой частоты
и наблюдали за бабочками, фотографируя их полет.
Те бабочки, которые не имеют ушей, не реагировали на
ультразвуковые импульсы. Но поведение бабочек, имеющих
уши, было настолько целесообразным, их маневры настолько
быстрыми и неожиданными, что каждый раз приводили
ученых в изумление.
Бабочки, оказавшиеся в момент подачи ультразвука
близко к громкоговорителю, совершали такие действия: они
либо падали к земле, сложив крылья, либо «пикировали»,
ускоряя свое движение энергичными взмахами крыльев.
Некоторые бабочки маневрировали иначе: делали резкие повороты
в вертикальной либо горизонтальной плоскости и даже
совершали еще более сложные смешанные движения.
Но если в момент подачи звука бабочка была далеко от
громкоговорителя или же звук специально делали слабым,
она летела прочь от громкоговорителя. Правда, это бывало
лишь в том случае, когда она находилась на одной высоте
86
с громкоговорителем. Если же бабочка была выше, то она
круто взмывала вверх, стремясь выйти из луча локационного
«прожектора».
Взглянув на снимки, вы можете увидеть, как охотится
мышь и спасается бабочка. На снимках видны следы полета
бабочки и мыши. Длинный размытый след — это путь, по
которому летела мышь; короткий след — путь, по которому
летела бабочка, совершая «фигуру высшего пилотажа». На
одном снимке видно, что бабочке удался маневр, и она
спаслась. На другом запечатлена охота, удачная для мыши: там,
где следы бабочки и мыши пересеклись, мышь схватила свою
жертву.
Совсем недавно (исследования еще не закончены) ученые
узнали о другом виде ночных бабочек, которые, спасаясь от
летучих мышей, ведут себя довольно странно. Они тоже
могут совершать «противомышьи маневры», но если все же
мышь настигает их, то они начинают издавать очень частые
ультразвуковые импульсы.
Чтобы выяснить роль этих импульсов, их записали на
магнитофон и стали воспроизводить в лаборатории, когда мыши
ловили выбрасываемых из катапульты мучных хрущаков.
И оказалось, что, если такие импульсы издавать
непосредственно перед тем, как мышь собирается схватить хрущака, то
она не сделает этого и резко свернет со своего пути.
Другие ультразвуки и просто громкий шум не пугали мышь и не
мешали ей, она хватала хрущака.
Объяснить, почему звуки, издаваемые этими бабочками,
отпугивают, а может быть, путают мышей, ученые пока не
смогли.
В авиации нечто подобное применяется уже давно. Если
самолет попадет в луч вражеского локатора, автоматически
включится специальный прибор, который будет излучать в
сторону локатора мешающие радиосигналы. Локатор начнет
работать неправильно, и самолет в это время скроется.
Прежде чем закончить рассказ о летучих мышах, надо
ответить на два вопроса, которые, наверное, возникли у многих
читателей.
Первый вопрос — о совах. Как они охотятся на летучих
мышей, если мыши могут ориентироваться в полной темноте, а
совы — нет?
Действительно, совы довольно удачно охотятся на
летучих мышей, но не в полной темноте. К тому же, охотясь за
летучими мышами, совы полагаются не столько на зрение,
сколько на слух. Слух у них великолепный. Более того, он
великолепно приспособлен для такой охоты. Ведь
летучая мышь не может лететь молча. Она должна непрерывно
87
издавать локационные
звуки. Этим она демаскирует
себя. Бабочки, услышав
локационные звуки, стараются
улететь от мыши, а совы —
догнать.
Видимо, летучие мыши
не имеют никаких органов,
подобных локатору защиты
хвоста, а услышать сову в
полете трудно даже
летучей мыши. Сова может быть,
единственная птица в мире,
которая летает совершенно
бесшумно; ее крылья в
полете не издают никаких
звуков.
И второй вопрос. Воспользовались ли инженеры тем, что
уже удалось узнать об органах локации летучих мышей?
Прежде всего, надо еще раз повторить: органы звуколо-
кации летучих мышей изучены еще недостаточно хорошо.
Самое главное — работу слуховых центров мозга, методы
переработки информации — еще только предстоит изучить и
понять. Но тем не менее кое-что уже сделано. Совсем
недавно появились сообщения о создании ультразвукового
прибора-поводыря для слепых. Сперва был сделан опытный
прибор. Он был очень громоздкий, величиной с чемодан, в
котором можно было бы упаковать тысячи летучих мышей. Но
для практической проверки принципа действия прибора это
не было помехой. Убедившись, что прибор может помочь
слепым, инженеры создали теперь довольно портативный
прибор, размером со средний транзисторный приемник. Его
удобно держать в руке. Насколько хорош этот прибор,
насколько полезным он будет для слепых, покажет время.
ВТОРАЯ СТИХИЯ
Древние философы считали, что Вселенная и все сущее в
ней имеет четыре начала, четыре составляющие: огонь, воду,
воздух, землю. Начала эти и поныне называют стихиями.
Сейчас нам предстоит на время покинуть привычную
третью стихию и совершить путешествие в глубины второй —
воды.
Людям издавна знакома эта могучая и своенравная сти-
83
хия. В борьбе с ней, стремясь покорить ее, они многому
научились, многое изобрели. Они научились строить корабли,
порты, мосты, волноломы и плотины, водяные мельницы и
гидростанции, торпеды и подводные лодки; изобрели
морской компас, секстант, астролябию. Не перечесть всего, чему
обучила человека вода — его прародина.
Физические свойства воды сильно отличаются от свойств
воздуха. Вода во много раз тяжелее и плотнее воздуха, она
во много раз хуже пропускает световые волны и почти
совсем не пропускает радиоволны, она оказывает гораздо
большее сопротивление движущимся телам, чем воздух. Зато вода
несжимаема, и поэтому в ней почти беспрепятственно на
огромные расстояния и гораздо скорее, чем в воздухе,
распространяются звуковые волны. Не менее замечательны и
химические свойства воды. Именно благодаря им вода стала
родиной жизни, и ее населяет бесчисленное множество самых
разнообразных живых существ: от микроскопических
одноклеточных и до самых больших в мире животных — китоз.
И конечно, бионике есть чему поучиться у обитателей моря.
Но хотя жизнь человека всегда была тесно связана с
водой, еще и теперь, в годы невиданного расцвета научных
исследований, ^ль\ едва начали изучать эту стихию и ее
обитателей. И наверняка не знакомы со всеми существующими
морскими и пресноводными животными. Некоторые даже
утверждают, что мы не знаем не только многих мелких
животных, но даже и крупные не все нам известны, и считают, что
нам еще предстоит познакомиться с гигантским морским
змеем, будто бы встречавшимся в океанских просторах
мореплавателям, и чудовищем шотландского озера Лох-Несс.
Нет ничего удивительного в том, что s\b\ мало знаем о
морских глубинах и их обитателях — проникнуть в эти
глубины необыкновенно трудно. Но, говоря откровенно, инженеры
и ученые уделяли и уделяют основное внимание третьей
стихии — воздуху. И не случайно, что покорена стратосфера,
что над Землей кружатся искусственные спутники и человек
уже вышел в открытый космос, а Венеру и Марс начали
обследовать автоматические межпланетные станции.
Первое свободноплавающее судно, пригодное для
погружения на рекордные глубины,— батискаф — было создано
жителями самой сухопутной страны на свете: швейцарцами
Огюстом Пикаром, одним из первых покорителей
стратосферы, и его сыном Жаком, покорителем самой большой
глубины мирового океана. Лишь в январе 1960 года, всего за
четыре месяца до полета Юрия Гагарина в космос, Жак Пикар и
американский моряк Дон Уолш опустились на дно
глубочайшей в мире океанской впадины — Марианского желоба.
89
Теперь уже все понимают, как важны исследования
второй стихии. Ведь почти три четверти земной поверхности
занимает мировой океан — дом несметного количества
животных, в водах которого растворены соединения множества
ценнейших химических элементов, а на дне хранятся
богатейшие россыпи руд. И не надо быть пророком, чтобы с
уверенностью сказать, что в ближайшие пятьдесят — сто лет
завоевание мирового океана окажет на жизнь человечества
влияние не меньшее, чем завоевание космоса.
Первыми начали осваивать морские глубины военные
моряки. Боевые подводные лодки принимали участие в обеих
мировых войнах. Они очень грозное оружие, и их строят все
крупные державы мира, а три из них — СССР, США и
Англия — имеют атомные подводные лодки.
Вождение подводных лодок — искусство значительно
более сложное, чем вождение надводных кораблей. Не говоря
уже о том, что подводная лодка движется во всех трех
измерениях, а надводный корабль только в двух, вождение
подводной лодки трудно еще и потому, что штурман не может
определять координаты ни по звездам и солнцу, ни по радио,
ни по маякам и очертаниям берегов, хотя координаты ему
нужно знать с гораздо большей точностью, чем штурману
надводного корабля. Вода очень плохо пропускает свет, но,
кроме того, она сильно его рассеивает и поэтому в самой
чистой, самой прозрачной воде можно различать
предметы на расстоянии не более 10—50 метров. Даже при скорости
лодки 12 узлов (чуть более 6 метров в секунду) препятствие
можно увидеть не раньше чем за три секунды. У лодки не
может быть тормозов, она не успеет остановиться за три
секунды, не успеет и повернуть. А ведь современные лодки
даже под водой плавают со значительно большей скоростью.
Это значит, что командир лодки должен еще издалека
узнавать о препятствиях: скалах, мелях, затонувших кораблях, о
других подводных лодках.
Как же все-таки удается капитанам водить подводные
лодки? Что заменяет им зрение, беспомощное и почти
бесполезное в морских глубинах?
Зрение подводникам заменяет слух. Круглосуточную
вахту на лодках несут акустики. С помощью гидрофонов они
непрерывно вслушиваются в звуки за бортом: в шум винтов
кораблей, проплывающих наверху, в шум винтов других
подводных лодок. Опытный акустик умеет не только определять
пеленг (направление) источника звука, но по характеру звука
очень точно различает корабли.
И все-таки, как бы ни был опытен акустик, полагаться лишь
на его чуткий слух было бы крайне опасно. И инженеры в
90
течение многих лет стремились создать более совершенные
приборы, помогающие вождению подводных лодок.
Наконец им удалось изобрести принципиально новые акустические
приборы, и вскоре возникла новая, интересная и сложная
область радиоэлектроники — гидролокация.
Она близкая родственница радиолокации и звуколокации
летучих мышей, ибо основной принцип действия
гидролокаторов тот же самый. Но вместо радиоволн и звуковых волн
в воздухе, работа гидролокатора основана на распространении
звуковых волн в воде. Мы уже говорили, что звуки
распространяются в воде гораздо дальше и гораздо быстрее, чем
в воздухе, и знаем, что ультразвуковые волны некоторыми
своими свойствами напоминают волны световые, причем
сходство тем большее, чем короче длина волны. Короткие
ультразвуковые волны можно, подобно свету, собирать в узкие
пучки и излучать короткими импульсами. Вот это сходство и
позволило инженерам создать ультразвуковые
гидроакустические локаторы. Первые гидролокаторы были созданы
немногим позже первых радиолокаторов. В наши дни все
подводные суда, начиная от атомной подводной лодки, кончая
батискафом, имеют на борту гидролокаторы.
Но, как ни совершенны гидролокаторы, не забыты и
старые проверенные способы. И на подводных лодках
по-прежнему чутко вслушиваются в звуки моря акустики,
по-прежнему несут они свою нелегкую вахту.
Все знают поговорку: «Нем как рыба». Эта поговорка
устарела. Но до самых недавних пор все были убеждены, что
рыбы действительно немы. Только малайские рыбаки знали,
что это не так. Они умели находить рыбьи стаи по звуку.
Для этого нужно было лишь опустить уши в воду, так, чтобы
воздух не мешал доступу звуков из воды.
Мы, жители третьей стихии, никогда не слышим подводных
звуков, потому что поверхность воды, граница вода —
воздух, почти непроходима для них.
Но еще лучше, чем малайские рыбаки (ве^ь они не
пользовались очень чувствительными гидрофонами), могли
слышать звуки, издаваемые рыбами, акустики на подводных
лодках. Для этого требовалось лишь одно: чтобы лодка не
распугивала рыб. Это случалось в редкие часы затишья, когда
лодка, притаившись в глубине, поджидала корабль
противника или, наоборот, спасалась от преследования вражеских
морских охотников. И тогда акустики могли слышать странные
звуки, происхождение которых они вначале не могли
объяснить. Но время шло, и акустики стали догадываться, кто
это стрекочет, щелкает, скрипит, трещит за бортом. Однако,
поджидая корабль врага или взрыв глубинной бомбы,
9t
сброшенной преследователями, не будешь особо
внимательно вслушиваться в рыбьи разговоры; вряд ли у кого в таких
условиях появится охота изучать их.
Только после войны взялись за это ученые. Звуки,
издаваемые рыбами, оказались на редкость разнообразными; и к
счастью, почти все из них человеческое ухо легко
воспринимает.
Звуки эти играют исключительно важную роль в жизни
рыб. Они служат сигналами, помогающими жизни рыбьей
стаи и каждой отдельной рыбы. Есть звуки ближней и
дальней сигнализации. Звуки питания имеют характер шума, они
слышны только на небольших расстояниях. Звуки угрозы
слышны дальше. На еще большее расстояние разносятся
ритмические импульсные нерестовые сигналы. Даже при
волнении моря в 2—3 балла рыбы слышат их на расстоянии до
100 метров.
Вот характер и смысл некоторых уже исследованных
звуковых сигналов.*Наиболее ярко выраженные звуки, которые
издает небольшая рыба зеленушка, напоминают цоканье и
барабанный бой. Цоканье — сигнал предупреждения и
привлечения внимания. Зеленушки цокают при виде пищи или
перед дракой. Барабанный бой — угроза.
Много разнообразных звуков, причем иногда
одновременно и скрип, и шумы, и щелчки издает белуга. Смысл этих
сигналов еще полностью не расшифрован.
Но не только рыбы пользуются звуковой сигнализацией.
Все морские млекопитающие тоже издают разнообразные
звуки. Особо богат лексикон животных из отряда китов. Наи-
92
более изучена сигнализация у некоторых видов дельфинов,
но об этом стоит рассказать отдельно.
А пока вернемся к гидролокации и на примере одной
трагической истории выясним, на что способны современные
гидролокаторы.
ПОИСКИ „ТРЕШЕРА"
В апреле 1963 года в испытательное плавание в водах
Атлантики вышла атоллная противолодка * «Трешер» —
последнее слово американского кораблестроения. Ее люки были
наглухо задраены и залиты сверху слоем воска, который
тщательно загладили перед отплытием, чтобы ни одна
неровность, ни один даже малейший выступ не создавал лишнего
сопротивления движению лодки.
Конструкция лодки и ее тактические и технические данные
держались в строгом секрете, и все-таки в американских
газетах помещали множество восторженных статей и заметок,
посвященных этой лодке. Впоследствии печать переменила
тон, и постепенно выяснилось, что строительство лодки
проводилось в большой спешке, что она имела важные
конструктивные недостатки.
Но в начале апреля 1963 года об этом, возможно, не
знали даже члены команды «Трешера».
В походе лодку сопровождал надводный корабль «Скай-
ларк». 10 апреля 1963 года «Трешер» и «Скайларк»
находились в 260 милях от берегов США, неподалеку от места
гибели «Титаника». В 9 часов 13 минут на борт «Скайларка» по
гидротелефону с «Трешера» поступило сообщение:
«Испытываем небольшие затруднения. Имеем
положительный дифферент. Пытаемся произвести продувку. О
дальнейших действиях сообщим».
Все это говорилось довольно спокойным тоном. Но
катастрофа последовала почти немедленно. Через четыре
минуты вахтенные на «Скайларке», державшие связь с «Треше-
ром», услышали еще одно, искаженное до полной
неразборчивости сообщение. Единственными словами, которые удалось
разобрать, были: «испытательная глубина», но и они
были слышны так плохо, что вахтенные не могли бы поручиться,
что поняли правильно. Это было последнее сообщение.
Глубина под килем «Скайларка» была 2600 метров.
1 Противолодка — новый класс подводных лодок. Она имеет
весьма высокую скорость, снабжена самыми новейшими гидролокаторами
и предназначена для обнаружения и уничтожения лодок противника.
93
Не стало 129 человек команды, не стало гордости
военно-морских сил США, атомной противолодки «Трешер».
Сейчас, когда прошло уже много времени и стали
известны печальные результаты поисков погибшей лодки и
средства, использовавшиеся во время поисков, многие американцы
с горечью говорят, что мгновенная гибель лодки была,
пожалуй, наилучшим исходом. Ведь могло случиться и так, что
глубина в месте катастрофы оказалась бы меньшей, и корпус
затонувшей лодки не был бы разрушен давлением океанских
глубин. Это было бы куда страшнее. Потому что матросы и
офицеры могли бы оставаться живыми в течение долгих дней
и даже месяцев, не имея никакой надежды на спасение: в
США не было глубоководных спасательных средств, они не
появились и три года спустя после гибели «Трешера». Только
в 1966 году приступили к строительству первой
глубоководной спасательной лодки.
Причины гибели «Трешера» до сих пор не известны, а
если и известны, то хранятся в строжайшей тайне. Но скрыть
гибель людей и лодки было невозможно. Тем более
невозможным оказалось замалчивать результаты и методы поисков.
Поэтому в американской печати появились более подробные,
чем обычно, сведения и о гидролокаторах. Эти сведения
помогут нам понять, каковы возможности современных
гидролокаторов, разработанных еще до того, как на помощь
гидролокации пришла бионика.
Единственным глубоководным судном, которым в то
время располагали США, был батискаф «Триест», построенный
в Италии в 1953 году по проекту Огюста Пикара. В день
гибели «Трешера» батискаф находился у противоположных
берегов США, в Калифорнии. Он был немедленно погружен
на корабль и через Панамский канал направлен к месту
гибели подводной лодки, которое ко времени первого
погружения «Триеста» было определено с надводных судов с
максимально возможной точностью.
Поиски участка дна, куда рухнул «Трешер», велись
надводными судами с помощью самой различной аппаратуры.
В дело было пущено все: гидролокаторы, магнитометры,
реагирующие на скопления железа или стали, счетчики Гейгера,
воспринимающие радиоактивное излучение, и глубоководные
буксируемые фотокамеры. Были сделаны тысячи
фотографий дна и на некоторых удалось запечатлеть искореженные,
скрученные куски металла, усеявшие дно на протяжении
почти полукилометра, сплющенные обломки лодки и даже
двухтонный воздушный баллон, вонзившийся в грунт; скорость
его падения, вероятно, достигала нескольких сотен
километров в час!
94
И все-таки точность определения места, где лежали
остатки лодки, была недостаточной. «Триесту» не сразу удалось
найти участок дна, куда упал «Трешер»: ни первое, ни второе
погружение не дали результатов.
Дальность видимости в воде очень мала, а вести поиски
остатков лодки с помощью гидролокаторов, имевшихся в то
время на «Триесте», было почти невозможно — в месте
гибели «Трешера» дно усеяно скалами, и каждая скала дает
на экране гидролокатора сигнал, очень схожий с сигналом от
крупных обломков лодки.
Но, разумеется, не только это затрудняло поиски. Ведь
«Триест» совсем не предназначен для выполнения задачи
такого рода. Огюст Пикар задумал и создал исследовательское
глубоководное судно, пригодное лишь для того, чтобы
человек мог невредимым достигнуть морского дна и
собственными глазами видеть и наблюдать то, что раньше никому не
было доступно. Поэтому скорость движения батискафа была
совсем мала — всего один узел,— мал и радиус действия,
настолько мал, что «Триест» больше похож на привязную
батисферу, чем на свободно плавающее глубоководное судно.
Запаса энергии аккумуляторных батарей, от которых питались
прожекторы и электродвигатели, вращавшие гребные винты,
хватало так ненадолго, что капитану «Триеста» Дональду
Кичу не раз приходилось дотягивать пребывание под водой
до тех пор, пока не переставали работать электродвигатели
и меркли прожекторы.
Лишь во время третьего погружения Кичу повезло. Уже
перед самым всплытием, когда прожекторы едва теплились,
а электродвигатели почти перестали вращать гребные винты,
Кич заметил лежащую на грунте желтую пластиковую бахи-
лу: одну из тех, в которых члены команды входили в отсек
атомного реактора лодки. В следующие погружения Кич
обследовал остатки лодки, делал фотографии, а однажды ему,
правда с большим трудом, удалось зажать клешней
дистанционного манипулятора и доставить наверх смятый,
скрученный кусок трубопровода — единственный реальный
«трофей», который дали поиски «Трешера».
Но инженеры получили и другие «трофеи» — не менее
важные, хотя и не столь вещественные. Одним из них был
вывод, что необходима разработка новых, гораздо более
совершенных гидролокаторов и более точных систем
подводной навигации, потому что те, которыми пришлось
пользоваться, не помогли найти остатки «Трешера». Это глаз
человека заметил в меркнущих лучах прожекторов желтую
пластиковую бахилу.
Трагедия «Трешера» заставила американских специали-
95
стов-гидроакустиков задуматься над тем, как улучшить
работу гидролокаторов, как сделать изображение на экране
гидролокатора более четким, разборчивым и детальным.
Вскоре они создали первые экспериментальные образцы
новых гидролокаторов, так называемых обзорных.
Гидролокаторы такого типа позволяют вести обзор дна отдельными
полосами, из которых, на манер телевизионного, составляется
цельное изображение участка дна. Первые уже
изготовленные варианты позволяют обследовать площадь около
полутора квадратных миль полосами шириной 1,5 метра и
длиной 730 метров. В режиме поиска можно будет обнаруживать
объекты размером 60 X 120 сантиметров. После того как в
поле зрения попадут интересные объекты, переходят в
другой режим — детального просмотра; в этом режиме длина
полосы уменьшается до 45 метров, но зато оказывается
возможным различать объекты размерами до 7,5 сантиметров.
Это отличный показатель, если сравнивать его с тем, на что
были способны гидролокаторы старых типов. Новые
гидролокаторы дают изображение, подобное объемному,
благодаря чему можно отличать скалы, выступающие над
поверхностью дна, от трещин и впадин.
И все-таки даже такие, весьма совершенные
гидролокаторы, не могут полностью заменить зрения. На новых
глубоководных исследовательских и спасательных лодках, которые
начали конструировать в США после гибели «Трешера»,
намечено широко использовать телевизионные установки. Они
будут передавать изображение экипажу, а возможно, и на
надводное судно — матку.
ЦЕПЬ ОТКРЫТИЙ
Зоология — древнейшая наука. Пожалуй, она старше всех
других. Животных—их образ жизни, повадки, строение
тела — человек начал изучать еще до того, как отделил себя от
мира зверей и осознал себя человеком. Где бы ни селились
люди, они должны были хорошо изучить окружающий их
животный мир: насекомых, рыб, пресмыкающихся, птиц и
млекопитающих. От этого зависела жизнь каждого, жизнь
племени.
В виде сказок и мифов, примет, поговорок и обычаез
передавалось такое знание из рода в род, от племени к
племени. Сколько удивительно тонких, точных и метких
наблюдений сохранило оно! Столько, что вполне достойно
названия науки, науки наблюдательной, поэтической. Недаром же
96
только немногие животные не имеют названий, данных им
народом еще в незапамятные времена.
Когда же возникла зоология, народные знания сильно
помогли ее становлению. Тысячи экспедиций снаряжались во все
концы света, чтобы на месте узнавать о новых животных, об
их жизни. К началу нашего столетия исследователи изучили
почти всю сушу, они собрали великое множество фактов, и
многим, особенно в последние годы, казалось, что зоологи
открыли всё, что уже всё известно, и никаких новых
значительных открытий им уже не сделать.
И действительно, найти каких-либо новых животных,
особенно на суше, все труднее. Но крупные открытия ожидают
зоологов в других областях: там, где еще несколько лет
назад все казалось известным до мельчайших подробностей.
Кибернетика, математика, физика, генетика и, разумеется,
электроника подсказали зоологам новые направления
научного поиска, помогли открыть удивительные и совершенно
неожиданные факты.
К таким открытиям относится и решение «проблемы
Спалланцани». Ведь до того, как Гриффин установил факт
звуколокации, никто серьезно не пытался объяснить
возможность ориентации летучих мышей существованием у них
принципиально новых, отличных от известных науке чувств:
зрения, слуха, обоняния, осязания и так далее.
Открытие Гриффина навело ученых на мысль, что органы
звуколокации могут быть обнаружены не только у летучих
мышей. А это, в свою очередь, привело к тому, что ученые
поверили в возможность открытия и других неизвестных
науке органов чувств. Начались поиски.
И в первую очередь стали искать органы звуколокации.
Звуколокация скорее всего могла возникнуть у животных,
обитающих в такой среде, где по каким-то причинам не
хватает естественного света. Лишив таких животных света,
природа должна была вознаградить их чем-то другим:
усовершенствовать иные органы чувств или наделить новыми, в
частности органами звуколокации.
И действительно, вскоре появились сообщения, что в Юго-
Восточной Азии обнаружена разновидность стрижей,
гнездящихся, как и летучие мыши, в глубоких пещерах; у них тоже
развились органы звуколокации. Были открыты органы
звуколокации и у двух видов южноамериканских птиц.
Но поиски велись не только среди обитателей третьей
стихии. Ученые понимали, что гораздо больше шансов
обнаружить новые органы чувств и особенно органы звуколокации у
водяных животных. Ведь сама среда обитания — вода,
плохо пропускающая свет, но отлично — звуки, должна способ-
4 Инженер и природа
97
ствовать развитию органов, заменяющих или помогающих
зрению.
Правда, на пути этих поисков стояла извечная преграда —
вода, страшное давление океанских глубин. Ничто не мешает
изучать строение животного в лаборатории, но открыть и
исследовать новые органы чувств в лаборатории возможно
лишь только в тех случаях, когда удается создать условия
жизни, близкие к естественным. Лабораторий, где можно
было бы изучать глубоководных животных, еще не создали.
На ком же следовало остановить свой выбор?
На владыке океанских глубин — гигантском кальмаре? Но
его не только нельзя изловить, его не удастся и содержать в
неволе. Длина гигантского кальмара (со щупальцами)
достигает пятнадцати и более метров. Он настолько силен, что не
боится вступать в битву с кашалотом. Ни моряки, ни ученые
не знают до сих пор, кто в этой войне охотник, а кто —
жертва. На воле изучать гигантского кальмара тоже едва ли
удастся. Быстротой передвижения он может поспорить с
современным кораблем, а живет на таких глубинах, где царит
вечный мрак, куда человек еще не имеет доступа.
Было бы вполне резонно предполагать, что у этого
загадочного животного имеются органы звуколокации, если бы
не одно существенное обстоятельство: кальмар —
обладатель огромных, прекрасно развитых глаз с пристальным, даже
сосредоточенным взглядом и хорошо развитых зрительных
центров мозга.
Считают, что зрительные центры мозга кальмара не
уступают по своему развитию зрительным центрам мозга другого
головоногого моллюска — осьминога, славящегося своим
зрением. Вероятно, громадные, почти разумно смотрящие на
мир глаза кальмара и развитые зрительные центры мозга
позволяют этому животному каким-то образом
ориентироваться даже на больших глубинах. Как это ему удается,— загадка.
О зрении кальмаров известно пока мало. Однако высокая
степень развития зрения почти несомненна. А это как будто
противоречит наличию органов звуколокации.
Быть может, их стоит поискать у рыб?
Такие поиски велись очень настойчиво, и даже появлялись
сообщения об открытии звуколокации у рыб. Но они
оказывались ложными. Сейчас некоторые исследователи считают,
что рыбы не имеют органов звуколокации и даже вообще не
издают ультразвуки. Правда, видов рыб в пресных и соленых
водах Земли огромное количество, далеко не все они
обследованы. И многое еще предстоит узнать.
Итак, у рыб тоже не удалось открыть органов
эхолокации. Но усилия были потрачены не зря. Изучение органов
98
чувств рыб дало новые, замечательно интересные
результаты.
Так, например, выяснилось, что глаза у рыб играют весьма
важную роль, хотя являются органами ближнего восприятия
и уступают по своему значению слуху.
Крайне интересным органом чувств у рыб является так
называемая боковая линия. Боковая линия воспринимает
изменения давления в воде, то есть реагирует на механические
колебания, распространяющиеся в воде. По существу, такие
колебания отличаются от звуковых только частотой. Поэтому
орган боковой линии как бы дополняет органы слуха.
Он изучен еще недостаточно подробно, и его действие
почти невозможно представить, потому что мы лишены
органов, даже отдаленно напоминающих боковую линию. О роли
боковой линии в жизни рыб говорит такой факт. Акула,
искусственно лишенная зрения и слуха, продолжала реагировать
на различные колебания, распространяющиеся в воде. Во
время второй мировой войны вокруг торпедированных
морских судов довольно быстро и в больших количествах
собирались эти отвратительные хищники. Ученые полагают, что
именно орган боковой линии позволял им чувствовать и
определять местоположение взрыва на очень больших
расстояниях. Опыты с пресноводными хищными рыбами подтверждают
важную роль боковой линии; пользуясь ею, ослепленные
рыбы продолжают успешно охотиться.
Необыкновенно важное значение в жизни рыб имеют
органы обоняния и вкуса. Они не столь сильно разнятся между
собой, как у сухопутных животных, ведь у рыб смачивается
не только полость рта, но и вся поверхность тела. Поэтому
органы вкуса часто расположены снаружи, по всему телу и
даже на хвосте. Их назначение — реагировать на разные
химические лримеси в воде, в том числе на вкус и запах пищи.
Чувствительность органов обоняния и вкуса у некоторых
рыб фантастически высока. Так, рыбы одного из видов
реагируют на пахучее вещество, растворенное в воде в пропорции
1 грамм на 100 триллионов литров, или примерно 30 граммов
на все Аральское море!
Исключительно важную роль играет чувство обоняния у
акул. Нос акулы устроен так, что через ноздри непрерывным
потоком проходит вода. Если акула неподвижна, вода
прогоняется через пасть и ноздри к жабрам: когда акула плывет,
вода еще быстрее втекает в ее воронкообразные ноздри.
Одна из самых странных по форме рыб, рыба-молот, тоже
относится к отряду акул. Глаза и ноздри у нее расположены
на краях «молота». Когда рыба-молот плывет, она
непрерывно совершает своеобразные движения: она мерно изгибает
99
тело влево и вправо, и голова ее при этом движется по дуге,
точно маятник. Такая манера плавания позволяет
рыбе-молоту воспринимать звуки, запахи и свет в большом угле обзора.
Несколько лет назад у одной из рыб нашли, пожалуй,
самый необычный орган чувства, полностью заменивший ей
зрение. Эта рыба «видит» с помощью электричества.
У нее все удивительно: и вид, и манера плавать, и то, как
она «осматривает» незнакомые предметы. Эта рыба не имеет
народного названия, возможно, потому, что ее редко удается
ловить и поэтому она малоизвестна. Ученые назвали ее
«Гимнархус нилотикус», что означает: нильский голохвост.
Нильский голохвост обитает в таких местах, где воды
великой африканской реки особенно мутные. Это довольно
большая рыба, ее длина около полуметра. У нее очень
маленькие, почти незрячие глазки, ими она может воспринимать
только яркий свет, только смену дня и ночи. На хвосте у нее
нет плавника (именно этим она заслужила свое название),
хвост оканчивается тонким заостряющимся к концу
отростком. А как интересны и необычны ее движения! В отличие от
рыб всех других видов, хвост ее остается все время
неподвижным, она плывет благодаря волнообразным движениям
похожего на оборку длинного спинного плавника. По
плавнику непрерывно бежит волна, он как бы ввинчивается в воду.
Необычно и то, что голохвост совершенно не сгибается, даже
на поворотах его спина остается прямой. Он одинаково
хорошо плывет вперед головой и вперед хвостом; одинаково
хорошо чувствует препятствия, находящиеся сзади и
спереди. Когда в аквариум опускали какой-нибудь предмет,
голохвост осторожно, явно обследуя этот предмет, приближался
к нему не головой, а кончиком хвоста.
Первые анатомические исследования голохвоста были
проведены еще в середине прошлого века. Тогда-то и были
обнаружены у него ткани, напоминающие ткани
электрических органов угрей, но дающие еле ощутимый электрический
ток. Назначение таких органов у электрических угрей никогда
не вызывало сомнений, их мгновенный разряд действовал на
животных и даже на исследователей слишком явно. Но зачем
рыбам может понадобиться электрический орган, дающий
очень слабый ток, никто не знал до самого последнего
времени.
К счастью, голохвоста можно исследовать в
лабораторных условиях. Профессор Кембриджского университета Лис-
сман привез голохвоста из Африки и много лет содержал его
в своем домашнем аквариуме. Ученый почти непрерывно
наблюдал за голохвостом, но ему долгое время не удавалось
объяснить странные повадки этой рыбы, особенности ее стро-
100
ения. Дело сдвинулось с мертвой точки только после того,
как Лиссман понял, что и строение этой рыбы, и особый
«стиль» плавания, и обследование неизвестных предметов
хвостом, и наличие в хвосте тканей, сходных с тканями
электрических рыб,— все не случайно.
Лиссман решил, что в хвосте помещается некий
электрический орган, помогающий обнаруживать предметы. И
однажды, бросив в аквариум новый предмет, он одновременно
опустил электроды, присоединенные к осциллографу. На
экране осциллографа появились четкие узкие импульсы.
Частота их появления была всегда неизменной и составляла
300 импульсов в секунду. Она не менялась ни при движении
голохвоста, ни когда он оставался неподвижным.
Дальнейшее изучение голохвоста позволило раскрыть
тайну его электрического органа. А уже зная ее, удалось
объяснить все остальные удивительные особенности рыбы. Они
оказались целиком подчинены тому главному, что отличает
голохвоста от других рыб — наличию электрического органа
«зрения».
Хотя рыба приближается к незнакомому предмету
хвостом, орган электрического «зрения» находится у нее в
голове и непосредственно связан с мозгом. В хвосте же
находится генератор электрических импульсов. В момент
генерации импульса, электрическая полярность хвоста становится
отрицательной по отношению к голове. В этот момент рыба
представляет собой как бы электрически заряженный диполь,
и от положительного полюса (головы) к отрицательному
мгновенно протягиваются электрические силовые линии.
Пресная вода — замечательный диэлектрик, и если
поблизости от рыбы нет посторонних тел, то силовые линии
расположатся симметрично относительно тела голохвоста. При этом
каждая силовая линия исходит из строго определенной точки
поверхности головы рыбы и входит в поверхность хвоста.
Электрическое поле, как бы окутывающее рыбу, возникает и
исчезает 300 раз в секунду. Однако голохвост, по-видимому,
не замечает электрических вспышек и пауз и воспринимает
окружающую среду так, как если бы электрическое поле
существовало постоянно. Именно так воспринимает человек
свет электрических газоразрядных ламп, которые вспыхивают
и гаснут 100 раз в секунду. Частота вспышек настолько
велика, что глаз не замечает мерцания.
Если в воду поблизости от голохвоста, а значит, и в
создаваемое им электрическое поле внести какой-либо предмет,
он обязательно исказит форму силовых линий, и тогда точки,
в которых оканчиваются эти силовые линии, переместятся.
Это перемещение будет различным для различных по величи-
101
не, форме и материалу предметов. Металлы, проводники
электрического тока непрозрачны для электрических
силовых линий; диэлектрики — вещества, не пропускающие
тока,— наоборот, могут оказаться для силовых линий даже
более прозрачными, чем вода.
Кожный покров головы рыбы (по всей окружности
черепа) имеет множество мельчайших пор, заполненных особой
желеобразной массой. Каждое скопление этой массы
выполняет роль крохотной линзы, собирающей лучи —
электрические силовые линии. На дне каждой поры имеется группа
специальных нервных клеток, к которым подходит нервное
волокно. Нервные волокна от клеток собираются в довольно
толстый нервный ствол, идущий в головной мозг, где
расположены сильно развитые центры электрического «зрения».
Эти нервные центры расположены над зрительными
центрами, но занимают значительно больший объем.
Лиссман проверял чувствительность электрического
органа «зрения» голохвоста. Он вырабатывал у него условные
рефлексы, опуская в воду предметы. Оказалось, что голо-
хвост может обнаруживать стеклянные стерженьки
диаметром около одного миллиметра. Голохвост чутко реагирует
даже на очень слабые внешние электрические и магнитные
поля. Его очень беспокоило, когда кто-нибудь причесывался
неподалеку от аквариума или подносил даже слабенький
постоянный магнит.
Как же связано с наличием органа электрического
«зрения» отсутствие хвостового плавника, как объясняется
странная манера плавать, не шевеля хвостом и не сгибая тела?
Зная о принципе действия электрического органа
голохвоста, нетрудно объяснить и эти, казавшиеся раньше
совершенно непостижимыми, особенности голохвоста. Как нам теперь
известно, перемещение окончаний силовых линий по
поверхности головы рыбы равносильно перемещению световых
лучей в глазу. Если бы голохвост загребал, как все рыбы,
хвостом или изгибал при плавании тело, то в такт его движениям
непрерывно перемещались бы окончания силовых линий и
электрическое «зрение» было бы невозможным. Именно
потому, что хвост рыбы неподвижен, что она совершенно не
изгибается, перемещение окончаний силовых линий происходит
только тогда, когда неподалеку от голохвоста оказываются
другие рыбы или какие-то предметы. Но поворачивать, не
сгибаясь, трудно, поэтому голохвост научился одинаково
хорошо плавать и вперед и задним ходом. В этом ему помогает
длинный спинной плавник, развившийся взамен хвостового.
Хвостовой плавник отмер, он оказался бесполезным. Ведь
работать хвостом рыбе нельзя.
102
„Собственное" электрическое поле нильсного голохвоста и
изменение путей силовых линий, когда поблизости находится
предмет из плохого или из хорошего диэлентрина.
Как видите, природе пришлось немало поработать, чтобы
голохвост мог жить там, где бесполезны глаза. Лишив его
возможности видеть, природа наделила его электрическим
органом зрения. Но для того чтобы этот орган мог работать,
пришлось научить голохвоста плавать одинаково хорошо
головой и хвостом вперед, изобрести новый тип плавника и
отучить рыбу изгибаться при движении. Трудно было
разгадать все это, но насколько же труднее изобрести!
На страницах этой книги нам приходится встречаться все с
новыми примерами изобретательности природы. Но не
следует забывать и о том, что, как правило, одна и та же задача
не решается в мире живого разными способами. Видимо, это
происходит потому, что природа всегда находит наилучший
способ решения, а он — всегда единственный. Это правило в
полной мере относится и к электрическому органу «зрения»,
о котором вы сейчас прочитали.
В мутных водах рек Южной Америки тоже была открыта
рыбка, имеющая электрический орган «зрения». Она не
состоит ни в каком родстве с голохвостом. Но и у нее почти
полностью отмер хвостовой плавник, а вместо него развился
оборчатый длинный плавник, только не на спине, как у
голохвоста, а на брюшке. Плавает рыбка не изгибаясь, как и
голохвост. В африканских реках были открыты и другие рыбы с
электрическим органом зрения, правда, они находятся в
родстве с голохвостом. Их называют мормирусами.
Подобную прямую осанку имеет и морская рыба —
электрический скат. На хвосте у него тоже нет плавника, зато по
бокам тела имеются два больших плавника, которые тоже
волнообразно колеблются при движении рыбы. Обладает ли
скат не только электрическими органами нападения, но и
электрическими органами «зрения», еще не установлено, но
одновременное сочетание стольких особенностей,
по-видимому, говорит в пользу такого предположения, хотя скат и
живет в морской воде, довольно хорошо пропускающей
электрический ток. Быть может, существование в морской воде
привело к развитию новых особенностей, о которых еще
предстоит узнать.
Мы уже говорили, что расположенные по соседству
радиолокаторы или приемопередатчики практически никогда не
работают на одинаковой длине волны, иначе они будут
создавать чрезвычайно сильные взаимные помехи. Рыбы с
электрическими органами «зрения» собираются в группы, но,
очевидно, не создают помех друг другу. Как это им удается?
Недавно на этот вопрос нашли ответ японские ученые. Они
104
помещали рыбу в аквариум и измеряли частоту излучаемых
ею электрических импульсов. Обычно частота была всегда
одной и той же. Но если ученые с помощью специального
прибора искусственно создавали электрическое поле такой
же частоты, то рыба немедленно изменяла частоту
излучаемых ею импульсов, она как бы отстраивалась от помех.
Читая о летучих мышах, вы, быть может, задумывались,
каким странным и непривычным показался бы мир, если бы
вместо глаз мы вдруг обрели органы эхолокации. Быть может,
вы даже пытались представить себе этот ультразвуковой мир,
сравнивая его с привычным миром слуховых образов. Но
представить себе, каким воспринимает мир голохвост, еще
труднее. И тем не менее это нужно сделать. Чем точнее
удается ученому представить мир, в котором существует
интересующее его животное, тем правильнее и полнее ему
удается исследовать и объяснить его особенности.
У любого подлинного исследователя должно быть
богатое воображение. И чем настойчивее он будет стараться
проникнуть в мир ощущений исследуемого животного, чем чаще
будет пытаться представить себя на его месте, тем
плодотворнее и успешнее будут результаты.
Инженеры пока что не умеют достаточно детально
моделировать мозг животных. Но промоделировать генератор
электрических импульсов голохвоста и нервные клетки,
чувствительные к электрическому полю, вполне в их силах уже
теперь. Создав такую модель, люди смогут собственными
глазами увидеть те узоры, которые образуются окончаниями
электрических силовых линий на коже головы голохвоста.
Быть может, они окажутся достаточно схожими с привычными
человеку зрительными образами. Тогда инженеры,
несомненно, воспользуются принципами электрического «зрения», и на
подводных лодках на помощь капитану придут не только
гидролокаторы, но и «гидроэлектровизоры». Пока это лишь
моя фантазия. Воплотится ли она в жизнь, s\b\ со временем
узнаем.
Итак, изучение рыб дало свои плоды. Ученым удалось
открыть поистине удивительные органы чувств. Но органов
эхолокации они у рыб не нашли.
Быть может, их следовало искать у морских
млекопитающих? Ведь море населено многочисленными видами китов,
моржами, тюленями и другими животными. Может быть, у
кого-нибудь среди этих животных посчастливится найти
органы звуколокации?
Но сразу же возникает другой вопрос: кого изучать?
Поселить в океанариуме таких гигантов, как голубой кит,
гренландский кит, кашалот, невозможно, а изучать их в есте-
105
ственных условиях невероятно трудно. К счастью, не все
представители отряда китов великаны. К этому отряду
относятся и дельфины. Они сравнительно невелики (длина менее
двух с половиной метров), их нетрудно ловить, и они хорошо
переносят неволю. И еще одно замечательное свойство
дельфинов облегчает работу с ними и даже доставляет
удовольствие дрессировщикам и ученым: дельфины на редкость
дружелюбны и понятливы, хотя ведут совершенно иной образ
жизни, чем сухопутные животные. Они обладают большой
силой и вступают в бой даже с акулами, но не было еще ни
одного случая, когда дельфины проявили бы враждебность к
людям.
В последнее десятилетие в разных странах построены
океанариумы — своеобразные водные цирки, где в главных
ролях выступают дельфины. В океанариумах проводятся
также научные наблюдения за ними. Кроме того, есть новые
бассейны специально для проведения экспериментов над этими
удивительными животными. Ученые хотят узнать, как удается
дельфинам плавать с такой большой скоростью, стремятся
расшифровать смысл множества звуковых сигналов,
которыми обмениваются дельфины, и, разумеется, тщательно
изучают их органы звуколокации. Ибо теперь установлено, что эти
обитатели второй стихии обладают звуколокацией.
Она очень совершенна. По мнению многих ученых,
органы звуколокации дельфинов значительно превосходят самые
лучшие современные гидролокаторы. Современный
обзорный гидролокатор, построенный американскими инженерами,
позволяет обнаруживать предметы размером не менее
7,5 сантиметра, а дельфин своими органами звуколокации
обнаруживает на расстоянии 15 метров дробинку или крошки
пищи размером 2—3 миллиметра. Он может не только
находить рыб, но и с замечательной точностью (в 98 случаях из
100) определять их породу. По данным некоторых
исследователей, дельфиньи гидролокаторы действуют на расстоянии до
3 километров.
Органы звуколокации, вероятно, есть и у других видов
китов. Так, кашалоты охотятся на глубинах до двух с
половиной километров, где царит вечный мрак и глаза почти
бесполезны. Как кашалоту удается на таких глубинах находить
добычу, точно пока не известно; можно предположить, что
у кашалотов есть органы звуколокации.
Локационные звуки дельфинов имеют высокую частоту —
до 150—200 тысяч колебаний в секунду. Однако дельфины
слышат не только ультразвуки, они воспринимают и все те
звуки, которые слышат люди. Диапазон воспринимаемых звуков
особенно широк: пожалуй, шире, чем у каких-либо других
106
животных: от 150 колебаний до 150—200 тысяч колебаний
в секунду.
Но дельфины имеют не только замечательный слух: они
обладатели прекрасного зрения, которое одинаково хорошо
служит им и под водой и в воздухе. В одном из
океанариумов дельфинов обучили выполнять забавный номер —
хватать в воздухе мяч и забрасывать его в баскетбольную сетку.
Чтобы увидеть мяч, дельфин плывет у самой поверхности
воды, так что его глаза оказываются в воздухе. Заметив мяч,
он разгоняется в воде, очень точно выбирает скорость
разгона и место прыжка; хватает пастью мяч и, высоко взлетев над
водой, точно забрасывает его в сетку.
Всем нам не раз приходилось нырять. И s\b\ знаем, что в
воде даже близкие предметы кажутся расплывчатыми и
нечеткими. Десятикопеечную монетку можно увидеть не
дальше чем на расстоянии вытянутой руки, а человека — на
расстоянии до 10—12 метров. И дело не в том, что вода менее
прозрачна, чем воздух. Причина в различии оптических
показателей воды и воздуха, так называемых коэффициентов
преломления света. У воды коэффициент преломления
значительно больше. И поэтому в воде наши глаза,
приспособленные для зрения в воздухе, становятся безнадежно
дальнозоркими, такую дальнозоркость невозможно исправить
никакими очками. Мы хорошо слышим звуки в воде, когда между
ухом и водой нет воздушной прослойки, но, чтобы хорошо
видеть в воде, такая прослойка возле глаз необходима. Вот
почему многие ныряльщики надевают маску.
Чтобы одинаково хорошо видеть в воздухе и в воде без
специальных приспособлений, глаза дельфинов должны быть
особенными. К сожалению, они изучены еще недостаточно
хорошо, и мь\ не знаем секрета их устройства. Остается пока
неясным, зачем нужно дельфинам одинаково хорошо видеть
и в воздухе и в воде. Но, конечно, особенности зрения этих
животных не случайны. И мы можем предположить, что
зрение в воздухе для них не менее важно, чем в воде. Мы
знаем, что у других обладателей звуколокации, у летучих
мышей, и у обладателей органов электрического «зрения», у го-
лохвостов, глаза почти атрофированы. Новые органы чувств
развились у них в ущерб зрению. Дельфины, в отличие от
многих других животных — моржей, тюленей, выдр,— не
выходят на сушу. Всю жизнь они проводят в воде, то есть там,
где глаза могут играть меньшую роль, чем слух. К тому же
у дельфинов отличная звуколокация. Казалось бы, она
должна была развиться за счет зрения. Но этого не случилось.
Дельфины имеют не только звуколокацию, но и отличный
слух, и прекрасное зрение, приспособленное к двум средам.
107
Разумеется, работа всех органов чувств зависит не только
от их устройства, но и от того, насколько совершенен мозг,
который принимает электрические сигналы от органов чувств.
Дельфины и в этом резко отличаются от других животных.
Мозг дельфинов поражает исследователей своей сложностью.
По размерам и развитию он значительно превосходит мозг
всех сухопутных животных, в том числе человекообразных
обезьян, и, как считают некоторые ученые, почти не уступает
мозгу человека. Но об этом в следующей главе.
А сейчас остается в нескольких словах рассказать о
простейшем водном животном — о медузе. Вернее, о свойстве
ее единственного уха. Оказывается, оно великолепно
слышит инфразвуки, то есть звуки совсем малой частоты,
настолько малой, что люди их не воспринимают. Но медузам инфра-
звуковой слух необходим. Он позволяет слышать звуки
далеких штормов и узнавать заранее об их приближении. Изучив
это свойство слуха медузы, наши инженеры создали
несложный прибор, который воспринимает инфразвуки гораздо
лучше медузы и предупреждает моряков о приближении
шторма даже раньше, чем синоптики.
ВТОРАЯ СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА?
Зачем птицы поют, о чем говорят их песни?
Вопрос этот дети всегда задают старшим. Раньше, когда
люди верили в бога, ответ был коротким и ясным: «Птицы
своим пением славят господа». Для религиозного человека
такого объяснения было вполне достаточно: бог — творец, он
создал птиц по своей божественной воле; для собственного
удовольствия наделил их ярким оперением и звучными
красивыми голосами. Теперь времена веры безвозвратно уходят,
и в наши дни такое объяснение не удовлетворит даже
ребенка.
Было и другое объяснение, которое еще сейчас бытует
среди людей, не ученых, но близких к природе — крестьян,
охотников. Это объяснение на первый взгляд кажется самым
естественным и убедительным: птицы разговаривают между
собой, так же как разговаривают люди. И действительно,
наблюдая за птицами, иной раз трудно отделаться от этой
мысли. Вот, например, всеобщие знакомцы — воробьи. Обычно
они не собираются в большие стаи, но в иные дни сотни их
рассаживаются на ветвях какого-нибудь дерева и часами
неугомонно чирикают. Многочисленные и продолжительные
«совещания» нередки и у ворон, а долгое щебетанье ласто-
103
чек, рассевшихся на проводах, похоже на болтовню
деревенских кумушек.
Конечно, щебетанье ласточек намного отличается от
болтовни собравшихся у колодца кумушек, а карканье вороны —
от самого скучного выступления оратора. Человеческая речь
и звуки, издаваемые птицами, несравнимы по своей
сложности. Речь человека — действие неизмеримо выше
организованное, чем птичий гомон. Но ведь должен же иметь гомон
какое-то значение в жизни птиц!
Еще недавно некоторые категорически утверждали, что
звуки, издаваемые животными и птицами, никакого
отношения к передаче сообщений не имеют. Мысли о том, что у
животных может быть сигнализация, они считали величайшей
ересью, покушением на павловское учение. Они боялись, что
признание возможности звуковой сигнализации у животных
приведет, в свою очередь, к признанию существования у
животных второй сигнальной системы, а значит, и мышления.
Ибо речь и мышление у человека возникли и развивались
одновременно с возникновением второй сигнальной системы.
Павлов утверждал, что вторая сигнальная система есть
только у человека. Но он никогда не считал, что в области
высшей нервной деятельности между человеком и
высокоорганизованными животными пролегает непроходимая
пропасть. Наоборот, он был убежден, что такой пропасти нет, и
лучшим доказательством тому являются его опыты над
животными, помогавшие ему объяснить и высшую нервную
деятельность человека. Конечно, Павлов не раз подчеркивал
различие между высшей нервной деятельностью человека и
животных. Это различие действительно очень велико, однако
высшая нервная деятельность и человека и животных
повинуется общим законам.
Но, к сожалению, в ученой среде нашлись такие люди,
которые считали себя большими павловцами, чем сам Павлов.
Не имея ни знаний, ни способностей гениального ученого, они
каждое его слово, каждое предположение возвели в
непререкаемый закон. Они предали забвению один из главных
заветов Павлова, его знаменитые слова, что «факты есть воздух
науки»; их страшили новые факты, новые идеи. И когда
зародилась кибернетика, именно догматики поспешили
проклясть новорожденную и объявить ее лженаукой.
И все-таки им не удалось ни заморозить павловское
учение, ни отменить кибернетику, которая на новой более
высокой ступени утверждает основы павловского
физиологического учения. Как и оно, кибернетика указывает, что любое
живое существо непрерывно воспринимает и перерабатывает
информацию, поступающую от внутренних органов и из
109
внешней среды, в частности от других животных. Кстати,
только кибернетика сможет точно указать, в чем же
конкретно состоит несомненное различие между речью
человека и сигнальными звуками животных. Но для этого надо
еще глубже изучить человеческую речь и сигнальные звуки
животных.
Такое время настало. И возможно, через несколько лет
мы узнаем, зачем птицы поют, о чем говорят их песни. Но
почему только в самые последние годы ученые взялись за
разгадку птичьих песен? Неужели никто из ученых не мог
сделать этого раньше?
Все вы, разумеется, слышали о загадке шаровых молний.
Эти таинственные светящиеся шары издавна привлекают
внимание физиков. Ученые уже глубоко изучили атмосферное
электричество, и обычные молнии для них не представляют
загадки. Ученые сумели раскрыть куда более сложные тайны
атомного ядра и звезд. Но природа шаровой молнии
остается все такой же загадочной, как и сто лет назад.
И вовсе не потому, что она непостижима. Причина в том,
что шаровую молнию почти невозможно наблюдать. Никто
не может предсказать ее появление, оно всегда неожиданно
и случайно. Поэтому никому еще не удазалось подготовить
заранее научно-исследовательскую аппаратуру или хотя бы
кинокамеру для съемки шаровой молнии. Во всем мире
достоверных фотографий шаровой молнии насчитываются
буквально единицы, но и они, как правило, сделаны не учеными,
а фотолюбителями с помощью обычных фотоаппаратов.
Если бы шаровые молнии не были столь редким явлением,
если бы они возникали так же часто, как и обычные, наука
уже разгадала бы их тайну, и — кто знает? — эта разгадка,
быть может, дала бы в руки физиков ключ к решению
другой, необыкновенно важной для человечества проблемы —
управляемой термоядерной реакции.
Пример этот, взятый из физики, не случаен. Он
показывает, что изучать удается только то, что можно неоднократно
воспроизводить и наблюдать в ходе научного эксперимента.
Птичьи голоса мы слышим ежедневно, но до самого
недавнего времени h\b\ не умели точно воспроизводить их.
Среди людей нередко встречаются такие, которые очень ловко
подражают пению птиц. Но как бы ни были похожи трели
звукоподражателей на соловьиные, s\b\ не можем изучать пэ-
ние пернатого лауреата, пользуясь услугами
звукоподражателей. Ведь ни у них самих, ни у слушателей нет ни малейшей
уверенности в том, что звукоподражание совершенно точно
передает все самые мельчайшие детали соловьиной песни.
Охота за птичьими голосами началась после того, как ра-
110
диоэлектроника подарила любителям птичьего пения и
ученым, изучающим птиц,— орнитологам — легкие переносные
магнитофоны, которые можно взять в лес и абсолютно
точно записать, а потом сколько угодно воспроизводить пение
любой птицы. Не так давно инженеры создали особо
чувствительную кинопленку, и киноаппарат стал надежным
союзником магнитофона при наблюдении за птицами. А в
лабораториях орнитологов появились еще новые важные электронные
приборы, так называемые анализаторы звуковых колебаний.
Они позволяют изучать тончайшую структуру звуков.
Магнитофонные записи, кинофильмы, отснятые в лесах,
наблюдения за повадками птиц, а также лабораторное
изучение звуков помогли сделать первые важные успехи в
изучении голосов птиц. Теперь ученые не сомневаются в том, что
звуки, издаваемые птицами, играют роль сигналов.
Далеко не все птичьи сигналы удалось расшифровать, но
и то, что уже стало ясным, показывает, насколько важны в
жизни птиц сигналы.
У каждого вида птиц, и даже у птиц одного и того же
вида, но живущих далеко друг от друга, есть свои собственные
сигналы. Они сопутствуют всем важнейшим действиям.
Птицы подают их во время перелетов, строительства гнезд,
образования пар, предупреждают об опасности, подают команды
птенцам. Изучение голосов птиц показало, что многие виды
птиц слышат и издают не только обычные звуки, но и
ультразвуки.
Пока еще не ясно, насколько богат «словарь» птиц того
или иного вида. Потребуется большая работа, прежде чем
мы узнаем это: ведь расшифровать и изучить язык птиц — за-
111
дача не менее сложная, чем расшифровать и изучить
письменность и язык предков теперешних жителей острова Пасхи.
Но уже и сегодня можно утверждать, что, хотя звуковая
сигнализация у птиц и предназначена для передачи сообщений,
это не речь, в том смысле, в каком мы привыкли ее
понимать. В то же время сигналы являются звуковыми
символами, отображающими некоторые явления внешнего мира,
действия и эмоции. В таком смысле сигнальные звуки можно
уподоблять словам. А это означает, что у птиц, быть может,
существуют какие-то зачатки второй сигнальной системы.
Ученые тщательно исследуют сигнальные звуки и у
млекопитающих, в особенности у обезьян, живущих большими
стаями. У них также обнаружены разнообразные сигнальные
звуки, но и они не являются речью в полном смысле этого
слова.
Сейчас мнение большинства зоологов сводится к тому, что
сигнальные звуки — явление всеобщее в мире животных. Они
уже открыты у насекомых, рыб, птиц и зверей. Почти все
зоологи считают, что сигнализация не есть речь. Речь гораздо
сложнее, и в этом ученых убеждает сравнение мозга
человека с мозгом всех других животных. Человеческий мозг
размерами и сложностью строения значительно превосходит
мозг животных. Разумеется, мозг кита и слона значительно
больше человеческого. Но сравниваются не просто
абсолютные размеры, а отношение веса мозга к весу тела. До
недавнего времени считалось, что это отношение для
человеческого мозга во много раз больше, чем для мозга всех других
животных, населяющих землю.
Однако такое мнение оказалось ошибочным. Около
двадцати лет назад
установили, что очень большим
и сложным мозгом
обладают дельфины.
В середине
пятидесятых годов физиолог Джон
Лилли, уже известный к
тому времени своими
исследованиями мозга
обезьян и кошек, почти
случайно занялся
исследованиями мозга
дельфинов. Сперва он
проводил научную работу в
океанариумах, но
постепенно так увлекся этими
животными, так полюбил
"^ЛЩШШ^
их, что прекратил все прежние научные работы и, построив
специальный бассейн на берегу Карибского моря, всецело
посвятил себя изучению дельфинов.
И не только изучению — Лилли поставил перед собой
кажущуюся фантастической цель: научить дельфинов
человеческой речи.
Лилли один из немногих, если не единственный, физиолог,
верящий в то, что у них есть собственный язык; что по
развитию они намного превосходят и собак и шимпанзе. В
поддержку собственного мнения он ссылается на большие
размеры, вес и сложность мозга дельфинов, на удивительную
разумность их поведения и на дружелюбие.
Вот что пишет Лилли о возможности речевого общения
человека и дельфина:
«Сведения, полученные при дрессировке дельфинов, и
мой собственный опыт убедили меня в необходимости
поддерживать с ними самый тесный контакт в течение
длительного времени. Такой контакт должен включать как обмен
голосовыми сигналами, так и прикосновения к коже. Если нал
когда-либо суждено добиться успеха в передаче дельфинам
нашего человеческого опыта в полной мере, то h\b\ должны
быть готовы находиться с ними в воде круглый год, по семь
дней в неделю. Другими словами, чтобы создать \лы< те же
возможности, какие мы дали бы нашему ребенку, чтобы
обучить их нашему языку и поведению, s\b\ должны изменить
собственное поведение и пойти навстречу дельфинам, освоив
привычную им среду.
Внимательно наблюдая за тем, как ребенок учится
говорить, мы поймем, что тесный повседневный контакт и
удовлетворение потребностей, постоянно сопровождаемые
произнесением слов, составляют весьма значительную
часть условий, необходимых для обучения. Мозг
новорожденного ребенка весит около 400 граммов и в течение первого
года жизни увеличивается до 900 граммов. К тому моменту,
когда ребенок начинает говорить первые понятные слова, его
мозг весит примерно 1000 граммов. Тем временем, по мере
роста мозга, ребенок успевает накопить огромное
количество информации.
На протяжении этого критического периода жизни мать,
отец, сестры и братья, товарищи и вообще взрослые
непрерывно засыпают ребенка словами, сопровождая их
соответствующими жестами. Важно, что в процессе обучения
удовлетворение всех потребностей ребенка сопровождается
словами, а также мимикой и жестами. Кожа ребенка получает
раздражения, когда его купают, одевают и раздевают, кормят
и носят на руках; при этом мать все время что-нибудь
приговаривает.
Такое непрерывное воздействие словом необходимо, для
того чтобы маленький человек научился языку своего вида.
Первые слова ребенка взрослые встречают с восторгом. Как
только он научится высказывать просьбы, окружающие
обычно стремятся их удовлетворить *.
Если при обучении человека членораздельной речи
следует постоянно применять воздействие словом и проявлять
внимание к деталям, то, желая обучить нашему языку
представителей других видов, h\b\ должны уделять им по крайней мере
столько же внимания и обеспечивать постоянный контакт с
ними».
В другом месте Лилли пишет:
«...дельфины — общественные животные, оказывающие
помощь друг другу. Для них характерна очень тесная связь
между матерью и детенышем: малыш сосет мать в течение
18—21 месяца. За время такого длительного вскармливания
мать, очевидно, многому учит его, просто на собственном
опыте и, возможно, с помощью «речи».
Возможно, что весь накопленный опыт передается у
дельфинов примерно так же, как передавались знания у
примитивных человеческих племен,— через длинные народные
сказания и легенды, передаваемые изустно от одного поколения
другому, которое, в свою очередь, запоминало их и переда-
1 Случаи воспитания человеческих детенышей зверями — не вымысел.
Несколько таких «воспитанников» были пойманы людьми. Но, попав к
людям, они уже не могли ни как следует научиться говорить, ни
по-настоящему усвоить человеческое поведение. Способности к обучению речи у
человека проявляются только в раннем детстве. Потом они угасают.
114
вало дальше. Способность к быстрому и прочному
запоминанию при таком обучении требует очень крупного мозга.
Наша письменность, книгопечатание и другие способы
хранения информации вне мозга в значительной степени
освобождают нас от необходимости запоминания. Дельфинам же все
приходится хранить в памяти, поскольку у них нет ни
библиотек, ни картотек, ни языка (в частности, языка символов) \
кроме, возможно, звукового. Среди известных нам китов нет
ни одного, у которого мозг был бы меньше, чем у человека;
быть может, дышащему воздухом млекопитающему нужен
очень быстродействующий и крупный мозг, чтобы запомнить
все те сведения, которые ему необходимы для жизни в море.
Возможно, что их образ жизни подобен жизни степных
кочевников и они перегоняют с места на место свои стада
рыб. Все это еще надо выяснить. Способы навигации этих
животных в воде тоже остаются загадкой. Мы ничего не знаем
о том, каким образом некоторые виды дельфинов
безошибочно ориентируются в открытом море, проплывая буквально
тысячи миль в нужном направлении.
Возможно, что дельфины используют в качестве
ориентиров луну, звезды и солнце... Конечно, они, быть может,
используют для отыскания направления какие-то иные
способы, о которых нам ничего не известно. Возможно,
например, что они учитывают глубину моря, характер дна, морские
течения, температуру воды, соленость, состав планктона,
вкус воды и так далее.
Чтобы установить с этими животными полное
взаимопонимание, необходим большой энтузиазм».
Каким же способом намеревается Лилли установить
речевое общение с дельфинами?
Он считает, что люди и дельфины должны непрерывно
слышать друг друга. Но tAb\ знаем, что для звуков
поверхность воды — почти непроходимая преграда. Чтобы
преодолеть ее, Лилли установил в воде гидрофоны и
громкоговорители, а на суше микрофоны и громкоговорители. Гидрофоны
улавливают голоса дельфинов, которые воспроизводятся с
помощью громкоговорителей, установленных на суше. Кроме
того, гидрофоны связаны и с магнитофонами, ведущими
непрерывную запись голосов дельфинов. А микрофоны,
установленные на суше, воспринимают голоса людей и передают
их на подводные громкоговорители. Благодаря такой системе
между дельфинами и людьми существует непрерывная связь.
Бассейн сделан очень неглубоким, меньше двух метров.
1 Имеются в виду графические символы, используемые человеком:
буквы, цифры и другие изображения. (Прим. автора.)
115
Лилли и его сотрудники много времени проводят в воде и
всячески стараются подружиться с дельфинами, они играют
с ними, обучают разным действиям. Многому из того, что
требуют люди, дельфины обучаются значительно быстрее
собак и человекообразных обезьян, с первой—второй попытки.
Весьма важное место в исследованиях Лилли играет
изучение мозга дельфина с помощью раздражения исследуемых
участков электрическим током. В череп дельфина вбивают
молотком иглу от шприца, и через внутренний канал иглы
вводят на разную глубину тончайшую проволочку—электрод,
подсоединенную к специальным электронным приборам,
посылающим в мозг электрические импульсы. По реакциям
организма дельфина на эти импульсы удается узнать, какую
роль играет тот или иной участок мозга, и, таким образом,
составить карту мозга дельфинов.
В книге Лилли подробно рассказывается об этом и
описываются первые, весьма скромные в сравнении с поставленной
целью результаты. Лилли утверждает, что ему несколько раз
удалось записать на магнитную ленту голоса дельфинов,
повторявших его слова. А недавно он сообщил журналистам,
что дельфины, живущие в его бассейне, научились просить
рыбу по-английски. Они выставляют над водой головы и
крякающими голосами кричат: More fish! More fish, Joe!l
Разумеется, эти крики могут быть звукоподражанием, а не
осмысленной просьбой. Мы знаем, что речи человека
прекрасно подражают некоторые птицы, особенно попугаи. Так,
попугаи одного из видов, обитающих в Австралии, способны
заучивать большое число слов (будто бы столько, сколько
средний англичанин!) и говорить некоторые слова как будто
бы сознательно. Так что крики дельфинов еще не
доказательство тому, что они, как рыба из сказки, говорят человечьим
языком. Но уже и то, что животные, обитающие в совершенно
иной стихии, чем мы, подражают звукам человеческой речи и
делают это с охотой,— удивительно!
Что же говорит Лилли о языке самих дельфинов?
К сожалению, немногое. Звуки, издаваемые дельфинами,
очень разнообразны, но почти не расшифрованы. Одним из
звуков, смысл которого не вызывает сомнения, является
сигнал бедствия — свист переменной высоты тона. По этому
сигналу дельфины немедленно приходят на помощь друг
ДРУГУ-
Вот какой случай произошел на глазах у Лилли:
«После операции s\b\ пустили дельфина обратно в бассейн,
чтобы посмотреть, сможет ли он плавать, так как опасались,
Еще рыбы! Еще рыбы, Джо! (Джо— имя Лилли.)
116
что его мозг поврежден в результате кислородного
голодания. Видимо, мозг действительно пострадал, потому что
животное, пытаясь плыть, все время заваливалось на правый
бок. Именно при работе с этим дельфином мы впервые
услышали и записали на магнитофонную пленку сигнал бедствия,
а также засняли на кинопленку все, что произошло в
дальнейшем.
Дельфин, выпущенный в бассейн, в котором находились
два других дельфина, издал очень короткий, пронзительный,
высокий свист, состоящий из двух фаз — возрастающей и
убывающей по высоте. Этот звук трудно было расслышать,
находясь на воздухе, но я услышал его через гидрофон; к
счастью, в это время я вел магнитофонную запись и
киносъемку.
Сигнал бедствия моментально возымел действие. Два
других дельфина быстро подплыли к дельфину, подавшему
сигнал, и, нырнув под него, вытолкнули его на поверхность так,
чтобы он мог дышать. Он, однако, сделал лишь один вдох и
вновь погрузился в воду. После этого между тремя
животными произошел быстрый обмен звуками, напоминающими
щебетанье и свист.
Затем два здоровых дельфина подплыли к пострадавшему
с правой стороны и, подставляя по очереди свои тела для
опоры, помогли ему плыть в правильном положении (не
заваливаясь на правый бок), так что на этот раз он сам смог
подняться на поверхность, чтобы набрать в легкие воздух.
Так они «опекали» его в течение некоторого времени».
Общение с дельфинами и изучение их «языка» затруднено
не только тем, что они живут в воде, а /ль\ — на суше.
Трудность еще и в том, что дельфины издают не только
слышимые, но и ультразвуки, которые мь\ не воспринимаем. Кроме
того, они издают свои звуки такой скороговоркой, что
разобрать их детально человек не в состоянии. Обычно эти звуки
записывают на магнитофоне, а затем воспроизводят с
замедленной скоростью.
Голосами дельфинов теперь интересуется не только Лил-
ли. В самые последние годы их изучением занялись и
бионики. И для этой цели создали весьма остроумный прибор. Он
преобразует звуки речи в видимые «узоры». Уже довольно
давно известно, что каждое человеческое слово имеет
собственный, очень характерный узор, почти не зависящий от
тембра голоса человека. С помощью этого прибора
инженеры надеются изучать и узоры дельфиньих слов, а потом
научиться издавать такие звуки, чтобы их узоры полностью
совпадали с узорами дельфиньих звуков. Этот путь, возможно,
даст более скорые результаты.
117
Как бы ни поражали нас способности дельфинов, не стоит
недооценивать наши собственные. И если у дельфинов
действительно есть речь, то не будет нескромным считать, что
человек раньше обучится языку дельфинов, чем дельфин —
языку людей.
Но до чего же это сложная задача! Ведь главная
трудность в изучении языка дельфинов не связана с техникой. Она
в том, что мир дельфинов и мир человека настолько
различны, что в нем почти ничего нет общего. Даже такое на
первый взгляд общее понятие «рыба» должно иметь совершенно
разные содержания в уме человека и дельфина. И даже если
дельфины действительно необыкновенно умны и умеют
говорить, их ум, их речь могут быть совершенно другими, быть
очень развитыми, но совершенно в ином направлении, чем
разум и речь человека.
Но действительно ли дельфины обладают даром речи,
разумом?
Это самый главный вопрос. И надо сказать, что
подавляющее большинство ученых сейчас не согласны с Лилли.
В этом отчасти виноват он сам. Он искренне любит своих
дельфинов — чтобы проверить, можно ли вбивать им в череп
иголку от шприца, не больно ли это, он и в собственную
голову вколачивал такую же иглу,— но Лилли поторопился
опубликовать свою работу. Она во многом интересна и с
научной точки зрения, но в главном, ради чего Лилли написал
книгу,— в исследованиях речи дельфинов и обучении их
языку человека — в этом книга имеет недостаток: в ней нет
фактов, а есть только сенсационные предположения самого
Лилли. А факты — воздух науки.
Лилли нельзя обвинить в недобросовестности. Он и сам
понимает слабость своей позиции. Но он сознательно пошел
на публикацию книги. Он убежден в своей правоте и хочет
привлечь всеобщее внимание к проблеме речевого
общения с животными. И он своего добился — его книгу прочитало
множество людей, речевое общение с животными издавна
волнует человечество.
Но, быть может, Лилли все же стоило подождать? Лиссман
изучал голохвоста много лет и опубликовал свое открытие
лишь после того, как заполучил множество бесспорных
фактов, подтверждающих его выводы. Такой метод работы
диктуется одним из правил неписаного, но признанного всеми
подлинными учеными научного кодекса чести. Лишь в редких
случаях допускается нарушать его.
Однако дело не только в поспешности Лилли. Есть и
более серьезные причины недоверчивого отношения к тому,
что утверждает Лилли о возможности речи у дельфинов. Эти
118
животные не знают труда, трудовых процессов. И
предполагать у них наличие речи и разума — наличие развитой второй
сигнальной системы — значит, в корне противоречить
общепринятой теории возникновения и развития речи и разума.
Когда какое-нибудь новое научное высказывание
противоречит основам признанной теории, оно всегда встречает
особо настороженное и критическое отношение в научных
кругах. Такое отношение вовсе не плод консерватизма.
Конечно, истории известно немало прискорбных и даже
трагических случаев, когда господствующая теория навязывалась
ученым силой. Но, как правило, господствующая теория
рождается усилиями подлинных ученых, выдающихся мыслителей
и занимает господствующее положение, потому что ее
правильность доказана множеством фактов и научных
исследований. Если бы каждый, кому вздумается, мог под флагом
борьбы с консерватизмом нападать на общепризнанные теории,
развитие науки затормозилось бы. Вот поэтому с такой
настороженностью ученые относятся ко всяким новым
данным, в корне противоречащим утвердившимся научным
воззрениям. Они признают их лишь в том случае, когда эти
данные подтверждаются неопровержимыми и тщательно
проверенными фактами. Высказывания Лилли в корне
противоречат современным воззрениям и, к сожалению, не
подкреплены достаточно убедительными опытами. Это и
настораживает ученых.
И все-таки хочется пожелать удачи Лилли и его
сторонникам. Он заслуживает ее своим энтузиазмом, тем, что первым
осмелился вторгнуться в «запретную» область исследований
и уже кое-чего добился.
А самое главное, чего уже никто не может опровергнуть
и что поражает всех — столь большой и высокоразвитый мозг
дельфинов,— говорит в пользу Лилли. Большой мозг
дельфинов— это факт! И необыкновенно важный. Природа никогда
не достигала совершенства зря, просто так. И когда люди
узнают, для чего дельфину такой мозг, все их труды с лихвой
оправдают себя, даже если дельфины окажутся немее всех
рыб.
Мы говорили об осторожности ученых по отношению к
радикально новым данным. Это чувство спасало их от многих
скороспелых выводов, от многих ошибок. Но ученые тоже
люди и не всегда могут точно разобраться в собственных
чувствах, и иной раз им бывает невдомек, что за
осторожностью кроется предубежденность, предвзятость. Предвзятость
всегда опасна, она — шоры на глазах ученого и подчас
заслоняет от него новое.
Отношение к дельфинам — пример такой предвзятости,
119
вырядившейся в одежды
научной осторожности и
обманувшей не одного, а
целые поколения
натуралистов.
Оказывается,
дружелюбие и разумность
поведения дельфинов
отмечали в своих трудах еще
древние ученые. Так,
знаменитый Аристотель,
живший в Древней
Греции две с лишним тысячи
лет назад, очень точно
описывал дельфинов:
«Среди рыбаков
бытует много рассказов о
дельфинах, рыбаки говорят об их добром и нежном
характере, о страстной привязанности к детям. Говорят, что, когда
у берегов Карий поймали и ранили одного дельфина, целое
стадо их приплыло в гавань и пребывало там до тех пор, пока
рыбак не выпустил пленника. Стадо молодых дельфинов
всегда сопровождает взрослый дельфин, чтобы защитить их.
Однажды видели стадо взрослых дельфинов и детенышей,
а на некотором расстоянии плыли два дельфина, которые
поддерживали спинами мертвого дельфиненка и не давали
ему погрузиться в воду...»
Древние не раз свидетельствовали о дружбе дельфинов и
детей. В Греции дельфин подружился с мальчиком, и дружба
эта продолжалась несколько лет; дельфин катал мальчика
верхом на собственной спине и даже перевозил через залив
в школу.
Рассказы древних были давно известны ученым. Но этим
рассказам не верили. Ученые принимали их за сказки,
сочиненные людьми в те далекие времена, когда наука, предания,
вымысел и сказки мирно сосуществовали в трудах даже
самых прославленных ученых Древней Греции.
Но вот совсем недавно, в пятидесятые годы нашего века,
к берегам пляжа Опонони, в Новой Зеландии, повадился
ежедневно приплывать дельфин. Он совсем не боялся людей.
Он всячески старался подружиться с ними: позволял себя
гладить, играл в мяч и даже катал на спине детей. Он получил
кличку Опо-Джек и вскоре прославился на весь мир. Когда
кто-нибудь делал вид, что тонет, Опо-Джек подныривал под
шутника и старался вытолкнуть его на поверхность. Опо-
Джек погиб, попав случайно под гребной винт катера.
120
И теперь на пляже Опонони установлен памятник этому
дельфину.
Опо-Джека успело повидать множество людей,
посмотреть на него приезжали даже из других стран, были сделаны
сотни фотографий Опо-Джека. Этого достаточно, для того
чтобы убедить даже самого завзятого скептика. И теперь уже
никто не сомневается, что еще одна, считавшаяся
неправдоподобной, история, рассказанная древними, оказалась
правдой. Теперь в печати все чаще появляются сообщения о
новых встречах людей с дельфинами, о случаях проявления
дикими дельфинами дружелюбия к человеку. Так факты
победили предвзятость, и мь\ заново узнали то, что было
известно уже две с лишним тысячи лет назад1.
НАШ СЛУХ
Когда мы читаем или слушаем по радио о бионике, у нас
часто создается впечатление, что эта молодая наука изучает
животных, но не человека и что органы чувств животных
значительно совершеннее человеческих. Многие из нас
убеждены, что слух у кошек и собак во много раз лучше, чем у
человека, а зрение наше уступает зрению орлов и некоторых
других птиц.
Давайте разберемся, так ли это на самом деле.
Для этого мы прежде всего должны понять, что и с чем
сравнивать. Можно ли, например, сравнивать пианино и
звонок, очки и микроскоп, гоночный автомобиль и автобус?
Конечно, пианино и звонок предназначены издавать звуки. Но
роль и смысл этих звуков совершенно различны. Да, в очках
и микроскопе главными частями являются стеклянные линзы.
Но очки нужны, чтобы исправлять недостатки зрения, а
микроскоп— чтобы получать увеличенные в сотни раз
изображения мельчайших объектов. У гоночного автомобиля и у
автобуса много сходных узлов и деталей: моторы, рулевое
управление, тормоза, колеса, баки для бензина и так далее.
Но назначение автобуса настолько отличается от назначения
гоночного автомобиля, что сравнивать их по какому-то
основному «автомобильному» признаку нельзя. Сказать, что
гоночный автомобиль лучше автобуса — бессмысленно. Почти
1 И все-таки, если, купаясь в море, вы встретитесь с дельфинами,
старайтесь держаться от них подальше. Черноморские дельфины (их
называют морскими свиньями), по свидетельству многих, тоже дружелюбны.
Но даже играя, они могут нанести сильный удар. Ведь они значительно
сильнее человека.
121
так же бессмысленно и утверждение, что слух собаки
значительно совершеннее человеческого, ибо роль и назначение
слуха собаки лишь частично совпадает с ролью и назначением
нашего слуха.
То, что человек не воспринимает звуки, которые хорошо
слышит собака,— факт такой же достоверный, как тот, что
гоночный автомобиль гораздо быстрее автобуса. Быть
может, то, что собака слышит некоторые недоступные
человеку звуки, и сыграло основную роль, когда наши далекие
пращуры решили приручить предков нынешних догов,
овчарок, сенбернаров, такс и болонок. Несколько лет назад
любители эксцентричных музыкальных записей гонялись за
граммофонными пластинками, на которых была записана
поющая собака. Этот музыкальный пес лаял, тявкал и завывал
под музыку. Но делал он это не потому, что умел петь, а
потому, что его так выдрессировали. Собаки хорошо слышат
звуки, но ни одна из них не смогла бы сознательно отличить
знаменитого «Чижика-пыжика» от прославленного
«Собачьего вальса». Поющая собака не умела петь в подлинном смысле
этого слова. А любой человек, не говоря уже о музыкантах,
может очень точно воспроизвести сложнейшую мелодию.
Итак, не верьте тем, кто утверждает, что слух собаки
лучше человеческого. Собака лучше слышит некоторые звуки.
Но слух — чувство значительно более сложное, чем простое
восприятие тех или иных звуков. Слух — это способность
анализировать, запоминать и извлекать из звуков полезную
информацию.
В этом с человеком не сравнится ни собака, ни любое
другое животное. Слух человека необыкновенно совершенен —
он именно таков, какой требуется нам в жизни. Слух собаки
тоже соответствует ее жизненным потребностям. Но
поскольку потребности эти значительно примитивнее наших, то и слух
у собак значительно проще слуха человека.
И еще одно. Если уж сравнивать способности животных и
человека слышать звуки, то стоит исследовать слух охотника,
ведущего примитивный образ жизни где-нибудь в лесах
Амазонки, и слух животных, за которыми он охотится. Но такое
исследование пока еще не проведено, хотя его результаты
могли бы оказаться исключительно интересными. Ведь
многие путешественники утверждают, что чувствительность слуха,
острота зрения, чуткость обоняния у людей, ведущих
примитивный образ жизни, значительно выше, чем у людей
цивилизованных, особенно горожан. К сожалению, пока все
научные данные о слухе и других органах чувств человека
относятся в основном именно к горожанам.
Однако и горожанам не следует сетовать на свой слух. То,
что теперь известно науке, убедительно доказывает его
совершенство.
Ухо и слух с давних пор интересуют ученых. Еще
знаменитый Клавдий Гален, врач и естествоиспытатель, живший в
Александрии, а потом в Риме почти восемнадцать веков
назад, многое знал о строении органа слуха. Но Древний Рим
пал, и наступила мрачная эпоха средневековья, когда
развитие наук почти полностью остановилось на столетия, когда
было забыто многое из того, что хорошо знали древние.
Первой страной, где возродились науки и искусства, была Италия.
Здесь на рубеже XIII и XIV веков наука начала с того, на чем
остановилась в первые столетия нашей эры. Здесь, в этой
стране, она дала мощные побеги. И недаром, обращаясь к
истокам нынешней науки, мы часто встречаемся с учеными
Италии.
Исследования слуха были возобновлены в Италии в
XVI веке. Примерно через сто лет ученые Италии, Англии и
Франции уже многое знали об устройстве органов слуха. Но
как работает ухо, удалось объяснить лишь в последней трети
прошлого века. В это время была сформулирована первая,
верная во многом и по сей день, теория слуха. Ее создатель,
один из крупнейших немецких физиков — Герман Гельмгольц
(1821—1894),— много времени посвятил изучению
физиологии слуха и зрения. Теория Гельмгольца стала тем надежным
компасом, который указывал ученым правильное
направление на пути исследований слуха.
И все-таки, хотя изучение слуха ведется уже с давних
времен, до двадцатых—тридцатых годов нашего века об этом
чувстве было известно очень мало. По-настоящему слух на-
123
чали исследовать лишь после того, как им заинтересовались
инженеры: связисты и радиоэлектроники. К этому их привело
бурное развитие телефонии, радиовещания, звукового кино
и звукозаписи. Чтобы передаваемая речь была разборчивей,
а качество звучания музыкальных радиопередач и
граммофонных пластинок лучше, инженерам требовалось очень
точно и подробно знать свойства нашего слуха. Но
радиоэлектроника не только требовала новых данных о нашем слухе;
она же дала ученым все приборы, необходимые для
проведения тончайших исследований: точные микрофоны и
излучатели звука, точные измерители звукового давления,
электронные усилители и генераторы; инженеры спроектировали и
построили специальные помещения, которые теперь
известны под названием безэховых камер и сурдокамер.
Объединение физиков, физиологов и радиоэлектроников,
сообща улучшавших радиовещание и звукозапись, привело к
созданию новой технической науки — электроакустики.
Теперь уже многое известно о нашем слухе. Именно
благодаря этим знаниям в наш быт прочно вошли многие
радиоэлектронные приборы: магнитофоны, стереофонические
приемники и проигрыватели, слуховые протезы...
В последние годы назрели новые инженерные задачи. Но
для их решения современных знаний о слухе недостаточно.
В наши дни инженеры хотят знать не только свойства слуха,
но и принципы действия слухового аппарата человека и
животных. Разгадать их и применить на практике — чисто бион-
ные задачи.
Чтобы лучше понять, каковы же эти новые задачи, стоит
коротко познакомиться с устройством человеческого уха, с
его удивительными свойствами.
В органе слуха ученые различают три основных отдела:
наружное, среднее и внутреннее ухо. Первый отдел — ушная
раковина и наружный слуховой проход. В его конце находится
барабанная перепонка, а за ней — заполненная воздухом
барабанная полость. Воздух в нее попадает через рот, он
проходит по особому каналу — евстахиевой трубе, соединяющей
барабанную полость с носоглоткой. Внутреннее ухо
помещается в костной ткани черепа. Оно имеет очень сложную
пространственную форму, и поэтому его часто называют
лабиринтом.
Барабанная перепонка представляет собой тоненькую,
всего в одну десятую миллиметра, вогнутую внутрь пленку. Она
колеблется в такт с попадающими в звуковой проход
звуковыми волнами. Ее колебания передаются воздуху,
заполняющему барабанную полость, и сложной шарнирной системе
крохотных слуховых косточек, связанных между собою при
124
Наружное-
ухо
\ Среднее \ Внутреннее
Полукружные
каналы
Евстахиева
tpvba
Круглое окно
Овальное
окно
Лестница
преддверия
Барабанная
лестница
Слуховой нерв
Этот рису нон дает представление об устройстве уха человека.
Внизу показана в разрезе улитка.
помощи суставов,— молоточку, наковальне и стремечку.
Рукоятка молоточка плотно сращена с барабанной перепонкой,
а наконечник передает колебания перепонки наковальне, та,
в свою очередь,— стремечку. Основание стремечка плотно
прилегает к так называемому овальному окну, отверстию в
черепе, за которым находится лабиринт: улитка и три
полукружных канала, расположенные в трех взаимно
перпендикулярных плоскостях. В черепе имеется и второе отверстие —
круглое окно. Оно тоже выходит в барабанную полость и
затянуто перепонкой.
Разумеется, ни барабанная перепонка, ни слуховые
косточки не воспринимают звуков; они нужны лишь для передачи,
подведения звуков к органу, реагирующему на звуки. Таким
органом является улитка. Она представляет собой полость в
костной ткани, имеющую форму спирали, и действительно
очень напоминает раковину морской улитки. У человека
улитка имеет два с половиной завитка.
Улитка заполнена особой жидкостью и разделена
поперек плоской мембраной, которая тоже закручивается по
спирали, повторяя извивы полости. Мембрана эта состоит из
множества радиально расположенных волоконец. Их
насчитывается от 16 до 25 тысяч. Длина волоконец не одинакова.
У основания улитки находятся самые короткие, а по мере
приближения к верхушке улитки их длина плавно увеличивается.
Так же по всей длине улитки расположены чувствительные
клетки. Их называют волосковые или слуховые клетки. К ним
подходят нервные окончания нейронов.
Звуковые колебания от барабанной перепонки
передаются во внутреннее ухо через воздух, заполняющий барабанную
полость, и по слуховым косточкам. Такая двойная система
передачи звуков необходима для того, чтобы преодолеть
преграду воздух — жидкость. Звук, попадая в жидкость улитки,
заставляет колебаться спиральную мембрану. Но не вся она
колеблется одновременно. Подобно тому как в рояле
струны разной длины издают разные звуки, или, иначе говоря,
колеблются с разной частотой, так и участки мембраны, а
возможно, и волоконца-струны настроены на разные частоты1.
Чем короче такое волоконце-струна, тем на более высокие
звуки оно отзывается. Каждое из таких волоконец настроено
довольно точно и начинает колебаться только в том случае,
если в жидкости, заполняющей улитку, возникают звуковые
колебания определенной частоты. Колебания волоконец
воспринимаются расположенными рядом волосковыми клетками.
1 Многие ученые считают, что на разные частоты настроены не
волоконца, а различные участки самой спиральной мембраны.
126
Реснички этих клеток соприкасаются с соответствующими
волоконцами, и когда волоконца колеблются, реснички
сгибаются и, таким образом, возбуждают слуховые клетки. От
слуховых клеток сигналы передаются нейронам и далее по
слуховому нерву в мозг.
Орган слуха всех позвоночных животных и человека
происходит от известного вам органа боковой линии,
имеющегося у современных рыб и существовавшего у наших
отдаленных водных предков.
В лабиринте расположен и орган равновесия; он
воспринимает изменения положения головы и тела в пространстве.
В сочетании с соответствующими центрами нервной системы
его называют «вестибулярный аппарат». Это название
отражает долгую историю изучения органа слуха. Исследуя строение
лабиринта, итальянские ученые прошлого уподобили улитку
винтовой лестнице, и данные ими названия частей улитки и
лабиринта сохранились до сих пор. Так, одна из частей
улитки называется барабанной лестницей (скала тимпани), а
другая — лестницей преддверия (скала вестибули), а одна из
частей лабиринта носит название преддверия (вестибули).
Рецепторы органа равновесия находятся в двух
перепончатых мешочках преддверия или «вестибюля», а также в
расширенных концах полукружных каналов. Мешочки и каналы
заполнены особой студенистой массой, в которой взвешены
крохотные кристаллики углекислого кальция — отолиты, то
есть ушные камешки. Когда мь\ наклоняемся, поворачиваемся,
ложимся, качаемся на качелях или кружимся на карусели, эти
камешки перемещаются в желеобразной массе и задевают
за реснички рецепторных клеток, раздражая их. Сигналы от
клеток передаются по нерву в мозг.
Возможно, у некоторых читателей возник вопрос: для чего
нужны три полукружных канала и почему они расположены
в трех взаимно перпендикулярных плоскостях?
Ответ прост. Мы живем в трехмерном пространстве, то
есть в таком, где плоскости могут пересекаться не более чем
в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Как бы мы
ни старались, hAb\ не можем в нашем пространстве построить
более трех взаимно перпендикулярных отрезков или
плоскостей. Поэтому любое движение любого тела всегда можно
разложить на три взаимно перпендикулярные составляющие.
Роль трех полукружных каналов как раз и заключается в
том, чтобы мы могли точно судить о положении и движениях
своего тела в трехмерном пространстве. Вестибулярный
аппарат развился в условиях притяжения к земле. В космосе,
когда сила тяжести отсутствует, он уже не дает сигналов о
том, где верх и низ. И поэтому космонавты проходят специ-
127
алькую тренировку, чтобы в невесомости не возникало ни
ошибок в движениях, ни неприятных ощущений.
Однако вернемся к тому, что сейчас особенно интересует
биоников,— к слуху.
Точно измерять и выражать числами свойства слуха наука
научилась всего лишь три-четыре десятилетия назад, когда
были созданы первые электронные измерительные приборы.
Теперь эти приборы показались бы грубыми,
несовершенными, но тогда они позволили узнать многое.
Принцип обследований слуха очень прост.
Человека, слух которого собираются исследовать,
усаживают в удобном кресле в сурдокамере. Обычная
сурдокамера гораздо проще тех, где в течение многих суток
одиночеством и тишиной испытывают космонавтов. Сурдокамера для
исследований слуха — небольшая комната без окон,
освещенная ровным, мягким светом. Ее стены, пол, потолок сделаны
из специальных звукоизоляционных материалов, а кроме
того, обшиты материалами, не отражающими звуков. В
сурдокамеру не проникает ни звука, в ней стоит почти полная
тишина, нарушаемая лишь дыханием, биением сердца и тонким
звоном крови, текущей по кровеносным сосудам. На кресле
укреплен микрофон, а в стену вделан громкоговоритель, и,
когда нужно, человек может переговариваться с
исследователями. Эксперимент длится недолго, иначе испытуемый
устанет, его внимание притупится, и он начнет ошибаться.
За стеной сурдокамеры, в другом помещении, у пульта,
заставленного электронными приборами: генераторами,
усилителями, магнитофонами и осциллографами, сидит
исследователь. Он управляет приборами и наблюдает за
испытуемым по телевизору.
Встанем за спиной исследователя и посмотрим, как он
проводит изучение восприятия человеком звуков различной
частоты.
Все, что требуется в таком опыте от обследуемого, это
нажимать на кнопку, когда он слышит звук в наушнике.
Кнопка зажигает зеленую сигнальную лампочку на стенде
исследователя.
Начинается опыт. Исследователь включает генератор
токов звуковой частоты, спрашивает у обследуемого, готов ли
он, и, когда в ответ несколько раз бодро вспыхивает зеленый
огонек, протягивает руку к генератору и поворачивает
рукояткой большой черный диск с награвированными штрихами и
цифрами. Установка окончена, против стрелки остановились
цифры 512. Это значит, что частота звука в наушнике
будет 512 колебаний в секунду. Потом исследователь берется
за другую ручку—регулировки силы звука. Для начала он
128
устанавливает такую громкость, чтобы испытуемый отчетливо
слышал звук в наушнике. Пока устанавливалась частота и сила
звука, в наушнике ничего не было слышно. Но вот установка
окончена, исследователь нажимает на кнопку — звук подан.
И сейчас же перед ним загорается зеленый огонек, а на
экране телевизора видно улыбающееся лицо —
обследуемому нравится этот похожий на игру опыт. Исследователь
отпускает кнопку, и сигнальная лампочка тотчас гаснет. Снова
рука исследователя тянется к генератору. Но он не трогает
рукоятку установки частоты, он меняет лишь силу звука,
убавляет ее и снова нажимает на кнопку. Снова в ответ загорается
сигнальный огонек. Так, шаг за шагом, исследователь
уменьшает силу звука. Постепенно испытуемый перестает
улыбаться, лицо его выражает сосредоточенное внимание — все
труднее и труднее уловить слабеющий звук. И наконец сигнальная
лампочка начинает загораться не сразу. А лицо на экране
телевизора становится напряженным, и мы понимаем, с каким
трудом удается испытуемому отличить звук от тишины. Но
исследователь еще убавляет силу звука. И тогда сигнальная
лампочка то вовсе не зажигается, то зажигается в отсутствие
звука. Если теперь чуть-чуть прибавить силу звука,
буквально на самую малость, зеленый огонек, хотя и с запозданием,
но будет зажигаться правильно.
Вот такая сила звука и есть самая малая, которую
воспринимает обследуемый. Это порог слуха на данной частоте.
Определив порог слуха на одной частоте, исследователь
переходит на другую, более высокую или более низкую, и
снова повторяется не такая уж простая игра в «слышу — не
слышу». Она длится до тех пор, пока слух человека не
будет обследован звуками всех слышимых им частот.
Разумеется, эти частоты устанавливаются не сплошь, а с
интервалами.
Бывают и более сложные эксперименты. Иногда наушник
подключают не к генератору токов звуковой частоты, а,
например, к магнитофону, на котором записана специально
искаженная речь или речь совместно с шумами, или речь
многих людей, из которой требуется выбрать и понять слова
лишь одного человека. А иногда обследуемому приходится
вслушиваться в обрывки фраз, произносимых или разными
голосами, или с разной громкостью. Вот, например, из таких
фраз, произносимых двумя голосами: «У он попа ее была
любил собака. Она он съела ее кусок убил мяса». Надо извлечь
полезную информацию. Сделать это очень трудно, а иногда
и невозможно.
Как же проводят обследования слуха животных, которые
не понимают никаких инструкций?
£ Инженер и природа
12*
Животных обучают игре в «слышу — не слышу». Для
этого у них вырабатывают условный рефлекс на звук. Услышав
звук, животное должно либо нажать на кнопку, либо
совершить какое-то другое определенное действие.
В ПОИСКАХ ОДИННАДЦАТОГО ЗНАКА
Теперь /ль\ хорошо представляем себе, как определяется
чувствительность нашего слуха к звукам различной частоты
и частотные границы слухового восприятия.
Нет ничего удивительного в том, что эти границы да и
сама чувствительность слуха различны даже у вполне здоровых
людей. Более того, они несколько меняются и у одного и
того же человека в зависимости от различных обстоятельств:
самочувствия, погоды и многих других. Поэтому пришлось
обследовать множество людей и выражать чувствительность
и границы слуха средними цифрами.
Взрослый человек воспринимает звуки с частотой от 15 до
18—20 тысяч колебаний в секунду. Дети слышат еще более
высокие звуки — до 22 тысяч колебаний в секунду, а
пожилые люди всего лишь до 13—15 тысяч колебаний в секунду.
Собака слышит и ультразвуки до частоты 35—38 тысяч
колебаний в секунду.
Порог слышимости звука не постоянен, он изменяется для
звуков разной частоты. Наш слух грубее всего на самых
низких и самых высоких частотах. Сила едва воспринимаемых
нами звуков частоты 15 колебаний в секунду или частоты
20 тысяч колебаний в секунду примерно в 30 тысяч раз
больше силы пороговых звуков частоты от 1 до 4 тысяч
колебаний в секунду.
На частотах от 1 до 4. тысяч колебаний в секунду ухо
человека необыкновенно чувствительно. Оно воспринимает звуки,
создающие ничтожные давления на барабанную перепонку.
Мощность этих звуков в миллиарды раз меньше мощности
лампочки для карманного фонаря.
Эти тихие звуки вызывают в улитке уха перемещения,
которые в тысячу раз меньше размеров самого легкого
атома — водорода. Эти перемещения равны 0,00000000001
сантиметра, то есть дроби, в которой значащая цифра является
одиннадцатым знаком. Такие фантастически малые
механические движения и вызывают в мозге ощущения самого слабого
звука.
Измерение столь малых перемещений пока немыслимо в
технике, а ученые мечтают о подобной точности и создают
130
чрезвычайно сложные и громоздкие установки, надеясь
поймать одиннадцатый знак.
Для чего это им нужно?
Для многих целей. Но, пожалуй, в первую очередь для
того, чтобы вновь — в который раз! — проверить
справедливость теории относительности Эйнштейна.
Одним из самых знаменитых физических экспериментов
был проведенный в конце прошлого столетия опыт Майкель-
сона. Задача, поставленная Майкельсоном, была
необыкновенно трудна. Он хотел установить, зависит ли скорость света
от скорости движения источника света.
Этот опыт вопреки ожиданиям и даже твердой
уверенности ученых того времени доказал постоянство скорости
света и ее независимость от движения источника света. Он
явился той необходимой опытной основой, которая подтверждала
справедливость теории относительности Эйнштейна.
Для своего опыта Майкельсон создал необыкновенно
точный по тем временам прибор. Он позволял измерять
скорость света с погрешностью 1,5 километра в секунду.
Однако и эта точность была на пределе допустимой. Изменение
скорости света в условиях Земли, если бы она все-таки
оказалась непостоянной, должно иметь сравнимую с погрешностью
измерений величину. Поэтому опыт многократно повторялся
как самим Майкельсоном, так и другими физиками. Конечно,
это делалось не ради установления нового рекорда точности,
а для проверки удивительного факта — неизменности
скорости света, для проверки теории относительности, которая
зиждется на этом факте.
Теория относительности уже давно признана учеными, но
тем не менее ее проверка является одной из важных задач
физики. Решить ее физика стремится вовсе не для того,
чтобы опровергнуть теорию Эйнштейна. Необходимо найти
границы применения этой теории — как и всякая другая, она,
видимо, должна иметь их. Но пока никому не удавалось найти
эти границы. А между тем это позволило бы сделать новый
гигантский скачок в физике. Да и не только в физике, но и в
самих наших взглядах на окружающий мир.
Чтобы раз и навсегда проверить опыт Майкельсона и
установить, постоянна ли скорость света, или она все-таки хоть
чуточку меняется, необходимо провести ее измерения с
точностью до одиннадцатого знака. Ученым требуется измерять
расстояния с погрешностью не более одной стомиллиардной
доли сантиметра.
Добиться столь высокой точности предполагают с
помощью лазеров. Они будут применены в качестве
источников света. Лазеры — стеклянные трубки, заполненные смесью
131
двух благородных газов: гелия и неона,— будут укреплены
на массивной стальной плите, подвешенной на амортизаторах
в глубоком подземелье, расположенном вдали от железных
и автомобильных дорог. (Даже самые незначительные
сотрясения почвы не должны влиять на точность измерений.)
Очень много трудностей предстоит преодолеть ученым,
прежде чем им удастся провести опыт и получить
надежные результаты. А природа измеряет перемещения в
0,00000000001 сантиметра с помощью волосковых клеток. Эти
«установки» можно разглядеть только в микроскоп, они не
боятся ни изменений температуры, ни сотрясений.
«И как это удается природе? — спрашивают инженеры.—
Вот бы и нам научиться!»
МИР ВОЛН
Мы привыкли думать, что живем в мире вещества и
предметов, которые можем видеть, слышать, осязать, обонять,
пробовать на вкус. Но наш мир не только мир вещества, но
и мир волн, заполняющих и пронизывающих все
пространство.
Свет и тепло солнца, которым обязаны мь\ жизнью, сквозь
миллионы километров космической пустоты переносят к нам
волны. Но волны существуют не только в космосе. Они —
всюду. Каждая вещь, каждый предмет отбрасывает в
окружающее пространство волны. Мы видим потому, что в глаза
попадают световые волны; мы слышим потому, что в уши
непрерывным потоком вливаются звуковые волны. Только
незримые сами по себе колебания, только волны
позволяют издалека узнавать о присутствии, о существовании вещей.
Попадая в глаза, световые волны рождают ощущение света,
сообщают о форме, цвете и размерах окружающих нас
предметов; а звуковые волны, воздействуя на уши, рождают
ощущение звуков и сообщают очень важные сведения об
окружающем мире.
Световые волны существуют в природе с тех пор, как
зажглись звезды. Звуковые смогли возникнуть лишь после
того, как на Земле образовались океаны и атмосфера. Однако
мир звуков и особенно мир света были богаты и
разнообразны уже и в ту пору, когда мир вещества на Земле был
примитивен и скуден и еще некому было глядеть на него и
вслушиваться в его звуки. И потому что мир света и звуков был
богат, волнам, в особенности световым, с самого начала
зарождения живого пришлось сыграть важнейшую роль в ве-
132
ликой лаборатории жизни. И нет ничего удивительного в том,
что зрение и слух издавна являются важнейшими чувствами
животных, населяющих нашу планету.
Помимо звуковых и световых, существуют и другие типы
волн. Это и радиоволны, отличающиеся от световых лишь
гораздо большей длиной, и ультрафиолетовые, рентгеновские
и гамма-излучения — тоже электромагнитные волны, но
значительно более короткие, чем световые. Это и волны
вещества, теоретически предсказанные и обнаруженные физиками
в двадцатые годы нашего века. Это и гравитационные волны,
предсказанные, но еще не обнаруженные.
Словом, можно еще раз повторить, что наш мир — мир не
только вещества, но и волн.
Почему же, однако, природа создала только органы,
реагирующие на световые и звуковые волны, и не создала
органов, воспринимающих волны других типов?
Пожалуй, прежде всего потому, что естественных мощных
источников ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей,
к счастью для нас, нет на Земле, а атмосфера не пропускает
этих лучей, идущих от Солнца и других звезд. Если бы на
Земле существовали мощные источники таких лучей или их
пропускала атмосфера, природа, возможно, не только не
создала бы органов, воспринимающих эти лучи, но и сама жизнь,
в том виде, в каком мь\ ее знаем, не возникла бы на Земле:
ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи враждебны
жизни.
Радиоволны могут принести вред живому только в очень
больших дозах. Природа ье смогла обучиться
радиотехнике— ей не с чем было экспериментировать. Естественных
источников мощных радиоволн на нашей планете нет. Только
молнии и другие электрические разряды создают короткие
всплески радиоволн. Но они случайны и разнохарактерна.
А природа, как и всякий другой экспериментатор, может
ставить опыты только над тем, что постоянно и неизменно
воспроизводится.
Создавать, или, как говорят в технике, генерировать
радиоволны неизменного характера люди научились лишь в
конце прошлого века. В 1886 году немецкий физик Генрих
Герц создал свой вибратор. Он хотел практически доказать
существование радиоволн, предсказанных англичанином
Джемсом Максвеллом. Вибратор Герца позволил в любую
минуту воспроизводить радиоволны и тем самым изучать их
опытным путем.
Вскоре был изобретен прибор, воспринимающий
радиоволны. Назывался он «грозоотметчик». 7 мая 1895 года на
заседании Русского физико-химического общества, состояв-
133
шемся в физической аудитории Петербургского университета,
Александр Степанович Попов докладывал о своем
изобретении. Доклад назывался «Об отношении металлических
порошков к электрическим колебаниям». Заканчивая доклад,
Попов выразил надежду, что грозоотметчик можно
значительно усовершенствовать и применить для беспроволочного
приема электрических сигналов.
Его надежда вскоре осуществилась. На заседании
Русского физико-химического общества в Петербургском
университете 12 марта 1896 года Попов провел первый в истории
сеанс беспроволочной телеграфной связи. Первыми словами,
переданными с помощью радиоволн, были: «Генрих Герц».
Во времена Попова ученые считали, что вся Вселенная
погружена в некую таинственную среду — эфир, благодаря
которому могут существовать электромагнитные волны, а
следовательно, и радиоволны. Потом было доказано, что
никакого эфира не существует. Но мир радиоволн и сегодня
часто называют эфиром.
Со времени изобретения радио прошло чуть более
семидесяти лет. Но мы уже не можем жить без радиоволн,
породивших множество искусственных органов чувств:
радиоприемники, телевизоры, радиолокаторы, приборы для
радионавигации и радиоуправления. Тысячи, десятки тысяч невидимых
эфирных курьеров со скоростью света мчатся вокруг
земного шара. Они несут в наши дома известия, музыку и
изображения; они связывают корабли с берегом, самолеты и
космические корабли с Землей; они ведут по заданному курсу
суда, самолеты, ракеты; они переносят на Землю такие
подробные изображения Луны и Марса, каких не увидишь ни в
один земной телескоп; они позволяют видеть в тумане,
следить за пульсом и дыханием космонавтов...
Отложите на несколько минут книгу и постарайтесь
представить себе, что каждый миг вас пронизывают поющие,
говорящие, но неощутимые радиоволны, примчавшиеся со всех
концов света. И если вам удастся это, вы испытаете
удивительное чувство необычайности современного мира.
Но попытайтесь представить и другое — молчащий эфир.
Эфир, в котором ваш приемник не слышит ни одной
радиостанции и лишь изредка сухо потрескивает, приняв
атмосферный электрический разряд. И снова вы испытаете странное
чувство, но на сей раз оно будет сродни чувству человека,
первым вступившего на полюс, первым вышедшего в космос.
Еще совсем недавно, во времена Попова, эфир был таким.
Миллиарды лет молчал эфир и вдруг за какие-то семьдесят
лет, которые в истории земли значат столько же, сколько
одна секунда в жизни человека, эфир научился говорить и
134
петь, передавать приказы, водить корабли, самолеты и
ракеты. Ему словно надоело молчание, длившееся миллиарды лет,
и теперь он неумолчно шумит круглые сутки. Включите
приемник в любое время дня и ночи, и вы услышите множество
станций; они настолько близки друг к другу на шкале
приемника, что настроиться на одну из них так, чтобы при этом
не мешала другая, почти невозможно.
Как ни стараются радиоинженеры, как ни
совершенствуют радиопередатчики и радиоприемники, взаимные помехи
при работе радиостанций непрерывно возрастают. Принято
множество законов и международных соглашений,
направленных на борьбу с помехами. Но эфир вышел из
повиновения, он словно взбесился и, вместо того чтобы помогать
радиосвязи, все чаще и чаще начинает мешать ей. И если не
найти каких-то новых методов, новых принципов радиосвязи, в
ближайшие годы в эфире может начаться совершеннейший
хаос.
Мы уже знаем, что два или тем более несколько близко
расположенных радиопередатчиков или радиолокаторов не
могут работать на одной и той же волне (частоте колебаний);
они будут настолько сильно мешать друг другу, что связь и
локация окажутся невозможными. Чтобы этого не случалось,
во всех странах существуют особые государственные
комиссии по распределению радиочастот. Они присваивают
каждому устройству, излучающему радиоволны (вплоть до
медицинских лечебных аппаратов), строго определенную частоту
и следят за тем, чтобы все эти устройства работали только на
разрешенных длинах волн. Самовольный, без разрешения
комиссии, выход в эфир — преступление. Чтобы навести по-
135
рядок в пользовании радиоустановками во всем мире,
организована и международная комиссия по распределению
радиочастот, решениям которой добровольно подчиняются все
государства. Но, как видно, не помогает и это;
радиостанции мешают друг другу.
А в военное время положение может ухудшиться — до
соглашений ли во время войны? Боевые действия велись бы
не только на земле, в небесах и на море; жесточайшая
схватка качалась бы и в эфире. Воюющие стороны стали бы делать
все, чтобы помешать четкой работе радиоприемников,
передатчиков и радиолокаторов противника. Создание
помехоустойчивой аппаратуры, позволяющей осуществлять
надежную радиосвязь, радионавигацию, радиоуправление и
радиолокацию в условиях намеренных помех—очень сложное дело.
В военном смысле создание помехоустойчивой
аппаратуры равносильно если не полной военной победе, то по
крайней мере выигрышу одного из самых решающих сражений.
Здесь мне хочется сделать небольшое, но необходимое
отступление.
В этой книге вы встретитесь с инженерными задачами
военного характера. Тут уж ничего не поделаешь. В такое время
мь\ живем. Наш мир — не только мир вещества и волн; это
мир водородных бомб и ракет. И, как это ни прискорбно, их
изобрели инженеры и ученые. К счастью, любое военное
изобретение, даже водородную бомбу и ракету, можно
демобилизовать и заставить работать на благо человечества.
Сегодня мы живем надеждой на это. Мы верим, что честным
людям удастся предотвратить войну.
Но в некоторых странах есть еще люди, мечтающие
уничтожить наше государство, и ради этого они готовы на все. Они
хотят создавать все новые виды оружия, военной техники.
В США первая конференция по бионике была созвана и
организована военными. И даже само название новой науки,
новое слово «бионика», было предложено майором военно-
воздушных сил США Стиллом.
В США бионикой в первую очередь заинтересовались
потому, что она, как и физика, математика, кибернетика,
радиоэлектроника и многие другие, используется сейчас не
только в мирных, но и в военных целях. В этом беда бионики,
трагедия современной науки и техники.
К сожалению, даже некоторые ученые считают, что
нынешние успехи науки и техники почти целиком объясняются
мировыми войнами и подготовкой к ним. Разумеется, нельзя
скинуть со счетов то, что на развитие исследований и
разработок военного характера затрачиваются очень большие
средства. Это дало свои результаты: отдельные исследования в
136
физике, химии, электронике и некоторых других областях
ускорились. Но такое ускорение не может быть длительным
хотя бы потому, что знаниям, не имеющим военного
значения, уже многие десятилетия не уделяется должного
внимания. Наука же едина, и когда некоторые из ее
направлений отстают, замедляется ее общее развитие.
И если мы являемся свидетелями небывалого в истории
научного прогресса, то он не объясняется войнами, а
происходит вопреки им. Войны унесли десятки миллионов
человеческих жизней, они стоили столько денег, сколько никогда не
затрачивалось на науку, они уничтожили бесчисленное
множество материальных и культурных ценностей. Трудно даже
вообразить, каких высот достигло бы знание, не будь в
нашем мире войн. Конечно, когда наука сидит на голодном
пайке, это плохо. Но не деньги ее главный двигатель, а
неистребимое стремление подлинных ученых к истине,
стремление принести пользу. В этом убеждает нас полная
драматизма история науки, об этом свидетельствуют великие
ученые всех времен и народов. И ни одно великое открытие не
было сделано во имя войны. Но многие из них были потом
использованы для убийства.
Не миновала общая участь и бионику. Но мы должны
помнить, что бионика может принести бесценную пользу. В этом
с ней могут соперничать лишь очень немногие науки.
А теперь возвратимся в мир радиоинженеров и
радиоволн.
Итак, если инженеры в ближайшее десятилетие не найдут
принципиально новых методов повышения надежности
радиосвязи, миру радиоволн угрожает хаос. Но почему в своих
поисках радиоинженеры обратились к бионике? Ведь известно,
что природа не изобрела никаких радиоприборов, что в
радиотехнике она неуч.
Действительно, природа не изобретала ни
радиопередатчиков, ни радиоприемников и, насколько известно, никогда
не имела дел с радиоволнами *. Но зато она прекрасно
освоила волны, звуковые и световые. Сходства между световыми
и радиоволнами гораздо больше, чем различий. И даже у
звуковых и радиоволн, имеющих различную физическую
природу, тоже много общего. Вот поэтому исследования слуха
и зрения человека уже оказали большую помощь радиоинже-
1 Науке неизвестно ни одно животное, имеющее какие-либо органы,
предназначенные для излучения или приема радиоволн. И если когда-
нибудь будет доказано, что телепатия все-таки существует, то это, скорее
всего, может привести к открытию каких-то совершенно новых принципов
связи. И, возможно, даже нового вида энергии.
137
нерам. Сегодня они надеются, что новые, более глубокие
исследования слуха помогут им обуздать взбесившийся эфир.
Можно назвать некоторые свойства слуха, изучение
которых позволит бороться с помехами, позысить качество и
надежность приема радиосигналов, создать некоторые
принципиально новые приборы и устройства.
Вот несколько примеров.
Первый сразу же станет ясным всем владельцам
коротковолновых радиоприемников. Часто, настроившись на какую-
нибудь дальнюю станцию, s\b\ одновременно прослушиваем и
другую, причем ее сигналы иногда бывают весьма сильными.
Если дальняя станция передает музыку, помехи — свисты,
гудение, хрипы — испортят нам все удовольствие. Но даже и
в этом случае мь\ сумеем узнать любимую мелодию. Чтобы
полностью «забить» музыку, помеха должна быть очень
мощной. Еще мощнее должна быть она, чтобы полностью
замаскировать речь. Правда, это относится только к осмысленной,
связной речи. Что же касается сообщений, кажущихся
бессмысленными, бессвязными, то человек воспринимает их с
огромным трудом. Поэтому, когда мы стараемся понять не
очень хорошо знакомый язык или набор не связанных
смыслом слов родного языка — как бывает при передачах
шифром,— и слабенькая помеха может полностью нарушить
радиоприем, но даже очень сильная не в состоянии «забить»
осмысленную родную речь.
Особенно хорошо тренирован слух у радиотелеграфистов.
Они уверенно принимают морзянку, даже если помеха в два
раза сильнее полезных сигналов. А автоматы для приема
телеграфных сигналов работают безошибочно, без сбоев,
только когда сигнал в пять-шесть раз сильнее помехи. Это
означает, что при тех же самых условиях приема радиотелеграфная
связь с человеком может осуществляться с помощью
передатчика в 10 раз менее мощного или же на расстояниях в
три раза больших, чем при приеме телеграфных сигналов с
помощью автомата. Правда, средний телеграфист принимает
примерно 100 знаков в минуту, а автомат — многие сотни.
Помимо телеграфных имеется множество других типов
автоматов, реагирующих на радиосигналы, и все они, к
сожалению, боятся помех значительно больше, чем слух человека.
А вот другой пример.
Представьте себе, что вы на вечеринке; кто-то бренчит на
пианино, кто-то включил магнитофон, в одном углу поют, в
другом жарко спорят, кто-то хлопает в ладоши, и все
стараются перекричать друг друга. В комнате такой шум и гам,
что вот-вот разболится голова. И все-таки вы слышите и
понимаете своего собеседника, а если вас заинтересуют
133
еще чьи-то слова или музыка, вы немедленно прореагируете
и на них.
Радиостанции работают на различных частотах (длинах
волн), и когда вы настраиваете ваш приемник на одну из них,
вы тем самым делаете так, чтобы приемник усиливал
сигналы нужной радиостанции и ослаблял сигналы станций,
работающих на всех других длинах волн. На вечеринке все
звуки — и голосов, и музыки — имеют примерно одинаковые
длины волн — случай совершенно недопустимый в
радиосвязи. Но слух человеческий справляется со своей задачей даже
в шуме и гаме.
Способность настраивать слух и внимание на какие-то
определенные звуки и выбирать их — а следовательно, и
нужную информацию — из хаоса всех других звуков
американские инженеры так и называют «эффект партии коктейля»,
«эффект вечеринки».
Вот еще пример.
В симфоническом оркестре насчитывается более сотни
музыкантов. В состав такого оркестра входят несколько
инструментальных групп. Всего в нем вместе с ударными более
двадцати типов инструментов. Иногда к оркестру
присоединяются и солирующие инструменты: рояль, скрипка, орган 1
или другие. Совместно с оркестром могут выступать певцы
и хор. Так, в исполнении ораторий и месс Баха, Генделя,
Моцарта, Бетховена участвуют симфонический оркестр, орган,
огромный хор и певцы — солисты.
В этом океане звуков дирижер слышит всех музыкантов,
мгновенно различает любую фальшивую ноту. Но не только
ухо профессионала способно выполнять столь сложную
работу. Каждый любитель музыки может без труда выделять
звучание отдельных групп и даже отдельных инструментов в
общем, исключительно сложном звучании оркестра.
Тренированное ухо хорошего автомеханика разбирается
в сложном звуке работающего двигателя. Оно свободно
различает в гуле и вибрациях мотора стук клапанов, поршней,
звон шатунных пальцев, дребезг ослабленных креплений —
словом, все звуки, издаваемые различными агрегатами
автомобильного мотора.
Каждому, и не один раз, приходилось зябко поеживаться
от прикосновения холодного металлического ободка
слуховой трубки врача. На что бы ни жаловался больной, врач
1 Орган мощностью и разнообразием звучания способен сравниться с
самым большим оркестром. Так, например, орган Домского собора в
Риге имеет 6768 труб длиной от 12 миллиметров до 10 метров. У него
127 регистров. Он расходует 133 тысячи литров воздуха в минуту. Зто один
из самых больших в Европе органов.
139
обязательно выслушает сердце и легкие, простукает грудь и
спину. Даже в наши дни, когда на вооружение медиков
поступили многие совершенные приборы, выслушивание и
выстукивание остаются одними из важнейших методов
обследования больных. Чтобы в совершенстве овладеть этим,
казалось бы очень простым, искусством, требуется многолетняя
практика.
Инженеры с радостью взялись бы за изготовление
«слуховых» диагностических приборов. Такие приборы могли бы
принести большую пользу не только в медицине, но и при
обследовании «здоровья» различных машин и при решении
многих других инженерных задач. Но пока еще никто не знает,
как удается нашему слуху различать конкретные сигналы
среди множества других сходных. Предстоит очень большая и
сложная работа, прежде чем это станет известным.
Изучение различных свойств и механизмов слуха человека
и животных, создание на этой основе новой совершенной
аппаратуры — одна из самых важных задач бионики.
СНОВА ЗВУК0Л0КАЦИЯ?
Рассказывая о звуколокации животных, мы предположили,
.что органы звуколокации позволяют как бы «видеть» ушами.
А человек? Может ли он ориентироваться в окружающем
пространстве при помощи слуха?
Отвечая на этот вопрос, мы прежде всего должны
обратиться к собственному опыту. Он ясно говорит нам, что мы
не знаем никаких слуховых образов шкафа, стула, книги, на-
140
стольной лампы и многих других молчащих предметов. Но
дерево мы всегда узнаем по шороху листьев, море — по
шуму прибоя, автомобиль и самолет—по гулу мотора. Даже
кухонную замарашку — сковородку — мы узнаем, когда она
урчит, поджаривая нам яичницу или румяную картошку. Есть
слова в русском языке и в языках всех других народов,
основанные на звукоподражании: кукушка, барабан, визг, лай и
множество других. Мы узнаем по голосу родных и знакомых,
певцов и радиодикторов; различаем голоса птиц и зверей.
Более того, мы всегда можем сказать, в каком направлении
находится источник звука, и, правда приблизительно,
определяем расстояние до него. Словом, слух позволяет всем нам
опознавать и определять положение окружающих нас
звучащих объектов.
Первым, кто серьезно попытался изучить способность слу*
ха определять направление на источник звука, был
итальянский физик Джованни Баттиста Вентури (1746—1822). Венту-
ри был разносторонним ученым. Помимо физики, он изучал
зрение и слух, политическую экономию, историю и даже
занимался политикой. Его имя хорошо известно авиаторам и
гидродинамикам — один из приборов для измерения потока
воздуха и потока жидкости называется «трубка Вентури».
Свои исследования пространственного слуха Вентури
начал с простейшего опыта. При желании любой из вас может
повторить его.
В центре круга радиусом около 50 метров он ставил
человека с завязанными
глазами, а сам перемещался
по окружности и,
остановившись в том или ином
месте, звонил в
колокольчик или издавал свист при
помощи флейты. Человек
в центре круга должен
был указывать
направление, откуда доносился
звон или звук флейты.
Сразу же выяснились
неожиданные факты.
Человек в центре круга
безошибочно узнавал
направление только в тех
случаях, когда Вентури
стоял точно с лезого или
с правого бока. Когда же
он стоял точно сзади или
лицом к лицу с испытуемым, тот мог правильно определять
направление, только поворачивая слегка голову из стороны в
сторону. Если же ему не разрешалось поворачивать голову,
то он не мог с уверенностью сказать, откуда пришел звук:
сзади или спереди. Ошибался он и в тех случаях, когда звук
приходил под углом 45° сзади и 45° спереди.
Дальнейшие опыты позволили Вентури установить еще
один важный факт. Он выяснил, что глухие на одно ухо
могут определять направление звука только в том случае, когда
звук длится достаточно долго и человек успевает повернуть
в его сторону здоровое ухо. Определять направление
кратковременного звука глухие на одно ухо не могут. Ученому стало
ясно, что истинным пространственным слухом обладают
только люди, одинаково слышащие обоими ушами.
Явление пространственного слуха 1 Вентури объяснил
просто: звук, попадающий в уши, не одинаков по силе; сила
звука больше, хотя и на очень малую величину, в том ухе,
которое ближе к источнику звука. Даже ничтожного различия
в силе звука достаточно, чтобы определять направление.
О работах Вентури в области исследований слуха скоро
забыли. Только через пятьдесят лет после его смерти отец
современной акустики — знаменитый английский ученый лорд
Джон Рэлей, видимо не знавший о работе Вентури, проделал
примерно такие же опыты и пришел к тем же самым выводам.
И снова в изучении слуха настала пауза.
В самом начале нашего века один немецкий врач изобрел
остроумный способ обследования слуха, позволивший
безошибочно уличать людей, симулировавших глухоту на одно
ухо. Этот способ и ныне успешно применяется медиками. Его
суть очень проста. Мы знаем, что если человеку со
здоровым слухом подводить один и тот же звук отдельно к
каждому уху — например, с помощью наушников,— он все равно
будет ощущать его как единый звук. Точно так же будет
ощущать звук и симулянт: слышать иначе не в его воле. Но
человек, действительно глухой на одно, скажем правое, ухо,
будет слышать только, когда звук есть в левом наушнике. Если
звук в левом наушнике выключить и оставить только в
правом, такой человек скажет, что он ничего не слышит. То же
самое скажет и симулянт. Но если врач лишь ослабит звук в
левом наушнике, а не выключит его совсем, ответы
действительно глухого на правое ухо человека и симулянта будут
разными. Первый скажет, что он слышит слабый звук в левом
наушнике. А обманщик тотчас попадется. Когда звук в левом
1 Явление пространственного слуха называется «бинауральный эффект»,
то есть эффект двух ушей.
142
наушнике станет слабее,
чем в правом, ощущение
будет точно таким же,
как если бы звук
приходил только из правого
наушника, и
притворщику волей-неволей
придется сказать, что он ничего
не слышит. Обмануть
врачей не сможет и самый
хитрый симулянт, даже
если ему доведется из
этой или какой-нибудь
другой книги узнать о
методике обследования.
Объяснение пространственного слуха, данное Рэлеем,
просуществовало неизменным тоже около полувека. Только
перед первой мировой войной были высказаны
предположения, что мы определяем направление прихода звука не по
различию громкости, а по различию времени его прихода в
левое и правое ухо. Звук имеет скорость 330 метров в
секунду. Размеры головы человека очень невелики, и поэтому
даже для звука, приходящего точно сбоку, разница во времени
прихода в ближнее и дальнее ухо составляет всего 0,0005
секунды. Мы способны определять направление звука с
точностью до 3°. При этом запоздание становится ничтожно
малым — всего 0,000025 секунды.
Новое объяснение пространственного слуха было
встречено с недоверием. Ученые считали, что уловить столь
ничтожную разницу во времени нервная система не сможет. Когда
началась первая мировая война, французской и немецкой
армиям срочно потребовались звукоулавливатели для
обнаружения самолетов, звукопеленгационные станции для
отыскания замаскированных вражеских батарей и гидроакустические
приборы для подводных лодок. Чтобы создавать и
совершенствовать эти приборы, были необходимы новые точные
данные о свойствах пространственного слуха. Французские и
немецкие ученые в глубокой тайне начали исследовать слух
человека. Тогда-то и подтвердилась новая гипотеза о
пространственном слухе. Опыты показали, что человек действительно
различает разницу во времени прихода звука в левое и правое
ухо. Это не значит, что он может сказать, в какое из ушей
звук пришел раньше, в какое — позже; изменения в различии
времени прихода звука ощущаются как изменения в
направлении его прихода.
Благодаря этим опытам, которые после окончания первой
143
мировой войны рассекретили, ученые поняли, что в
центральной нервной системе существует некий очень тонкий и
чувствительный механизм, позволяющий определять направление
прихода звука. Но приступить к детальным исследованиям
удалось только тогда, когда радиоэлектроника снабдила ученых
совершенной электроакустической аппаратурой и
чувствительными приборами для регистрации электрических процессов
в нервных клетках.
Однако приборы не могли сами по себе дать ученым
ответа на интересующий их вопрос. Необходимо было понять,
что, собственно, предстоит исследовать в нервной системе;
следовало разработать методику экспериментов. К счастью,
это оказалось не очень трудным делом. Требовалось лишь
немного изменить и дополнить известную вам методику
обличения симулянтов.
Исследования бинаурального слуха с помощью
электронных приборов начались в тридцатые годы нашего столетия,
но только в самом начале шестидесятых годов физиологам
удалось успешно провести опыты, приоткрывающие завесу
над тайной бинаурального слуха.
Эти опыты проводились на наркотизированных кошках.
В отличие от людей, подопытные животные не могут отвечать
на вопросы исследователей и сообщать о своих ощущениях.
Да ощущения и не интересовали ученых. Их главной целью
было понять процессы в нервной системе, в слуховых долях
больших полушарий головного мозга.
Прежде чем приступить к описанию опытов, мне хочется
обратить ваше внимание на один факт, который неизменно
приводит в глубокое удивление всех, кто узнает о нем
впервые. Он заключается в том, что левой половиной тела
заведует правая сторона мозга, а правой — левая сторона \
Почему это так, пока еще никто толком не объяснил.
Теперь займемся опытами.
Итак, кошка в сурдокамере. Ей дают наркоз, и она
засыпает. Затем в уши ей вставляют специальные наушники,
подключенные к генератору токов звуковой частоты, а в
слуховые доли больших полушарий мозга вводят электроды,
связанные с электронными усилителями, осциллографами для
наблюдений и самописцами, вычерчивающими кривые на
бумажной ленте.
Подготовка окончена. Все приборы включены, но звука
в наушниках еще нет: по экрану осциллографа для
наблюдений параллельно друг другу бегут яркие голубые точки, а
1 Следует запомнить, что это утверждение верно лишь в общем.
Фактически дело обстоит гораздо сложнее.
144
за ними тянутся медленно-медленно угасающие следы — две
прямые, параллельные линии.
Начали! Подаем в левый наушник кратковременный
звуковой сигнал. И тотчас яркие голубые точки на экране
осциллографа и перья пишущего осциллографа изменяют свой
путь. Они ползут вверх, задерживаются некоторое время у
вершины, а потом снова спускаются вниз до первоначального
уровня. Вместо двух параллельных прямых на экране светятся
две изогнутые линии — изображение электрических
импульсов, возникших в слуховых долях мозга в ответ на
раздражение слуха.
Но почему ответ возникает в обеих долях? Ведь левым
ухом заведует правая доля. На этот вопрос мы не станем
сейчас отвечать, но запомним его. А пока давайте
внимательно изучим кривые. На экране наблюдательного осциллографа
они уже угасли, но у нас есть бумажная лента, на которой
вычерчены те же самые кривые. Оказывается, оба импульса
одинаковы по форме, но их величина различна: импульс в
правом полушарии (он ведает левым ухом) заметно больше,
чем импульс в левом.
Какими же будут отклики, если мы подадим звуковой
раздражитель только в правое ухо?
Подаем звук. И снова все повторяется, с той лишь
разницей, что теперь больший импульс возникает в левом
полушарии, а меньший — в правом. Как и прежде, на звуковой
раздражитель откликнулись оба полушария.
Но если слуховые доли обоих полушарий отзывались при
подаче звука только в одно ухо, они тем более должны
отозваться на подачу звука в оба уха. В чем же будет разница?
Попробуем узнать это. Подадим звук не одновременно.
Наш генератор токов звуковой частоты позволяет провести
такой опыт. Мы поворачиваем ручку регулировки разности
времени и устанавливаем ее ну хотя бы в положение
+ 0,0002 секунды. При этом звук в левом ухе будет опережать
звук в правом точно на 0,0002 секунды.
Подаем звук. На экране действительно возникают два
импульса. Импульс в правом полушарии уменьшился, а в левом
увеличился в сравнении с тем случаем, когда мы подавали
звук только в левое ухо; но все равно импульс в правом
полушарии больше импульса в левом.
Повернем теперь ручку в положение — 0,0002 секунды.
Теперь звук в левом ухе будет запаздывать точно на 0,0002
секунды, а импульсы на экране осциллографа как бы
поменяются местами в сравнении с предыдущим опытом: в левом
полушарии импульс станет больше, чем в правом.
И последний опыт. Мы подадим звук в оба уха строго
145
Звуковой
ГЕНЕРАТОР
Усилитель
биотоков
и
ОСЦИЛЛОГРАФ
А
Усилитель
биотоков
и
осциллограф]
Е
Звун через наушнини подается в оба уха ношни.
Из слуховых центров обоих полушарий мозга через усилители
отводятся элентричесние потенциалы,
их осциллограммы изображены справа.
одновременно, но сила звука в наушниках будет
неодинаковой. Такой опыт даст примерно те же результаты, что и два
предыдущих: импульсы появляются в обоих полушариях,
импульс в правом полушарии больше, когда звук громче в
левом ухе, и наоборот.
Какие же выводы можно сделать из проведенных опытов?
Прежде всего мы можем ответить на вопрос: «Почему в
ответ на раздражитель, поданный только в одно ухо,
импульсы возникают в слуховых долях обоих полушарий?»
Правда, объяснение будет не полным, оно само вызывает
новые и еще более сложные вопросы, ответа на которые
современная наука еще не нашла. Но и такое объяснение
немного приоткрывает завесу над тайной пространственного слуха.
Слуховые доли обоих полушарий головного мозга
откликаются, потому что нервные проводящие пути слухового
аппарата не просто перекрещиваются, направляясь от улитки
левого уха в правое полушарие, а от улитки правого — в
левое, но и разветвляются, а также каким-то образом соединя-
146
Звук в пра вое ужо
Звук в оба уха
£_L.
1.
1
В ПРАВОЕ УХО РАНЬШЕ
ЫА а 0002 СЕК
li IIII 1111 ! м м I • 11111
О 10 20 30 40
Bpemq
в тысячных долях
СЕКУНДЫ
Звук в левое ухо
1.
1.
Звук е cs4 уха
1
В-ЛЕВОЕ УХО РАНЬШЕ
на O.Q002CEK.
ются между собой. Точные карты нервных путей показывают,
что такие разветвления и соединения действительно
существуют и даже не в одном, а в нескольких пунктах.
Бег нервных импульсов от улитки к мозгу можно
уподобить эстафете с четырьмя промежуточными финишами.
Старты эстафеты начинаются в левой и правой улитках.
Последний финиш — в слуховых долях больших полушарий.
Странные правила у этой эстафеты. И, наверное, она была
бы очень популярна у жителей страны чудес, в которой сто
лет назад побывала маленькая Алиса \ Все бегуны в этой
эстафете должны бежать с одинаковой скоростью, а старт
командам, отправляющимся из левой и правой улиток,
дается заведомо не одновременно.
На первом этапе каждая команда — левых и правых —
бежит вместе. Но на втором команды перемешиваются: часть
левых продолжает держаться прежнего пути, а часть
перебегает направо. То же происходит и в команде правых:
некоторые бегут в первоначальном направлении, другие переходят
в команду левых. На третьем промежуточном финише снова
происходит перестановка: часть бегунов возвращается в
прежние команды. И еще одно правило есть в этой
эстафете: на всех этапах, начиная с третьего, число дорожек
меньше, чем число прибывающих бегунов. Дорожку за-
1 Героиня сказки «Алиса в стране чудес» Льюиса Кэролла. Настоящее
имя писателя Чарлз Лютвидж Доджсон. Он был профессором высшей
математики в Оксфордском университете.
147
Нервные слуховые проводящие пути.
нимает тот бегун, который пришел первым, а опоздавшему
пути дальше нет.
Странная эстафета! Она и вправду напоминает игру в
крокет в стране чудес, где Червонная королева кричит
проигравшему: «Голову с плеч! Голову с плеч долой!»
Сравнение с безумной эстафетой помогает отчасти пред-
148
ставить себе процессы в проводящих нервных путях
слухового аппарата. Но инженеры предпочитают сравнение с
электронной вычислительной машиной. И не только потому, что
оно кажется им более наглядным, работа слуховых нервных
путей и работа электронной вычислительной машины
действительно схожи.
Еще очень многое непонятно в механизме возникновения
и действия нервных импульсов. Многое неясно и в работе
самих нервных клеток — мы лишь приблизительно
догадываемся о роли и назначении отдельных частей клетки. Более того,
инженеры и ученые интуитивно предчувствуют, что процессы
в отдельной нервной клетке неизмеримо сложнее, чем в
«электронной клетке» вычислительной машины. Углубление
знаний о нервной системе, возможно, покажет, что
уподоблять нервную систему вычислительной машине наших дней
столь же наивно, как и приводить для сравнения эстафету.
Наивно, однако не ошибочно: в главном сравнение с
вычислительной машиной всегда будет верным, потому что и нервная
система, и вычислительная машина заняты одинаковым делом:
и та, и другая перерабатывают сигналы, извлекают из них
полезную информацию.
Говоря о пространственном слухе, нам волей-неволей
пришлось ограничиться рассказом о нервных проводящих путях.
Рассказ о беге импульсов был основан на первых
достоверных фактах. Но их должно быть гораздо больше, чтобы этот
рассказ был более детальным. Так, мы считали, что последний
финиш для нервных импульсов — преддверие слуховых
долей головного мозга. И это действительно финиш, но только
для рассказа об импульсах, потому что сегодня мы еще
ничего не знаем, что происходит с ними дальше — в главных и
самых сложных центрах переработки слуховых сигналов, в
слуховых долях мозга. Изучение этих центров только еще
начинается. Оно невообразимо трудно: сама постановка
экспериментов на мозге необычайно сложна, но, пожалуй, еще
более сложно разгадать конструкцию мозга и расшифровать
происходящие в нем процессы.
Философия доказывает, что ни каждый из нас в
отдельности, ни человечество в целом никогда и ни при каких
условиях не будет обладать абсолютным знанием, что движение
к истине бесконечно, как бы ни убыстрялось развитие наук.
Так стоит ли вообще заниматься наукой, если наши знания
всегда будут лишь небольшой частью огромного неведомого
целого?
Безусловно. Ибо даже неполные, но точные знания —
огромное богатство. С первых дней они ценятся людьми
превыше всего, потому что только они дают нам возможность
149
познавать мир и самих себя, творить и обогащать жизнь. Все
изобретения — и самые великие, и самые малые — обязаны
своим рождением таким неполным, несовершенным знаниям.
Музыка и, может быть, самые дерзкие изобретения —
продольная флейта и скрипка — неодушевленные куски дерева,
которые в руках музыканта способны завораживать нас, и
чудо техники — орган, фонограф, телефон — все они
появились на свет благодаря знаниям о слухе, о его свойствах.
Сегодня, как никогда, инженеры понимают, сколь много
необходимо нам узнать о слуховом аппарате человека и
животных. Им очень нужны факты и о пространственном слухе.
Ведь инженерам приходится работать над созданием многих
приборов, предназначенных для определения направления
прихода волн: звуковых, радио и световых.
Такие приборы называют пеленгаторами. Пеленгаторы
бывают неавтоматические и автоматические. Первые дают лишь
сведения о направлении прихода волн. Вторые не только
определяют направление, но и ведут по нему самолет, корабль,
реактивный управляемый снаряд. До сих пор все пеленгаторы
создавались инженерами самостоятельно, принципы действия
пеленгаторов не были заимствованы у природы. Инженеры
не знали их.
Имеющихся на сегодня фактов тоже недостаточно, чтобы
приступить к созданию бионных пеленгаторов, но их вполне
хватает для того, чтобы сказать: бионные пеленгаторы
обязательно будут созданы.
И недаром исследования слуха теперь ведутся широким
фронтом. Новые факты о слухе все чаще появляются в
научных журналах и книгах. Одним из таких новых фактов я и
закончу рассказ о свойствах слуха.
Уже давно известно, что у людей, потерявших зрение в
раннем возрасте, и у незрячих с рождения значительно
обостряются слух и осязание.
Это облегчает жизнь слепых, но все же им очень тяжело
ходить по улицам, даже хорошо изученным, и уж совсем
трудно ходить в незнакомых местах. В помощь себе они берут
палку, которой нащупывают и остукивают путь. Неужели и в
Наш век слепые, как и тысячи лет назад, должны пользоваться
палкой?! Неужели наука и техника не смогут дать им более
совершенного и надежного поводыря?
Мы уже знаем о первых попытках создания электронного
поводыря — ультразвукового локатора для слепых. Будем
надеяться, что такой прибор окажет им помощь. Но уже и
сейчас можно назвать очень важный недостаток этого прибора:
он создан в ту пору, когда о пространственном слухе
человека, особенно незрячего, наука почти не имела данных.
150
Стремление получить такие данные и побудило ученых
заняться изучением слуха слепых. Пока в опытах, о которых я
рассказываю, принимало участие всего лишь четыре
добровольца; чтобы опыты были совершенно надежными,
потребуется обследовать гораздо большее число людей. И это,
несомненно, будет сделано, ведь уже сейчас получены очень
интересные и неожиданные результаты.
Опыты проводились после основательной тренировки.
Слепого усаживали в кресло и через люк в потолке опускали
небольшой, размером с блюдце, диск. Расстояние до него
могло изменяться от полуметра до полутора метров]. От
каждого из участников опытов требовалось, чтобы он
научился отличать диски по размерам, пользуясь
своеобразной звуколокацией. Им разрешалось издавать любые
удобные для такого различения звуки: щелкать языком, свистеть,
произносить короткое слово. В конце концов все четверо
научились определять, когда в люк опускали диски,
отличающиеся по размерам. Они чувствовали очень небольшие
изменения диаметра диска — всего на 5 процентов в ту или
другую сторону. Такую разницу трудно уловить даже
зрячему!
Как это удается, как меняется эхо при изменении
размеров диска, никто из участников опыта не мог объяснить.
Здесь пока еще все неясно. Видимо, имеется какой-то
особый механизм слуха, позволяющий слепым выполнять столь
сложную звуколокационную задачу.
Изучение органов слуха уже многое дало. Но еще
больше даст в будущем. Пройдет не так уж много лет, и
инженеры создадут приборы, которые помогут обуздать
взбесившийся эфир, помогут человеку ориентироваться в глубинах
океана и космоса. Но хотелось, чтобы бионика приносила
пользу людям и в другом, выручила тех, кто потерял зрение
или слух, руку или ногу. Мы вправе возлагать такие надежды
на бионику, ибо изучение живого во имя решения технических
задач обязательно приведет к накоплению знаний, которые
вызовут к жизни новую область бионики или даже новую
отрасль науки и техники. Сейчас нельзя сказать, как назовут
ее: бионическая медицина, или медицинская бионика, или
как-нибудь иначе,— не в названии дело. Новые знания и
методы, накопленные и разработанные бионикой в содружестве
с новыми достижениями других наук, позволят медикам
успешнее излечивать заболевшие, изношенные или
поврежденные органы или даже заменять их искусственными.
1 Радиус действия локатора летучей мыши также исчисляется
несколькими метрами.
151
Станет возможным бионное протезирование. Бионные
протезы будут значительно совершеннее нынешних, хотя и
они вряд ли смогут полностью заменять тот или иной орган.
Создание протезов, не отличающихся от своих живых
образцов,— дело очень далекого будущего, задача другой,
сегодня не известной нам науки.
Первый бионный протез был создан еще в те годы, когда
не существовало слова «бионика». В 1958 году в одном из
павильонов ВДНХ демонстрировалась электромеханическая
рука. Ее стальные пальцы, обтянутые черной кожаной
перчаткой, сжимались по команде нервных импульсов, отводимых
от мышц предплечья человека. Научиться управлять такой
рукой мог каждый. Электромеханическую руку создал
коллектив инженеров и физиологов под руководством А. Е. Коб-
ринского. Вначале электронные схемы для усиления нервных
электрических импульсов и устройства, приводившие в
движение пальцы, занимали много места и потребляли много
электроэнергии. Сейчас у нас и в других странах выпускают
бионные протезы руки. Прообразом для них послужила
электромеханическая рука, созданная нашими учеными. Конечно,
бионные протезы пока еще далеки от совершенства. Но уже
и теперь они позволяют инвалиду брать различные предметы,
пользоваться несложными инструментами, писать.
Поможет ли бионика протезировать другие органы
человека?
Будем надеяться. Ученые пытаются создать
искусственную слуховую улитку и соединить ее со слуховым нервом.
Пока еще такая улитка крайне несовершенна и не позволяет
восстанавливать слух полностью. Но если удастся сделать
так, чтобы человек, прежде глухой, хотя бы грубо различал
некоторые звуки,— разве это не будет победой?
Создать бионный слуховой протез трудное дело. Но еще
труднее воплотить в жизнь зрительный протез. Эта задача
настолько сложна, что бионика еще не решается ставить ее
перед собой. Нужно многое узнать об устройстве глаза и
зрительных центров мозга, чтобы подступиться к ней.
ОДИН РАЗ УВИДЕТЬ ИЛИ
СТО РАЗ УСЛЫШАТЬ
Исследованиям зрения всегда уделялось больше
внимания, чем исследованиям слуха. С самых давних времен
многие знаменитые естествоиспытатели увлеченно изучали глаз,
свойства человеческого зрения. И труды их редко пропадали
152
даром, опыты со зрением подчас наталкивали на
замечательные физические открытия, подсказывали идеи многих
выдающихся изобретений. Знание свойств зрения и устройства глаза
дало инженерам возможность изобрести линзу и очки,
кинематографию, телевидение, цветную фотографию, сотни
разнообразных оптических приборов.
Глазу, зрению посвящено несметное число статей и книг,
заполненных многочисленными фактами, гипотезами и
предположениями. Но как ни много известно о зрении, все же
этого далеко не достаточно, чтобы создать полную теорию
зрения.
И не исключено, что теория слуха будет создана раньше.
И хотя слух — явление тоже необыкновенно сложное, однако
он настолько же проще зрения, насколько природа звука
проще природы света.
Мы часто говорим: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз
услышать». Много лет назад сочинил народ эту пословицу.
И вот теперь оказалось, что она правильна не только в
житейском смысле, но и отражает научную истину. Кибернетика
придает этой пословице точный количественный смысл. По ее
подсчетам, объем информации, поступающей в мозг через
глаза, в 50—100 раз больше объема информации,
поступающей через уши.
Известны многие примеры удивительной
изобретательности природы, и нас уже не нужно убеждать в ее инженерном
гении. И все-таки самое интересное впереди. Сейчас нам
предстоит познакомиться еще с одним ее изобретением —
глазом. Чем больше узнаешь об этом удивительном
приборе, чем больше становится известно фактов о зрении, тем
больше поражаешься совершенству сложнейшего
кибернетического автомата, созданного природой, тем чаще ловишь
себя на мысли, что, сотворив глаз человека, она, кажется,
превзошла себя, достигла полного совершенства.
Зрение человека и животных изучает специальная наука —
физиологическая оптика. До недавнего времени она в
основном интересовалась оптическими свойствами глаза и зрения —
способностью видеть при малой освещенности, различать
цвета, воспринимать световые вспышки, различать источники
света по яркости... Физиологическая оптика исследовала
такие свойства зрения человека, как способность воспринимать
глубину пространства, различать и распознавать предметы по
форме, отыскивать среди множества однородных объектов
(например, человеческих лиц) заданный, следить за
движущимися объектами. Однако она не могла дать
удовлетворительного объяснения этим свойствам. В сущности, она всегда
была наукой фактов, потому что полную теорию зрения без
153
помощи кибернетики и
только
зарождающейся квантовой биологии
создать было нельзя.
Конечно, и в
физиологической оптике
существуют проверенные
опытом и практикой
частные теории —
например, теория
цветового зрения,—
основоположниками которой
были английский физик
Томас Юнг (1773—
1829) и уже известный
вам Герман Гельм-
гольц. Заслуги физиологической оптики перед человечеством
велики; она надежный советчик инженеров, помогает им
строить дома и освещать улицы, красить ткани и печатать
цветные репродукции, создавать цветные телевизоры и
цветную кинопленку, тренировать космонавтов.
В последние годы перед инженерами возникла новая
проблема—создание видящих автоматов. По привычке инженеры
обратились за советом к физиологической оптике. И впервые
за много лет она не сумела ответить на их вопросы. К
счастью, примерно в это же время начались бионные
исследования зрения.
Больше всего бионику интересуют свойства человеческого
зрения. Но основное внимание она сейчас уделяет изучению
зрительного аппарата животных — стрекозы, речного рака,
осьминога, лягушки, голубя.
Хотя человек — единственное существо, способное
рассказывать исследователю о том, что видит, изучать
необыкновенно сложный по строению и организации зрительный
аппарат человека трудно. Человека нельзя подвергать опытам,
угрожающим его здоровью. Исследуя животных, ученый
может пойти на риск очень сложной хирургической операции,
ввести в мозг и в зрительный нерв электроды, изучать
действие на зрение различных химических соединений. Кроме
того, устройство зрительного аппарата у многих животных
значительно проще, чем у человека. В данном случае чем проще,
тем лучше. Можно даже сказать, что шансов открыть
основные законы зрительного процесса больше у той группы
ученых, которой удастся найти наиболее простой по устройству
глаз и наиболее простые зрительные центры мозга.
Поняв и изучив простое, легче перейти к более слож-
154
ному, к зрению человека. Ведь мы уже знаем: нет
непроходимой пропасти между человеком и животным. И все, что
известно науке о зрении животных и человека, подтверждает это
правило. Факты указывают, что принцип действия
зрительного аппарата всех позвоночных животных одинаков. Различие
состоит только в том, что организация зрительного аппарата
у одних видов животных проще, а у других сложнее.
Я намеренно говорил только о позвоночных животных.
Глаза насекомых устроены совсем по-другому. Создавая
насекомых, у которых нервная система неизмеримо проще, чем
у самого примитивного позвоночного, природа была
вынуждена наделить их и соответствующими органами зрения;
одаривать насекомое таким совершенным прибором, как глаз
позвоночного, еще более нелепо, чем ставить на старый
тарантас турбореактивный двигатель. Однако нам известен и
другой тип беспозвоночных животных — моллюски. У моллюсков
класса головоногих — кальмара, осьминога — имеется весьма
развитый мозг. Строение глаз кальмара и осьминога
удивительно напоминает строение глаз позвоночных, хотя
некоторые специалисты в области эволюции животных полагают, что
глаза позвоночных и беспозвоночных имеют совершенно
различное происхождение, что они развились из разных тканей.
Если это так, то сходство глаза позвоночного и
беспозвоночного животного, пожалуй, самая яркая иллюстрация
принципов единства организации зрительных процессов и более
общего принципа единства организации обработки информации
в живых и неживых автоматах. Это сходство говорит и еще
об одном: создав глаз, природа нашла наилучшую из всех
возможных конструкцию прибора, предназначенного для
зрения.
Изучая зрение животных, ученые хотят постигнуть, что и
как они видят: как различают форму, цвета, яркость,
хорошо ли видят в темноте. Ни насекомое, ни лягушка, ни
птица не могут рассказывать исследователям о своих
ощущениях. Но со времен Павлова, пользуясь методом условных
рефлексов, исследователи научились выпытывать у них все,
что требуется.
В последние десятилетия начали изучать
непосредственно проводящие пути и сам мозг с помощью усиления и
регистрации электрических процессов в нервных клетках. Эти
исследования помогут разобраться в нервных процессах,
происходящих в зрительном аппарате животных, и перейти к
изучению зрительного аппарата человека.
В этой книге мы мало будем говорить о зрении животных.
Мы расскажем о том, что известно сегодня о глазе и зрении
человека. И когда нам станет ясно, как устроен глаз челове-
155
ка, каковы его свойства, поговорим о бионных зрительных
автоматах.
И постараемся не забывать мудрой пословицы, с
которой начиналась эта глава. Все, о чем бы ни зашла речь в
рассказе о зрении, мы попытаемся увидеть хотя бы мысленным
взором, чтобы ярче и полнее представить себе величие и
сложность изобретений, которые в ближайшие десятилетия
предстоит сделать инженерам.
НАЧАЛО НАЧАЛ
Есть множество людей, которых не интересуют ни
математика, ни физика; не меньше и таких, кто ни разу не дал
себе труда понять смысл астрономии, химии, лингвистики,
генетики. Но даже самый нелюбопытный человек не остается
равнодушным, когда заходит речь о далеком прошлом или
далеком будущем нашей планеты. К этому никто не относится
с безразличием. И седая старина, и самое отдаленное
будущее всегда интересны нам. Мы часто говорим о них — и
школьники, и рабочие, и писатели, и ученые. О прошлом и
особенно о будущем пытаются рассказывать
писатели-фантасты. Мы знаем, что некоторые прогнозы, сделанные теми,
кто жил до нас, сбылись. Но предсказания сбываются очень
редко, как бы ни были они правдоподобны и логичны. И мы
понимаем, что так и должно быть, ибо будущее — нечто
несвершенное, достоверно узнать о нем мы можем лишь
тогда, когда оно превращается в настоящее. Строя прогнозы,
мы никогда не можем быть полностью уверены в их
осуществлении; мы можем только с некоторой степенью
вероятности говорить о развитии того, что уже зародилось и в
дальнейшем будет лишь совершенствоваться или, наоборот,
отмирать. Предсказывать появление чего-то абсолютно нового,
какое-то событие, не имеющее корней в настоящем,
предсказывать судьбы людей мы не можем.
Не зная всех причин, нельзя найти следствие. Мы
отлично понимаем это и не требуем многого от тех, кто берется
фантазировать о будущем. Мы благодарны за любой
увлекательный и правдоподобный рассказ, потому что он всегда
будит в нас интересные мысли. Словом, к рассказам о
будущем мы относимся так же, как ко всякой мечте. Хорошо,
коли мечты сбываются. Но если не сбываются, винить некого.
На то они и мечты, чтобы редко сбываться. Если бы все мечты
сбывались, жить было бы ничуть не веселей, чем по заранее
составленному расписанию.
156
Зато когда неверен и неточен рассказ о далеком прошлом,
мы всегда испытываем досаду. Нам обидно, если
невозможно узнать полную правду о том, что действительно было. Но
узнать всю правду о прошлом, особенно о далеком, почти
так же невозможно, как и о будущем. История древности
и даже не столь отдаленных времен полна пробелов,
неясностей и противоречий. Время и сами люди основательно
потрудились над тем, чтобы изгладить из памяти поколений
многие события, названия племен и народов, их быт,
достижения и идеи. К счастью немало из того, что еще совсем
недавно казалось утраченным навеки, ныне стало известно
науке. Но восстановить всё полностью не удастся никогда.
И очень жаль! Потому что история — одна из немногих
наук, которая позволяет человечеству взглянуть на себя как бы
со стороны и понять, что же такое человек, к чему он
стремится, что делает его столь слабым и в то же время столь
сильным и разумным.
Но история рассказывает не только о человеке, она
знакомит с жизнью порожденных человечеством идей. Она
помогает проследить и изучить развитие наук, глубже постигнуть
их сущность, понять основу основ наук и благодаря этому
двигаться дальше.
Сейчас вы прочитаете короткий рассказ о событиях
далекой древности, которые имели очень печальные последствия
для науки. Они сказываются даже по сей день, потому что мы
не можем составить достаточно ясного представления ни о
науке древних, ни о знаниях, которыми они овладели. Если бы
эти события не произошли или хотя бы имели более
счастливый исход, развитие науки не приостановилось бы на
несколько веков и Колумбу, быть может, не потребовалось
открывать Америку, а мы победили бы уже наиболее опасные
болезни, овладели бы секретом управляемой термоядерной
реакции, колонизировали бы Луну, Венеру, Марс.
Две тысячи триста лет назад в западной части дельты
Нила, на берегу Средиземного моря, Александр Македонский
основал один из самых замечательных и прекрасных городов
древнего мира — Александрию. Здесь, в этом городе,
ставшем столицей египетского государства, чудесным образом
соединились и сплавились воедино культуры древних Эллады,
Египта, Иудеи, Индии и Рима. Александрия стала центром
новой эллинистической культуры. Этот город на весь древний
мир славился своей торговлей, ремеслами, искусствами и
наукой.
По морю и по суше отправлялись из Александрии
прекрасные ткани, металлы, выделанные кожи, бумага
древности — папирус, еще непривычная людям стеклянная посуда,
157
резные камни — драгоценные камеи1. Александрия была
одним из главных центров торговли и крупнейшим портом.
Сюда, в Александрию, шли караваны с сокровищами Персии и
Индии, приплывали по Нилу ладьи, груженные дарами
Африки, а по Средиземному морю шли корабли из Греции и Рима.
В конце прошлой и в начале нашей эры Александрия
была процветающим оживленным городом: на ее улицах
слышалась разноязыкая речь, пестрели одежды иноземных
купцов и послов. Прекрасно распланированные кварталы, храмы,
дворцы, бани и парки, порт, в котором сотни кораблей
выгружали и погружали товары, было лучше всего наблюдать
с Фаросского маяка — высочайшего сооружения древности,
одного из семи чудес света. Величественная башня,
воздвигнутая на острове Фарос, вздымалась на стометровую высоту,
указывая путь мореплавателям.
Но не только торговлей, ремеслами и маяком славилась
Александрия. Одним из украшений ее была наука. К семи
признанным чудесам света можно было бы прибавить еще
два: Мусейон — первую в мире академию наук и
Александрийскую библиотеку. Отовсюду приезжали в Александрию
,ученые, они стремились попасть в Мусейон набраться
александрийской учености. И сами обогащали своими знаниями
александрийцев.
Тем, кто занимался науками в Мусейоне, выдавалось
государственное содержание, их освобождали от уплаты податей.
Мусейон был подлинной столицей науки всего
эллинистического мира. Среди александрийских ученых был знаменитый
Эратосфен — человек поистине универсальных знаний; он
изучал историю, географию, математику, физику, был
замечательным астрономом. Не покидая города, он сумел очень
точно вычислить длину окружности земного шара. По его
расчетам, она оказалась равной 39 700 километрам. Эти
вычисления Эратосфен сделал, измерив изменения длины
солнечной тени. Здесь же, в Александрии, жил и творил отец
геометрии — Эзклид.
Успехи школы александрийских ученых огромны. Но алы
понимаем, что даже самые малые достижения не появляются
на пустом месте. Мудрость Эратосфена, Эвклида и других
ученых не родилась из ничего. Прежде чем сделать новый
шаг, открыть новое, они должны были изучить то, что было
1 Одна из самых замечательных камей — портрет Птолемея II и Арси-
нои, вырезанный в многослойном сардониксе, хранится в витрине одного
из залов Эрмитажа. Это так называемая «Камея дома Гонзага». Если бы
кто-нибудь сумел написать всю двухтысячелетнюю историю этого
драгоценнейшего произведения искусства, она читалась бы как самый
увлекательный роман.
158
открыто и познано до них. Только опираясь на старое, можно
шагнуть в новое.
Одна и, пожалуй, важнейшая причина успеха
александрийской школы была в том, что в распоряжении ученых
находилась величайшая библиотека древности. В лучшие времена в
ней хранилось до семисот тысяч рукописных книг и свитков
Греции, Египта, Рима, Индии и других стран Востока.
Но мы никогда точно не узнаем, как велик был шаг,
сделанный в науке Эратосфеном; много ли нового, неведомого
прежде, содержали «Элементы» Эвклида; мы никогда точно
не узнаем и многого другого, потому что одно из самых
величайших сокровищ древнего мира — собрание
Александрийской библиотеки было полностью уничтожено.
Впервые библиотека серьезно пострадала, когда в
Александрию вошли войска Цезаря — в тот год множество книг
погибло в огне. Однако вскоре Марк Антоний подарил
Клеопатре Пергамскую библиотеку, и Александрийская
библиотека пополнилась новым замечательным собранием
манускриптов. Спустя долгое время в Александрии вспыхнуло
восстание, и снова погибла часть собрания. Но вторая половина,
хранившаяся в Серапионе, храме Юпитера-Сераписа,
уцелела, Но и Серапиону суждено было погибнуть. Его разрушила
толпа фанатиков-христиан, предводительствуемых патриархом
Феофилом. И все-таки собрание книг было так велико, что
даже фанатичной толпе не удалось уничтожить все. Черное
дело довершили арабские завоеватели Александрии. По
преданию, калиф Омар приказал топить манускриптами
публичные бани — все книги, кроме Корана, считались тогда
вредными.
Ученым эпохи Возрождения пришлось начинать почти все
сначала. Из-за утраты Александрийской библиотеки развитие
науки задержалось на много лет. Гибель библиотеки,
разумеется, не могла привести к полному уничтожению знаний,
накопленных в древности. Многое пережило тысячелетия. До
нас дошли некоторые книги, мы знаем и ученых,
предшественников александрийской школы, многое сохранилось в
сочинениях ученых, так или иначе пользовавшихся безвозвратно
утраченными манускриптами. До нас дошли труды Эвклида,
время пощадило их; и мь\ знаем, что великий геометр
занимался не только математикой, но и прилежно изучал
устройство глаза. До нас дошли многочисленные труды Клавдия
Галена, написанные через четыре века после Эвклида.
Гален родился в Пергаме и долгое время жил в
Александрии. Здесь он изучал науки и медицину, а потом переселился
в Рим, где прославился своим умением исцелять больных.
Сочинения Галена вплоть до эпохи Возрождения свято
159
чтились врачами и учеными. И хотя в его трудах наряду с
правильными мыслями и фактами мы найдем множество
ошибок, нелепицы и суеверия, в древности Галена признавали
непререкаемым авторитетом. Противоречить Галену
считалось величайшей научной ересью, и в конце концов учениэ
Галена стало главным тормозом в развитии медицины
средних веков. Итальянские ученые сумели сбросить иго гале-
новского учения и пойти правильным путем. Зато благодаря
тому, что труды Галена столь высоко ценились арабскими и
европейскими учеными, они пережили века, и мъ\, хотя бы
приблизительно, можем судить о том, что было известно в
области медицины в те далекие времена, когда завоеватели
еще не разрушили прекрасного города в нильской дельте, а
Средиземное море не поглотило руин, которые и сейчас
еще видны в спокойную погоду у берегов современной
Александрии.
Нынешнему врачу нечему учиться у Галена, но для
историка науки труды Галена и по сей день служат
сокровищницей знаний. Из них он многое узнает о том, что было
известно ученым во времена Галена, и хотя бы часть того, о чем
вообще знали александрийские и римские ученые. Так,
сочинения Галена помогли узнать, насколько успешны были
попытки древних разобраться в устройстве глаза.
Ученые древности уже кое-что знали о глазе. Но хотя они
и не сомневались, что близки к истине (вечное заблуждение
людей всех времен), и александрийские ученые, и Гален, и
те, кто изучал глаз после него, совершенно не понимали
принципов работы глаза.
Вот пример этому.
Они более или менее логично объясняли, как мы видим.
Но объяснение было чисто умозрительным, оно не было
основано на фактах, на экспериментах. И поэтому ученые не
могли постигнуть одного: как изображения больших
предметов проходят через очень маленькое отверстие зрачка, как
они вообще могут поместиться в глазу?
Не правда ли — странный вопрос! Человеку, мало-мальски
знакомому с оптикой, он покажется просто безграмотным.
Но не стоит осуждать древних ученых. Ведь оптики, этой
основы основ физики, не существовало в те далекие времена.
Правда, грек Аристотель (384—322 гг. до нашей эры) уже
изучал явление преломления света, александриец Эвклид знал о
законе отражения света, а знаменитый астроном Птолемей
даже измерял углы падения и преломления света.
Сохранилось также предание о том, что греки изготовляли вогнутые
зажигательные зеркала. Но несмотря на отдельные успехи,
оптики, как науки, не существовало. И потому вопрос, как мо-
160
гут пройти сквозь маленький зрачок изображения гор,
зданий, облаков, деревьев, людей, не был ни странным, ни
праздным. Задавая его, древние смотрели в корень — не зная
на него ответа, нельзя было понять работу глаза.
После гибели Рима и Александрии наука возродилась в
арабском мире. Среди многих замечательных арабских ученых
был и ученый по имени Ибн аль Хаитам. Более девятисот лет
назад он написал исследование, посвященное оптике. На
протяжении четырех веков оно считалось самым полным и
лучшим.
Ибн аль Хаитам подробно изучал строение глаза. Он
хорошо знал то, что теперь принято называть оптической
частью глаза, что мы часто уподобляем фотоаппарату и что
на самом деле явилось отправной точкой для изобретения
фотоаппарата.
Чтобы лучше оценить вклад арабского ученого в науку о
глазе и зрении, познакомимся и мы с оптической частью
глаза— белого, точно из лучшего глазурованного фарфора,
шарика диаметром 24 миллиметра, спрятанного в глазной
впадине черепа и надежно укрытого веками.
Наружная оболочка глаза, напоминающая видом фарфор,
называется склерой. В передней части она изменяется по
форме — становится более выпуклой — и одновременно из
белой, непропускающей свет оболочки превращается в
прозрачную роговицу. Роговица не просто окно, через которое
свет попадает в глаз; роговица — главная собирающая линза
глаза.
Внутреннюю поверхность склеры (на сторонах,
противоположных роговице) выстилает разветвленная сеть мельчайших
кровеносных сосудов. В области роговицы этот слой
переходит в радужную оболочку, в центре которой находится
черное круглое отверстие — зрачок *.
Мы говорим: голубые глаза, синие, серые, зеленые, карие.
Такие названия мы даем по цвету радужной оболочки —
красы человеческого глаза. Точно самоцвет, переливается она,
и даже ученые не устояли перед ее великолепием, называя
ее ласково и поэтически: радужка.
Однако радужка предназначена не только для украшения
глаз человеческих (хотя природа, быть может, не упускала
из виду и такой цели). Радужка помогает глазу
приспосабливаться к изменениям освещенности. На ярком свету зрачок
уменьшается до 2 миллиметров, а в темноте расширяется до
1 Зрачок не у всех животных круглый. У дельфинов, например, при
ярком свете он имеет форму латинской буквы U. А какая форма зрачка
у кошки, у козы?
у Инженер и природа
161
8 миллиметров. Благодаря радужке количество света,
попадающего в глаз, изменяется в 16 раз.
Сразу же за радужкой помещается хрусталик — вторая
собирающая линза глаза. Пространство между роговицей и
хрусталиком заполнено особой прозрачной жидкостью —
камерной влагой. Предполагают, что она образуется в
результате очень тонкой фильтрации крови. Хрусталик находится в
прозрачной капсуле, которую кольцом охватывает
специальная мышца, называемая реснитчатыАЛ телом. Замечательной
особенностью хрусталика является то, что эта линза,
напоминающая формой чечевицу, упруга и может менять кривизну
поверхностей, то есть менять фокусное расстояние. Формой
хрусталика управляет реснитчатое тело. Если оно
расслаблено, поверхности хрусталика имеют наименьшую кривизну, а
фокусное расстояние при этом становится наибольшим. Если
реснитчатое тело сокращается, выпуклость поверхностей
хрусталика увеличивается, а фокусное расстояние
уменьшается.
Хрусталик не однороден. Его строение довольно сложно.
Он, подобно игрушечной матрешке, собран из нескольких
вложенных одна в другую чечевичек. Оптические свойства
каждой из них тоже неодинаковы: внутренние преломляют
световые лучи сильнее чем внешние.
Роговица и хрусталик совместно представляют собой
оптическую систему глаза, они играют ту же роль, что и объектив
фотоаппарата, киноаппарата или передающей телевизионной
камеры. Роговица и хрусталик направляют лучи света на
сетчатку, выстилающую глазное дно поверх сосудистой оболоч-
Стекловидное
тело
Склера
Роговиал
Цен траль пар
ЯМКА
Зрительный
^=^ х нерв
Хрусталик ^^
Сосудистая
Устройство глаза
ки. Сетчатка и есть тот орган, который воспринимает свет и
преобразует его в сигналы, поступающие в мозг по
зрительному нерву. Но о сетчатке речь впереди, а сейчас воззратим-
ся к оставленному нами Ибн аль Хайтаму.
Этот ученый первым в мире сумел объяснить, почему
изображения предметов, как бы ни были велики сами предметы,
попадают в глаз через маленький зрачок и умещаются там.
Чтобы найти ключ к этой тысячелетней загадке, Ибн аль
Хаитам провел опыт с камерой-обскурой \ что в перезоде
с итальянского означает: темная комната или затемненная
комната. Вот такой затемненной комнатой, свет в которую
попадал через маленькое отверстие в ставне окна, и
воспользовался арабский ученый. Он проводил опыт ночью. Снаружи,
за стеной, он расставил и зажег несколько светильников и,
войдя в камеру-обскуру, наблюдал на стене,
противоположной отверстию, нарисованные светом опрокинутые и
уменьшенные изображения.
Опыт убедил Ибн аль Хайтама, что свет от каждого
предмета движется по прямым линиям, что пучки света проходят
даже через малое отверстие, не смешиваясь друг с другом, и
снова расходятся. Изображения в камере-обскуре
наблюдали, видимо, и до Ибн аль Хайтама, но никто до него не сумел
сделать правильного вывода из наблюдений. Ибн аль Хаитам
первым пришел к мысли, что и в глазу изображения
образуются подобным образом, что они помещаются на сетчатке
благодаря значительному уменьшению.
Но Ибн аль Хаитам сделал и другой очень важный зызод.
Он пришел к мысли, что лучи света можно уподоблять
отрезкам прямых линий и благодаря этому пользоваться
геометрическими построениями. Применив геометрию, Хаитам
показал, как могут проходить сквозь зрачок, сквозь маленькое
отверстие в ставне окна изображения больших предметов.
Однако правильно объяснить работу хрусталика не смог и он.
И не потому, что Ибн аль Хайтаму не хватало геометрических
знаний. Причина кроется в другом. Отыскав ключ к первой
загадке, Ибн аль Хаитам тотчас столкнулся с другой,
казавшейся в те далекие времена еще более непостижимой. Еэ
объяснили лишь недавно. Этой загадкой было перевернутое
изображение.
Как и все люди, Хаитам верил своим органам чувств; как
и все настоящие ученые, он верил эксперименту, опыту
больше, чем самому себе. А чувства, опыт говорили лишь одно:
1 Кто изобрел камеру-обскуру, неизвестно. Впервые она упоминается
в сочинениях Ибн аль Хайтама, но он пишет о ней как об известном уже
устройстве.
163
небо видно там, где ему и быть надлежит, земля — под
ногами; то, что видно слева, находится слева, а то, что справа, и
есть справа. И Хаитам не мог даже помыслить, что в глазу
действительно образуется опрокинутое изображение, не мог
представить себе, что мы видим мир в правильном
положении не благодаря хрусталику, а благодаря мозгу.
Заблуждение арабского ученого вполне можно извинить,
ведь и через много веков после его смерти люди не в
состоянии были понять, почему мы правильно видим мир. Но, как
ни извинительна ошибка Ибн аль Хайтама, она сбила его с
правильного пути. Предубеждение оказалось сильнее
геометрии и опыта с камерой-обскурой — Ибн аль Хаитам
пользовался геометрическими построениями лишь для
доказательства того, что в глазу образуется неперевернутое
изображение. Вот почему он не сумел правильно объяснить работу
хрусталика.
Первым, кто не устрашился взглянуть на факты без
предубеждения, был знаменитый немецкий астроном Иоганн
Кеплер (1571—1630). Он правильно объяснил работу хрусталика1.
Правда, этому способствовало очень важное обстоятельство:
к тому времени, когда Кеплер заинтересовался глазом, были
достигнуты новые успехи в изучении анатомии глаза и в
Германии была высказана идея, что воспринимает изображения
сетчатка, а не хрусталик, как считалось раньше. Вскоре
рассуждения Кеплера были подтверждены опытом. Естество-
1 Недавно в одном из журналов я прочитал, что независимо от
Кеплера и даже несколько раньше него к мысли, что изображение в глазу
действительно перевернуто, пришел итальянец Франческо Мауролико.
164
испытатели впервые провели опыт непосредственно на глазе.
Взяв глаз животного, они срезали заднюю часть глазного
яблока и воочию убедились в том, что изображение,
создаваемое роговицей и хрусталиком, перевернуто.
Вы, вероятно, знаете, зачем нужно изменять кривизну
хрусталика. Именно возможность изменять ее позволяет нам
одинаково резко и четко видеть буквы в книге, лежащей на
расстоянии в четверти метра от глаз, и Луну, до которой
почти четыреста тысяч километров. Способность глаза
наводиться на резкость неодинакова у различных животных. В этом
глаз человека и глаза его ближайших родственников —
человекообразных обезьян, значительно превосходят глаза других
животных. Кроме того, хрусталик не у всех животных может
изменять кривизну поверхностей: так, у рыб хрусталик
шарообразный, и наводка на резкость осуществляется не
изменением его формы, а перемещением хрусталика, как и в
фотоаппарате, взад и вперед вдоль оптической оси глаза.
Изучение глаза издавна подсказывало людям великие
научные и инженерные идеи. В первую очередь оно привело к
изобретению линзы и натолкнуло на применение геометрии
в оптике. Линза и методы геометрических построений
явились началом начал оптики. А оптика положила начало
современной физике, астрономии, биологии и, следовательно, всей
современной науке. Линза и геометрическая оптика
позволили создать и совершенствовать телескопы и тем самым дали
возможность Кеплеру установить законы движения планет, а
Ньютону — основные законы механики и сформулировать
взгляды на природу света. О том, что дал науке и практике
другой замечательный оптический инструмент — микроскоп,
вы отлично знаете.
Итак, глаз подсказал инженерам идею одного из
величайших изобретений — линзы. Казалось бы, этого и довольно.
Однако изучение глаза далеко не закончено, и можно не
сомневаться, что оно принесет много нового не только науке, но
и технике. Даже, казалось бы, полностью изученная
оптическая система глаза может натолкнуть инженеров на создание
новых полезных устройств.
РЕФЛЕКСЫ И ФОТОАППАРАТ
Глаз — не просто оптический прибор, воспринимающий
свет. Глаз — один из самых сложных и совершенных
автоматов. Даже наиболее просто и понятно устроенная оптическая
часть глаза представляет собой комплекс нескольких само-
165
действующих механизмов, работа которых удивительно точно
согласована между собой. Все они созданы природой для
того, чтобы глаз мог приспособляться к разнообразным
окружающим условиям и безотказно служить нам ночью и
днем.
Автоматов и автоматических процессов в глазу очень
много, и далеко не все они поняты современной наукой; вполне
возможно, что не все даже известны. Те из них, которые
управляют оптической системой глаза, изучены лучше других,
и можно надеяться, что принципы их действия станут
известными во всех подробностях в недалеком будущем. Но даже
и эти сравнительно несложные автоматы очень сложны, и
изучить их — трудная задача.
Начнем с самого простого, управляющего размерами
зрачка. Частью этого автомата, регулирующего количество
света, попадающего в глаз, является радужка. Она его
исполнительный орган. Сокращениями радужки ведает мозг,
особая рефлекторная дуга. Сужения и расширения зрачка так и
называют: зрачковый рефлекс. Рефлекс этот врожденный
и возникает в ответ на изменения освещенности. По каким-то
причинам, пока не ясным, зрачковый рефлекс возникает и
под действием некоторых эмоций, например страха, а также
при повышенном интересе или особом внимании к какому-
либо предмету или объекту наблюдения.
Рефлекторная дуга, управляющая размерами зрачка,—
один из простейших механизмов саморегулирования в глазу
животного. Но и этот механизм еще не изучен полностью.
А между тем он представляет большой интерес для
специалистов, занимающихся фотографией, кино или телевидением.
Те, кто увлекается фотографией, знают, что в объективах
существует устройство,
имеющее то же самое
назначение и даже
видом напоминающее
радужку. Это —
диафрагма. Сейчас в
большинстве
фотоаппаратов размер зрачка
диафрагмы
устанавливают вручную, оценивая
освещенность либо
на глазок, либо по
специальному
прибору —
фотоэкспонометру.
В последние годы в
продаже появились фотоаппараты с автоматической
установкой диафрагмы; в них размерами отверстия диафрагмы
управляет встроенный в фотокамеру электрический
фотоэкспонометр. Идея такого автомата проста: чем больше света
попадает в фотоэкспонометр, тем больший протекает ток в
цепи управления диафрагмой. Но практическое
осуществление довольно дорого, и поэтому автоматы диафрагмирования
имеются пока только в самых дорогих фотоаппаратах.
Еще сложнее осуществить автоматическое
диафрагмирование в передающих телевизионных камерах, где оно часто
оказывается необходимым. Телевизионная камера стоит во
много раз больше, чем любой фотоаппарат, поэтому затраты
на автомат диафрагмирования не могут заметно увеличить
общую стоимость камеры. Однако только в редких камерах
имеются подобные автоматы. Инженеры-телевизионщики уже
много лет пробуют разные типы «рефлекторных дуг» для
управления диафрагмой телевизионной камеры, но ни одна
из них пока не удовлетворяет инженеров полностью.
Назначение другого автомата, другой «рефлекторной» дуги
также будет понятно фотолюбителям.
Чтобы получить хорошую фотографию, приходится
наводить аппарат на резкость, добиваясь четкого, нерасплывчатого
изображения на эмульсии фотопленки. Для этого фотограф
перемещает объектив вдоль оптической оси. Если объект
съемки находится далеко (для обычных объективов на
расстоянии 50—100 метров), расстояние между пленкой и
объективом должно быть наименьшим. Если же приходится
снимать очень близкий предмет, объектив надо отодвинуть от
пленки. В большинстве малоформатных камер типа «ФЭД»,
«Зоркий», «Киев», «Лейка» и других основной объектив
имеет фокусное расстояние 5 сантиметров. Чтобы получить
четкий снимок предмета, отстоящего от камеры на 25
сантиметров, объектив придется выдвинуть на расстояние 1,25
сантиметра, то есть ровно на lU фокусного расстояния или на
0,5 диаметра человеческого глаза.
Чтобы навести на резкость, фотографу, кинооператору,
оператору передающей телевизионной камеры приходится
затрачивать никак не меньше трех — пяти секунд, а их-то
подчас и не бывает.
Наши глаза наводятся на резкость автоматически и очень
быстро — в доли секунды. Реснитчатое тело и связанный с
ним хрусталик действуют рефлекторно, они звенья живого
автомата и исполняют команды, поступающие из мозга.
Кривизна поверхностей хрусталика изменяется, как ы^ъ\ видим,
рефлекторно. Это ясно каждому. Но даже самые крупные
специалисты, всецело посвятившие себя изучению глаза, со-
167
вершенно не представляют себе, как действуют управляющий
орган этого живого автомата наводки на резкость и
рефлекторная дуга фокусировки глаза.
Инженеры многое дали бы за разгадку принципа действия
такого автомата. \Лм очень нужно знать его. Конечно, не
обязательно колировать этот принцип у природы, можно и самим
изобрести устройство наводки на резкость. Но, откровенно
говоря, пока еще никто не додумался, как такое устройство
должно работать. И неизвестно, скоро ли додумаются.
Однако чем скорее ученые установят, как происходит
автоматическая фокусировка в глазу, тем скорее инженерам удастся
создать и прибор для автоматической наводки на резкость.
Такой прибор найдет широкое применение в кинематографии,
в телевидении, в фотографии, в приборах для
астрономических и космических исследований и в других областях. Чтобы
выведать у природы принцип автоматической фокусировки,
надо многое узнать о зрительных центрах мозга и их
форпосте — сетчатке глаза.
Но не только изучение рефлекторных дуг принесет пользу
инженерной оптике. Сам хрусталик еще немало может
подсказать инженерам.
Со времени изобретения линзы инженеры довели
искусство изготовления этих стеклянных чечевиц до высочайшего
совершенства. В крупных странах мира теперь имеется
развитая оптическая промышленность — одна из самых точных
и передовых отраслей производства. Ежегодно во всем мире
выпускается несметное количество линз; одни едва заметны
невооруженным глазом, другие весят сотни килограммов. Но
как создать упругую линзу, способную, подобно хрусталику,
изменять кривизну поверхностей, никто еще не знает.
Сделать искусственный упругий хрусталик из стекла невозможно,
найти же какой-то синтетический материал, пригодный для
изготовления высококачественных эластичных линз, пока не
удалось.
А между тем искусственный хрусталик крайне нужен. Он
необходим, как «запчасть» для настоящих глаз, нужен он и
для самых различных оптических приборов.
Причиной двух глазных болезней являются
ненормальности хрусталика. Одна из них очень тяжелая и может привести
к полной слепоте. Это — катаракта, или помутнение
хрусталика. Другая — старческая дальнозоркость. Она не опасна и
даже не всеми считается болезнью. Причина старческой
дальнозоркости заключается в потере хрусталиком упругости.
Уже к сорока годам способность к фокусировке заметно
падает, а к семидесяти годам хрусталик подавляющего
большинства людей почти полностью теряет способность наво-
168
диться на резкость. Иногда это просто неудобно, но часто
приводит к быстрой утомляемости, даже если человек носит
очки. В наши дни глазные хирурги хорошо освоили технику
операций хрусталика. И если инженеры сделают
искусственные хрусталики, не уступающие настоящим, многим людям
полностью восстановят зрение.
А вот другая область техники, где с радостью встретят
появление эластичных линз. Лет пятнадцать назад были
созданы первые удачные конструкции объективов с переменным
фокусным расстоянием. Их иногда называют резиновыми
объективами, а чаще «зумами». Зумы применяют в
специальных оптических устройствах, в передающих телевизионных
камерах, в профессиональных и любительских кинокамерах,
а сейчас — даже в фотоаппаратах. В зумах нет эластичных
линз, вся хитрость их конструкции в том и состоит, что
плавное изменение фокусного расстояния осуществляется без
помощи эластичных линз. Чтобы добиться плавного
изменения фокусного расстояния, приходится идти на различные
технические ухищрения и на значительное удорожание
объектива. Однако зумы дают столько удобств, что, несмотря на
дороговизну, ими широко пользуются. Если же удастся
создать эластичные линзы, то можно будет делать лучшие
зумы — более легкие, с большим диапазоном изменения
фокусного расстояния и более дешевые.
Вот что получат техника и медицина благодаря бионным
исследованиям одной лишь оптической части глаза. Но еще
больше даст изучение работы сетчатки глаза и связанных с
нею зрительных центров мозга.
ПАЛОЧКИ И КОЛБОЧКИ
Каждому из вас приходилось видеть, как вспыхивают
ярким фосфорическим блеском глаза кошки. И, наверное,
каждый знает, что этот зеленый блеск — не собственное, а
отраженное свечение. В ярком свете фонаря или автомобильных
фар глаза кошки можно увидеть на расстоянии до 80 метров.
Они видны так далеко, потому что сноп лучей, пройдя через
роговицу и хрусталик, фокусируется на сферической
внутренней поверхности глаза и, отразившись от нее, снова попадает
в хрусталик, роговицу и выходит в виде узкого
направленного пучка лучей. Внутреннюю сферическую поверхность и
линзы глаза можно уподобить прожектору, отразившему
пришедший извне свет.
Но почему отраженный свет не белый, а зеленый?
169
Глаза кошки сверкают
изумрудами, потому что
между сосудистой
оболочкой, выстилающей дно
глаза, и сетчаткой, лежащей
поверх сосудистой
оболочки, есть еще один слой. Он
играет роль зеркала и
отражает свет, прошедший
сквозь сетчатку, назад, к
светочувствительным
клеткам. Такое зеркальце
позволяет полнее
использовать большую долю
попавшего в глаз света и
помогает лучше видеть в
темноте. У кошек зеркальце
ярко-зеленое, поэтому и глаза их светятся, как
драгоценнейшие уральские самоцветы. А вот глаза волка, собаки,
крокодила лучатся красным, точнее, пурпурным светом. У них
зеркальце под сетчаткой белое.
По мнению некоторых ученых, глаза людей не должны
светиться — в человеческом глазу нет зеркальца, сетчатку
подстилает слой черных клеток, содержащих особый черный
пигмент — фусцин. Фусцин почти не отражает лучей. И
действительно, редко кому случалось замечать, как светятся
глаза человека.
Могу похвастаться: мне несколько раз удавалось
наблюдать это явление. И, как ни странно, мне приходилось видеть
и свечение рубиновое, и свечение изумрудное. Наиболее
яркое свечение я дважды наблюдал в длинном сумрачном
коридоре, в конце которого было окно. В первый раз мне
встретилась девочка лет четырех. Свет из окна падал ей
прямо в глаза, и они несколько мгновений светились ярким
кошачьим блеском. В другой раз навстречу шла женщина, ее
глаза вдруг засверкали рубинами.
Почему в одном случае блеск был изумрудным, а в
другом рубиновым — объяснить не берусь. Глаза человека, как
и глаза волка, собаки, крокодила, отражают пурпурные лучи,
но значительно слабее. Этот отраженный свет можно
обнаруживать и даже измерять его силу с помощью приборов.
Глаза человека и других животных отражают красные
лучи, потому что в клетках сетчатки глаза содержится особое
вещество, называемое зрительный пигмент. Этот зрительный
пигмент более всего прозрачен для синих и красных лучей,
а зелено-голубые он поглощает. Поэтому исходный белый
170
свет, дважды пройдя через сетчатку (туда и обратно),
превратится в смесь синих и красных лучей. Смесь этих лучей
имеет рубиновый или пурпурный цвет. Вот почему такой
зрительный пигмент называют также зрительным пурпуром. Не менее
часто его называют родопсином. Родопсин содержится в
палочках, самых распространенных светочувствительных
клетках человеческой сетчатки.
До сих пор ^ль\ знакомились с оптической частью глаза, то
есть с теми элементами, которые создают изображение на
сетчатке и наиболее понятны инженерам и ученым. Но не они
делают наш глаз зрячим; зрительные процессы и процессы
переработки изображения в информацию, понятную мозгу,
происходят в сетчатке. Она и есть тот сложнейший рецептор,
который воспринимает
изображение внешнего
мира, нарисованное на
ней линзами — роговицей
и хрусталиком.
Сетчатка состоит из
многих слоев. Их
строение чрезвычайно сложно
и далеко не во всем
неясно современной науке.
Но и того, что уже
известно, достаточно, чтобы
представить себе
совершенство этого
изобретения природы и
задуматься над некоторыми
необыкновенно важными
вопросами.
В слоях сетчатки
имеется несколько типов
клеток. Первые четыре
слоя (самые глубокие и
удаленные от зрачка)
заполнены плотными
рядами светочувствительных
клеток — палочек и
колбочек. Такие необычные
названия эти клетки
получили еще в ту пору, когда
в распоряжении ученых
были весьма
несовершенные микроскопы, ПО- Лалочни сетчатки
зволявшие видеть лишь мореной свинни.
Внутренний
сегмЕНТ
Ядро
палочки
общие очертания клеток, чем-то действительно
напоминающие короткие палочки и конусообразные колбочки.
Но инженеры непрерывно совершенствовали оптические
микроскопы, а перед началом второй мировой войны
изобрели электронный микроскоп, дающий увеличение в десятки и
сотни тысяч раз. Отличные оптические микроскопы и
электронные микроскопы помогли ученым выявить новые и очень
важные подробности строения светочувствительных клеток.
Чтобы вы яснее представили, о чем идет речь, в книге
помещены три фотографии светочувствительных клеток. Первая
сделана с помощью оптического микроскопа при увеличении
всего лишь в несколько сот раз. Она позволяет видеть лишь
общее расположение клеток и их очертания. Примерно так
могли наблюдать колбочки и палочки ученые прошлого и
начала нынешнего века. На второй фотографии вы видите
сильно увеличенные изображения палочек. На ней уже хорошо
различимо сложнейшее внутреннее строение
светочувствительных клеток, и вы можете решить, похожи ли они на
палочки в самом деле. Это изображение уже находится на
пределе возможностей лучших оптических микроскопов. На
последней фотографии, сделанной с помощью электронного
микроскопа, вы видите лишь небольшие участки клеток —
светочувствительные окончания. Электронный микроскоп
позволяет выявлять мельчайшие детали строения клеток.
Последующие пять слоев сетчатки заполнены нервными
клетками нескольких
разновидностей. Эти
нервные клетки
соединяются между собой,
а также с палочками и
колбочками. Они
воспринимают
раздражения от палочек и
колбочек, производят
первичную обработку
сигналов и по нервным
волокнам передают их в
зрительные центры
головного мозга.
Нервные волокна занимают
внешний, десятый по
счету, слой сетчатки.
Интересно, что
светочувствительные клетки
Расположение нервных и светочувстви- располагаются не В на-
тельных нлетон в сетчатне примата. ружном слое, а В глу-
бине сетчатки; то есть свет попадает в них, пройдя все слои
сетчатки. Почему природа выбрала такую конструкцию,
ученым еще предстоит выяснить. Это тем более интересно, что
в глазу спрута, столь похожем на человеческий, слои
сетчатки следуют в обратном порядке: в ближайшем к свету слое
лежат светочувствительные клетки.
Размеры светочувствительных клеток очень малы.
Диаметр палочки в сетчатке человека примерно равен 2
микронам, а длина 60 микронам. Колбочка чуть больше, ее диаметр
доходит до 5 микронов, а длина 70 микронов. У орлов,
зрение которых славится своей остротой, размеры
светочувствительных клеток значительно меньше: диаметр колбочек у них
всего 0,3—0,4 микрона. Правда, по некоторым сведениям, у
людей с самым острым зрением — таковы, например, пата-
гонцы — размер колбочек и палочек значительно меньше,
чем у среднего человека.
Палочек в глазу человека огромное число. Их около
130 миллионов. А колбочек гораздо меньше—всего 7
миллионов. Палочки более или менее равномерно располагаются
по всей сетчатке. А колбочки в основном группируются в ее
центральной части. Особенно много их в так называемом
желтом пятне — самом важном участке сетчатки.
Когда мы рассматриваем какой-нибудь предмет, глядим
на лес или поле, мы не сомневаемся, что одним взглядом
охватываем весь предмет, весь лес, все поле. Однако на
самом деле это не так. Нам, а тем более естествоиспытателям,
не следует всегда и безоговорочно верить чувствам. Нередко
за истину мы принимаем иллюзию. В этом смысле зрение —
одно из самых коварных чувств. Мы ежедневно, не отдавая
себе в том отчета, сталкиваемся с десятками зрительных
иллюзий. К счастью, большинство полезны, но некоторые
изредка вредят нам. Ощущение, что мы видим предмет
целиком,— полезная иллюзия. Но всего лишь иллюзия. На самом
деле мы не можем сразу увидеть большой предмет целиком:
ни глаз, ни зрительные центры мозга не приспособлены к
этому. В каждый миг глаз четко воспринимает лишь очень
небольшую часть предмета. Но мгновения стремительно
сменяют друг друга, и глаз, «обшаривая» предмет часть за
частью, сообщает мозгу о своих наблюдениях. Мозг
запоминает сообщения и складывает из них полную четкую картину
предмета, подобно тому как складывает малыш картинку из
кубиков.
Четкое видение создается желтым пятном. В деталях
видны только те объекты, которые проектируются на желтое
пятно. Особенно же четко мы видим те участки предмета,
чьи изображения попадают в центр желтого пятна, где
173
^L
расположена так называемая центральная ямка. В области
центральной ямки сетчатка утоньшена, и свет почти
беспрепятственно проникает к светочувствительным элементам
клетки. В центральной ямке имеются только колбочки, здесь их от
тридцати до пятидесяти тысяч. Четкое зрение осуществляется
почти исключительно центральной ямкой. Но только при
дневном свете. Ночью эта область сетчатки ничем не
помогает зрению.
Чтобы понять, насколько мал участок, занимаемый
желтым пятном и особенно центральной ямкой, достаточно
сказать, что площадь изображения, падающего на желтое пятно,
в 400—500 раз меньше площади изображения, занимающего
всю сетчатку, а площадь изображения, приходящаяся на
центральную ямку, в 10—15 тысяч раз меньше всего
изображения в глазу. Вот какой крохотный участок сетчатки
позволяет создавать в мозгу четкое изображение окружающего
нас мира. Вот почему зрительный процесс всегда протекает
скачками: глаза замирают на некоторое время, затем
совершают очень быстрый, но небольшой скачок, снова замирают
и всматриваются, снова совершают скачок. В минуту глаза
совершают до 120 скачков и остановок. Остановка длится от
0,2 до 0,8 секунды, а скачок раз в тридцать меньше. Ы\ъ\
всматриваемся в мир только в моменты остановки глаз.
Именно за эти доли секунды глаза успевают разглядеть, а
мозг запомнить увиденное.
Как мы помним, в улитке внутреннего уха имеется в
среднем 20 тысяч рецепторных клеток, причем от каждой из них
отходит по волокну слухового нерва. В сетчатке рецепторных
174
клеток в семь тысяч раз больше—137 миллионов. Однако
волокон в зрительном нерве всего лишь миллион \ Конечно,
миллион — огромное число, но в данном случае дело не в
абсолютном количестве волокон зрительного нерва, а в том,
что, в отличие от улитки уха, в сетчатке на каждое из волокон
приходится не по одному, а по многу рецепторов.
Раньше, когда сетчатка была изучена гораздо хуже2,
считалось, что палочки и колбочки соединяются
непосредственно с волокнами зрительного нерва. Теперь мь\ знаем, что это
не так. На пути между рецепторными клетками и волокнами
зрительного нерва находятся и другие клетки, имеющие
чрезвычайно разветвленные взаимные соединения и
выполняющие очень сложные и почти совсем еще не понятые
преобразования сигналов от палочек и колбочек, Благодаря этим
преобразованиям мозг получает сведения от 137 миллионов
рецепторов всего лишь по миллиону проводов — нервных
волокон. Правда, информация, поступающая в мозг от
различных участков, не равноценна по содержанию деталей
изображения. Так, на периферии сетчатки сигналы от 100 до 400
палочек и нескольких колбочек сходятся через промежуточные
клетки к одному волокну; зато в области центральной ямки
каждой колбочке соответствует свое волокно. Именно
благодаря такому принципу соединения наиболее детальная
информация поступает в мозг из центральной ямки, менее
детальная— из остальной части желтого пятна. Меньше всего
подробностей сообщают мозгу палочки и колбочки, лежащие
вне желтого пятна.
Острота зрения вне желтого пятна раз в тридцать
меньше, чем в пятне. Мы вообще не можем различать деталей,
пользуясь лишь боковым зрением. Это очень легко
проверить. Вот простейший опыт, который вы можете провести, не
отрывая глаз от книги. Он займет у вас не более тридцати
секунд. Читая эти строки, задержите направление взгляда на
слове, нарочно для этого случая напечатанном жирным
шрифтом, и, не переводя с него взгляда, попробуйте
боковым зрением разобрать буквы на соседних верхних строках.
Думаю, что уже на четвертой-пятой строке вам не удастся
этого сделать.
1 Количество волокон в зрительном нерве человека окончательно не
установлено. В последнее время довольно часто говорят о числе 5
миллионов.
2 Она и теперь изучена недостаточно. Должен признаться, данное
здесь описание сетчатки весьма приблизительно и не только потому, что
в популярной книге поневоле приходится упрощать,— в сетчатке человека
многое еще неясно. Ученым будущего современное описание сетчатки,
возможно, покажется таким же наивным, как нам древняя географическая
карта, где не показана Америка.
175
Но малая четкость бокового зрения вовсе не недостаток
глаза. Наоборот, в этом кроется одно из замечательных
инженерных решений природы, которым техника воспользуется
при создании зрительных автоматов. Замечательный принцип
организации работы сетчатки позволил природе одним махом
разрешить самые трудные проблемы: экономии места, веса,
энергии и обеспечения очень высокой надежности. По
надежности с глазом не может сравниться ни одно даже
значительно более простое техническое устройство. Что же касается
экономии места, веса и энергии, то тут просто не с чем и
сравнивать; инженеры еще не создали каких-либо приборов, хотя
бы отдаленно сходных с сетчаткой.
Итак, в сетчатке человека имеются светочувствительные
рецепторные клетки двух типов — палочки и колбочки.
В палочках, как мы уже знаем, содержится зрительный
пигмент — родопсин. При ярком свете родопсин начинает
выцветать. Чем ярче свет, попадающий в глаз, тем скорее
блекнет зрительный пурпур. Но если освещение остается
постоянным, то даже при очень сильном свете выцветание родопсина
постепенно замедляется. Через несколько минут после
изменения освещенности количество выцветающего родопсина
становится равным вырабатываемому вновь. Наступает
динамическое равновесие. Если освещенность начнет убывать,
вырабатываемого родопсина станет больше, чем
выцветающего. Поэтому концентрация невыцветшего пигмента в
палочках вновь начнет увеличиваться до тех пор, пока опять не
наступит динамическое равновесие. В полной темноте в
палочках содержится наибольшее количество невыцветшего
родопсина, а на ярком солнечном свету его становится очень
мало. По мнению некоторых ученых, на ярком солнечном
свету неразложившегося зрительного пигмента в палочках
практически не остается; другие исследователи считают, что
остается много.
Разложение родопсина представляет собой сложнейшую
фотохимическую реакцию, суть которой еще
недостаточно ясна. Но это не мешает большинству специалистов считать,
что зрительные процессы в сетчатке связаны с реакцией
разложения родопсина. Исследования показывают, что
чувствительность палочки к свету повышается с увеличением в ней
концентрации неразложившегося родопсина. Привыкнув к
темноте, ^ль\ можем видеть очень слабый свет. Так, в темную,
безлунную ночь мы замечаем на небосводе очень слабые
звездочки, ^лъ\ можем увидеть свечу на расстоянии в
несколько километров. Привыкшие к темноте глаза реагируют на
столь малые количества световой энергии, что в этом с ними
могут сравниться только охлажденные до температуры
176
жидкого азота электронные усилители изображения. Но,
войдя в темную комнату с ярко освещенной улицы, мы сперва
не сможем увидеть даже довольно светлые объекты. Должно
пройти 20—30 минут и даже час, прежде чем
чувствительность зрения снова станет высокой.
Фотохимическая теория зрения объясняет это так: для
получения сигналов от палочек (хотя бы всего от нескольких)
в каждой из них должно выцвести некоторое неизменное
количество зрительного пурпура. Чем больше при этом в
палочке неразложившегося пурпура, тем меньше световой
энергии требуется, чтобы вызвать выцветание требуемого
количества пурпура.
В палочках глаза, полностью привыкших, или, как говорят,
полностью адаптированных, к темноте, невыцветшего
зрительного пигмента максимальное количество. Поэтому
требуется наименьшая световая энергия, чтобы разрушить
нужное количество родопсина и тем самым заставить палочки
передать в мозг сигналы о свете.
Процесс выцветания и восстановления родопсина
замечателен тем, что обеспечивает автоматическое изменение
чувствительности палочек к свету.
В самом деле, когда света мало, родопсина много, и мы,
хоть плохо и слабо, видим даже там, где можно без всяких
предосторожностей перезарядить фотоаппарат довольно
чувствительной пленкой. Когда же света много, родопсина так
мало, что скорость реакции выцветания родопсина хотя и
увеличивается, но ненамного, и поэтому нас не ослепляет
даже яркое солнечное освещение — в миллион миллионов раз
большее, чем то, которое воспринимает глаз в темноте.
Благодаря такому процессу выцветания и восстановления
родопсина s\b\ одинаково хорошо видим и при свете свечи,
и в солнечный полдень на берегу моря. Но благодаря этому
же наш глаз не в состоянии определять истинную величину
яркости и освещенности, и в этом он уступает любым
светотехническим приборам, предназначенным для измерений
освещенности и яркости. Вот почему даже самые опытные
фотографы и кинооператоры для определения выдержки
пользуются фотоэкспонометрами, а не работают на глазок.
Автоматическое изменение чувствительности палочек или
адаптация палочек позволяет глазу приспосабливаться к
изменениям освещенности во многие миллионы раз. А
зрачковый рефлекс помогает изменять чувствительность глаза всего
лишь в 16 раз. Так нужен ли он вообще? Да, нужен!
Зрачковый рефлекс возникает значительно быстрее, чем адаптация
палочек, и помогает глазу приспосабливаться при переводе
взгляда с близких предметов на дальние и при небольших, но
177
довольно быстрых изменениях освещенности: например,
когда солнце или луна то прячется в облаках, то вновь
появляется.
Помиало зрачкового рефлекса и автоматического
изменения чувствительности палочек, в нашем глазу существует по
меньшей мере еще один процесс адаптации. Он гораздо
сложнее первого и возможен только в глазу тех животных,
у которых в сетчатке есть и палочки и колбочки. Дело в том,
что чувствительность колбочек к свету значительно меньше,
чем у палочек. Зато колбочки нормально работают при очень
сильном свете. Когда же вокруг темнеет, колбочки перестают
работать; в сумерки и ночью мы видим только при помощи
палочек. Вот почему ночью перестает служить нам
центральная ямка, а острота зрения ночью значительно ниже, чем
днем. Колбочки начинают работать при такой
освещенности, которую дает свеча на расстоянии примерно двух
метров. И чем светлее вокруг, тем большую роль в зрении
играют колбочки. С наступлением дня палочки как бы передают
свою вахту колбочкам.
Помогая друг другу, процессы адаптации делают наш глаз
совершенно уникальным прибором. Ни одно оптическое
устройство, созданное инженерами, пока еще не может
сравниться с глазом способностью работать при очень больших
изменениях освещенности. Наш глаз работает при
изменениях освещенности (от самой слабой до самой сильной) в
миллион миллионов раз! А высший результат, которого совсем
недавно удалось добиться в передающей телевизионной
камере, в тысячу раз хуже.
«Ночью все кошки серы» — говорит пословица. В ней, как
это нередко случается, заключена научная истина — палочки,
делающие нас зрячими при слабом свете, не воспринимают
цветов, Мир в цвете мъ\ видим только с помощью колбочек,
когда светло.
Теория цветового зрения существует уже очень давно.
Основная ее предпосылка состоит в том, что мы видим и
различаем цвета благодаря наличию в сетчатке трех видов кол*
бочек. Колбочки одного вида должны реагировать главным
образом на красные лучи, другие колбочки — на зеленые, а
третьи — на синие лучи. Уже много лет пытаются ученые
отыскать в сетчатке колбочки этих трех видов. Внешне
колбочки вряд ли должны отличаться одна от другой, скорей
всего колбочки разных видов должны содержать разные
светочувствительные вещества; одно выцветает под действием
красных лучей, другое — зеленых, а третье — синих.
Много раз ученым казалось, что им уже удалось открыть
эти вещества. Но и по сей день нет уверенности в том, что
вещества, выделенные из колбочек, действительно те,
которые ищут ученые. Совсем недавно были проведены опыты,
как будто доказывающие существование колбочек трех
разных видов, существование трех разных видов зрительных
колбочковых пигментов. Будем надеяться, что на сей раз
ученым повезло: они не ошиблись и действительно нашли то,
что искали на протяжении многих десятилетий.
Почему же открыть родопсин в палочках оказалось
значительно проще, чем зрительные пигменты в колбочках?
Одна и, пожалуй, главная причина та, что палочек в глазу
почти в 20 раз больше. Если к тому же колбочек имеется
три вида, то каждый из трех колбочковых пигментов
содержится всего лишь в двух с небольшим миллионах колбочек.
Таким образом, родопсина в сетчатке человека содержится в
50—60 раз больше, чем каждого из трех искомых веществ.
Заканчивая эту главу, мне хочется обратить ваше
внимание на одно странное и необъясненное обстоятельство.
Исследования ученых, изучавших цветовое зрение у самых
различных живых существ, показывают, что цвета умеют
различать и насекомые, и земноводные, и птицы, и млекопитающие.
Но, как это ни поразительно, некоторые животные, стоящие
на весьма высокой ступени эволюционного развития, не
различают цветов. Так, цветнослепыми являются собаки. Перед
этим фактом (если это, конечно, не результат ошибки)
остается лишь развести руками, столь непонятен он с точки зрения
эволюционной теории. Правда, можно сделать одно
полуфантастическое предположение. Нынче выяснена причина цвет-
нослепоты — этот недостаток зрения объясняется генетиче-
179
скими причинами и является наследственным. Уж не оказался
ли предок нынешних собак по случайности цветнослепым
животным?
Словом, объяснить, почему собаки не различают цветов,
еще никто не сумел. А я все еще верю, что природа не могла
обделить этих смышленых животных столь необходимым и
ценным качеством. Ведь большинство животных, ведущих
дневной образ жизни, видят, различают цвета.
Так, например, у многих дневных животных количество
колбочек в сетчатке превышает количество палочек. Есть
даже такие, у которых палочки в сетчатке вовсе не обнаружены,
например, некоторые змеи, ящерицы, черепахи. В сетчатках
некоторых птиц — орлов, голубей — не только много
колбочек, но бывает не одно, а даже два и три желтых пятна.
Глаз голубя воспринимает свет разной длины волны
(разного цвета) так же, как глаз человека. Различие состоит лишь
в том, что голубь видит синие цвета чуть лучше. В этом мь\
уступаем голубям, потому что наш хрусталик слегка окрашен
в желтый цвет и плохо пропускает синие лучи. Глаз голубя
вообще удивителен: у него от сетчатки отходит столько же
или даже больше, чем у человека, нервных волокон. А это
значит, что острота зрения голубя должна быть не ниже или
даже выше, чем у человека. По некоторым сведениям, голубь
лучше человека различает тончайшие цветовые оттенки.
А вот глаз кошки содержит раза в три меньше колбочек,
чем глаз человека, и количество нервных волокон у нее тоже
значительно меньше — около 120 тысяч. Совы, морские
свинки, крысы, возможно, совсем не различают цветов: в
сетчатках этих животных почти нет колбочек. Однако ученые
предполагают, что в сетчатках некоторых животных могут
существовать колбочкоподобные палочки, то есть палочки,
которые реагируют не только на свет, но и на цвет. У
лягушек— они тоже различают цвета — в сетчатке открыты
палочки двух типов: красные и зеленые.
Что же касается головоногих моллюсков, то они, видимо,
не различают цветов. В этом убеждают специальные опыты,
проведенные над осьминогами на зоологической станции в
Неаполе.
Следовательно, цветовое зрение — способность, присущая
не только человеку, но и животным. Это доказано
множеством опытов, проведенных в лабораториях разных стран. В
одну из таких лабораторий физиологической оптики мы с вами
сейчас и направимся.
В ЛАБОРАТОРИИ
Здесь, в лаборатории, ь\ь\ встретимся со всеми любимыми
персонажами физиологических исследований: лягушками,
голубями, кошками, обезьянами. Но, разумеется,
исследованиям глаза человека ученые уделяют особое внимание и часто
проводят опыты на самих себе или на
студентах-добровольцах. И хотя опыты бывают очень сложными и утомительными,
иной раз трудно сказать, кому интереснее участвовать в них—
исследователю или обследуемым.
В лаборатории физиологической оптики уйма самых
разнообразных приборов. Здесь, в шкафах и на стендах,
расставленных в больших и маленьких комнатах, ы<ь\ увидим
сложнейшие электронные приборы для наблюдения, записи и
измерения электрических сигналов в клетках сетчатки,
проводящих нервных путях и зрительных центрах мозга; ^ль\
увидим сложнейшие оптические приборы, предназначенные
для того, чтобы направлять в глаз лучи точно известной
яркости и длины волны (цвета), создавать на сетчатке глаза
изображения, или же для того, чтобы отбрасывать на экран
световой зайчик, скорость и направление движения которого
экспериментатор может менять по своему желанию. Не
меньше в лаборатории и пришельцев из медицины —
хирургических инструментов для проведения тончайших операций на
глазе и мозге. Здесь мы увидим и сложнейшую химическую
аппаратуру, и совершенные микроскопы для исследований
строения глаза, сетчатки, нервных путей и зрительных
центров.
В лаборатории физиологической оптики бок о бок
трудятся физиологи и врачи, кибернетики и радиоэлектроники,
физики, биофизики и биохимики, психологи и математики. По
существу, это даже и не лаборатория, а громадный научно-
исследовательский институт, где усилия большого коллектива
разных специалистов направлены к единой цели. Все они
трудятся ради того, чтобы как можно больше узнать о зрении,
о его свойствах. Их интересует все: чувствительность глаза к
белым и цветным лучам, способность различать два близких
по яркости и цвету луча, близкие по форме геометрические
фигуры и тела, отыскивать заданные объекты среди
множества других и следить за их движением.
Словом, всего не перечесть. Ибо любые знания о глазе, о
свойствах зрения ценны не только сами по себе, но всегда
имеют важное практическое значение. Они помогают
инженерам находить правильные решения тысяч проблем: и выбор
наиболее удобного освещения школьных классов, и
конструирование систем цветного телевидения, и изобретение кос-
181
мических телевизионных систем... Они помогают врачам
излечивать заболевания основных органов чувств человека, его
глаз.
Главное, к чему ныне стремятся ученые, работающие в
такой лаборатории, это исследовать организацию сетчатки и
зрительных центров мозга, нервные процессы в них. Их конечная
цель — раскрыть тайну, уже тысячелетия волнующую
человечество, они хотят ответить на один из самых трудных и самых
коротких вопросов в мире: «Как мь\ видим?»
Наверное, каждый мечтает первым ответить на него.
К этому стремились еще ученые александрийской школы,
эпохи Возрождения. В те далекие времена им даже казалось,
что они нашли ответ, знают истину или совсем близки к ней.
В не столь отдаленные времена многим ученым тоже
казалось, что они очень близко подошли к разгадке тайны зрения.
Но все они ошибались. Они не могли даже представить себе,
сколько еще потребуется узнать всей науке в целом, чтобы
достаточно глубоко изучить глаз. Только нынешнему
поколению исследователей удалось по-настоящему понять всю
сложность и необозримость предстоящей работы, и вряд ли
кто теперь ожидает скорой и окончательной разгадки тайны
зрения. Быть может, кое-кто из них даже чуточку завидует
тем из вас, кто лет через десять—пятнадцать займет их места
в лаборатории физиологической оптики. За эти десять —
пятнадцать лет наука узнает множество новых удивительных
фактов. Но никто не возьмет на себя смелость утверждать, что
вам, нынешним школьникам и будущим ученым, доведется
совершить то, о чем втайне даже от самого себя мечтает
каждый исследователь зрения. Никто не возьмется обещать,
что именно вашему поколению удастся разгадать загадку,
над которой уже более двадцати веков бьется наука.
Через сколько лет удастся полностью раскрыть тайну
зрения— через десять, сто, пятьсот,— никто нынче не знает.
Но не стоит из-за этого разочаровываться в
физиологической оптике. Ведь не кажется же вам физика менее
увлекательной оттого, что h\b\ никогда не раскроем всех тайн
неживой природы. Ведь не ждем же ы<ь\ от астрономии, этой
интереснейшей науки, что она завтра или через год объяснит
все тайны мироздания. Мы знаем: звездная наука и через
века, даже тысячелетия не сумеет этого сделать. А разве
строение глаза и зрительных центров мозга проще
Вселенной? Кто осмелится утверждать, что одна-единственная
живая клетка устроена проще звезды? Сегодня можно сказать
только одно: мы слишком мало знаем о звездах и клетках,
мы только начали изучать процессы в звездах и клетках, и t^b\
знаем, что и то и другое — необыкновенно трудное дело.
182
И все-таки мь\ свидетели все новых и новых
замечательных открытий и в физике, и в астрономии, и в науке о клетке.
Не менее важные открытия сделаны и во многих других
науках. Наш век вообще богат великими научными открытиями,
и это несмотря на то, что теперь никто уже не стремится к
полному, всеобъемлющему знанию. В нашем, двадцатом,
веке впервые за всю историю цивилизации человечество
поняло, что абсолютное знание недоступно никакому разумному
существу, ибо знание бесконечно.
Освоившись с этой мыслью, ни человечество в целом, ни
каждый из ученых не почувствовали себя бессильными.
Наоборот, мысль о бесконечности знания как бы влила новые
силы в науку, обновила ее хотя бы уже потому, что каждый
ученый теперь верит в возможность все новых и новых
открытий, верит, что любой в меру таланта и усердия может
внести в науку свой вклад.
И действительно, разве ценность больших и малых
открытий в физиологической оптике уменьшается оттого, что
никто еще не смог объяснить, как мы видим? Нет!
Исследователь, день за днем, год за годом изучающий строение
сетчатки или отыскивающий зрительные пигменты в колбочках,
не живет зря. Даже самые скромные результаты
исследований — необходимый камень в гигантском здании науки.
До чего же интересен и увлекателен этот труд!
Давайте и мы познакомимся с ним. Ведь ^ль\ с вами
пришли в лабораторию физиологической оптики.
С чего начать наше знакомство? Можно осмотреть
лабораторию, потрогать приборы и даже присутствовать на одном
из опытов. Но такое знакомство окажется слишком беглым.
Не лучше ли попросить разрешения и самим провести хотя
бы простенькое исследование? Например, исследовать
чувствительность глаза к белому свету.
Нам дают разрешение, но при одном условии: все делать
самостоятельно.
Задача известна: требуется исследовать чувствительность
глаза к белому свету.
Как решать ее?
Прежде всего нам надо уяснить себе, что такое
чувствительность глаза к белому свету. На первый взгляд тут все
понятно. Но так ли это на самом деле?
Что такое чувствительность? То ли способность
обнаруживать очень слабый, самый слабый из различимых глазом белый
свет, то ли способность замечать небольшие изменения силы
белого света. Можно и так и этак понимать слово
«чувствительность». Значит, чтобы не было никаких недоразумений,
а полученные нами результаты могли воспроизвести в любой
183
другой лаборатории (это непременное условие истинности на-*
учного исследования), мы обязаны точно оговорить, что
понимается под словом «чувствительность». Давайте условимся,
что под этим мь\ будем понимать способность глаза
обнаруживать самый слабый свет, то минимальное его количество,
которое, словно порог, разграничивает тьму и свет.
Итак, договорились: будем определять пороговую силу
света, то есть такую, при которой глаз впервые почувствует
белый свет.
А что такое белый свет?
Белый? Это же очень просто! Белый... Ну, лист бумаги,
свежий снег, мел и многое другое.
Но всегда ли они белы? Если лист бумаги осветить
оранжевым светом, какого он станет цвета? Оранжевого. Значит,
снова надо договариваться. И прежде всего о том, чтобы не
смешивать двух понятий: света и цвета. Ведь, говоря о бумаге,
снеге, меле, мы имели в виду их цвет. А свет, хотя и может
быть красным, синим, зеленым, оранжевым, не есть цвет. Так
что же все-таки такое белый свет? Нельзя ли сказать, что
белый свет — это тот, который, падая на бумагу, снег, мел,
окрашивает их в белое? Нет. Подобное определение белого
света столь же бессмысленно, как и попытка поднять себя
за волосы. Разве можно определять белый свет через наше
собственно зрительное восприятие, то есть именно через то,
что нам еще неизвестно и что ы<ь\ как раз и собираемся
исследовать? Значит, нам требуется такое определение белого
света, которое одинаково устраивало бы всех, несмотря на
те или иные особенности зрения каждого из нас.
Может быть, следует принять за образец белого света
дневной? Это хорошая мысль. Но ее надо продумать
детально. Не стоит забывать, что дневной свет зависит и от погоды,
и от прозрачности атмосферы, и от времени суток. Да и
не очень-то удобно выбирать наше дневное светило в
качестве источника света — сегодня оно светит, завтра прячется
в облаках, а вечером и ночью его вовсе нет. Не лучше ли
взять в качестве источника белого света электрическую
лампу? Это тоже хорошая мысль. Но и она требует уточнения,
так как яркость и цвет свечения волоска электрической лампы
зависят от силы тока, проходящего через волосок. Значит,
надо, чтобы через электрическую лампу во время опыта
проходил строго определенный и неизменный ток. Обычная
электрическая лампа имеет и другой важный недостаток. Ее
яркость непрерывно снижается даже при неизменном токе, с
раскаленного волоска все время отделяются атомы
вольфрама и оседают на стеклянной колбе, уменьшая ее прозрачность.
Выходит, и обычная электрическая лампа тоже не годится.
184
К счастью, инженеры позаботились о том, чтобы всегда
иметь под рукой источник белого света. Они создали
специальные эталонные лампы. Они же подумали и о том, как
превратить их желтоватый свет в белый дневной: свет от
эталонной лампы пропускают через специальный светофильтр;
пройдя через него, он становится белым.
Итак, мы договорились, как понимать слово
«чувствительность» и слова «белый свет».
Можно ли теперь начать испытания?
Нет. Мы еще не имеем возможности менять силу света.
А без этого не определишь чувствительности. Как же менять
ее? Мь\ теперь знаем: ток через эталонную лампу должен
быть строго определенной и неизменной величины, иначе t^b\
не сможем получить белого света. Поэтому от регулировки
света путем изменения силы тока придется отказаться.
Как же быть? Не подскажет ли нам наша
учительница-природа какого-нибудь способа регулировки света? Думаю, вы
уже догадались, о чем пойдет речь. Конечно, о зрачке, о
диафрагме. Мы вполне можем применить диафрагму для
регулирования света. Но природа никогда не заботилась о
высокой точности работы зрачка. Не нужна особая точность
регулировки света и в фотоаппаратах. Зрачок, диафрагма
позволяют изменять свет малыми точными дозами лишь в
сравнительно небольших пределах. А нам как раз нужно изменять
свет точными малыми ступеньками и в довольно широком
диапазоне. Выбор устройства для регулировки силы света
может послужить хорошим примером того, что не следует
слепо копировать природу. Подражать природе нужно только
в тех случаях, когда стоящая перед нами задача и задача,
решенная природой, одинаковы. Диафрагму для
фотоаппарата стоило скопировать со зрачка глаза, потому что ни в глазу,
ни в фотоаппарате не нужно регулировать свет, проходящий
через диафрагму или зрачок с аптекарской точностью. В
наших опытах нужна исключительно высокая точность.
Пользуясь диафрагмой, ее трудно будет достичь. Поэтому стоит
поискать какое-нибудь другое устройство регулировки света,
более подходящее для решения нашей задачи.
Один ум — хорошо, а два — лучше. Нужно ли самим
изобретать все с самого начала? Ведь ^аы не всеведущи. Не лучше
ли посоветоваться со специалистом-оптиком? В
лаборатории физиологической оптики наверняка есть такие
специалисты. Без них здесь не обойтись. Давайте постучим в
соседнюю дверь. Там работают те, кто нам нужен,—
инженеры-оптики. Они всегда помогают исследователям правильно ставить
опыты, конструируют новую оптическую аппаратуру для
исследований; они помогут и нам.
185
Выслушав нас, инженер-оптик не станет долго
раздумывать. Ему не раз приходилось сталкиваться с подобной
задачей и решать ее. У него даже найдется уже готовое
устройство для точной регулировки света. Он подойдет к одному
из шкафов, достанет небольшую картонную коробку и
протянет ее нам. В коробке, аккуратно завернутая в вату, лежит
вытянутая треугольная призма. От обычных оптических призм
она отличается тем, что сделана из специального, сильно
поглощающего свет стекла. Такая призма называется
оптическим клином. У вершины, там, где слой стекла сходит на нет,
оптический клин совсем прозрачен; но чем ближе к
основанию, чем толще слой стекла, тем меньше его прозрачность.
Оптический клин очень удобен для изменения силы света
небольшими и точными порциями. Если же ослабления света с
помощью оптического клина будет недостаточно, оптик
посоветует поставить на пути света дополнительные ослабляющие
фильтры, так называемые нейтральные светофильтры —
дымчатые стекла, подобные серым, не искажающим цвета стекладл
защитных очков. Нейтральные светофильтры убавляют свет
в точно известное число раз. Вместо них можно ставить и
диафрагму: в данном случае от нее не требуется менять свет
точными малыми порциями, а раз так, то и она будет вполне
пригодна.
Вот каким в принципе должен быть наш прибор. В
действительности он гораздо сложнее. Кроме эталонной лампы,
оптического клина и светофильтров, в нем имеется
специальный и очень точный механизм для перемещения оптического
клина. Поворачивая ручку этого механизма, мы меняем силу
света. При этом на специальном циферблате передвигается
стрелка, она показывает истинное значение силы
попадающего в глаз света. Кроме того, прибор сделан так, чтобы во
Условная схема прибора для исследования чувствительности глаза.
время опыта в глаза испытуемого не попадал посторонний
свет.
Подобные приборы имеются во всех лабораториях
физиологической оптики. И все-таки мь\ не зря занялись
изобретательством. Ведь наша цель — познакомиться с трудом
исследователей; мы решили хотя бы на время превратиться в
сотрудников лаборатории физиологической оптики. А им часто
приходится не только проводить опыты, но и в содружестве
с инженерами изобретать нужные для исследований
приборы. Так в свое время появился на свет и прибор для
исследования чувствительности глаза. Кто-то когда-то изобрел его и
построил. И ход мыслей у этого изобретателя в основом был
схож с нашим.
Теперь можно начинать опыты. Попросим приятеля быть
подопытным. А затем поменяемся с ним ролями. Кому же
не хочется знать истинную чувствительность собственных глаз?
Как проводить исследования с помощью нашего
прибора?
Можно это делать несколькими способами, но во всех
случаях мы должны направить свет, выходящий из прибора, в
глаз, а потом менять силу света. Для начала установим
совсем малую силу, чтобы наш приятель заведомо не мог
увидеть свет.
Начинаем. Все готовы?
Нет! Ведь мы собираемся определять наивысшую
чувствительность глаза, а это значит, что в палочках должен
полностью восстановиться родопсин. Перед началом опыта нашему
приятелю придется посидеть около часа в полной темноте.
Наконец можно начинать. Медленно поворачиваем ручку
регулировки силы света. Мы поворачиваем ее совсем
ненамного, останавливаемся на несколько секунд и ждем. Если
приятель молчит, снова чуточку увеличиваем силу света и
снова ждем. Так постепенно, не торопясь, мы все увеличиваем
и увеличиваем силу света. И вдруг приятель говорит: «Вижу».
По циферблату мы определяем показание и записываем его.
Потом убавляем свет, а потом опять медленно увеличиваем
его до тех пор, пока он не станет различим. Так мы
проделаем раз десять и лишь после этого окончим опыт.
Давайте теперь посмотрим наши записи. Результаты
замеров чувствительности окажутся неодинаковыми, они
несколько отличаются друг от друга. Это и не удивительно. Точно
определить, когда тьма переходит в свет, глаз не в
состоянии. Один раз он сделает это при более слабом свете, в
другой — при более сильном. Поэтому значение наименьшей
силы света мы вычислим, как среднее из всех проведенных
измерений.
187
Еще больше будут различаться результаты испытаний,
если в них примут участие не один, не два, а много человек.
Чувствительность зрения у одних будет выше, чем среднее
значение, у других — ниже. Говоря о чувствительности глаза
к белому свету, ы<ь\ обычно называем некоторое среднее
значение, полученное в результате обследования многих людей.
Но не будем отвлекаться от опытов. Теперь пришла пора
поменяться ролями с приятелем. Придется и вам поскучать в
темноте целый час. Вам не хочется терять время? Тогда
поставим опыт иначе. Побудьте минут двадцать на ярком
солнечном свете, а затем сразу же садитесь за аппарат.
Внимание! Начали! Увеличиваем силу света. В ваш глаз
попадает из аппарата уже довольно сильный свет, но вы не
замечаете его. Увеличим силу света еще больше. Наконец вы
замечаете свет. Ваш приятель записывает показание стрелки на
циферблате. По секундомеру он отсчитывает время и ровно
через минуту снова проводит измерение. Результат уже
получается иным. Через минуту глаз заметил более слабый свет.
Еще через минуту чувствительность глаза снова возрастет.
Так, минута за минутой, станем повторять замеры. В первые
пять минут чувствительность будет расти очень быстро, но
затем увеличение замедлится и даже совсем прекратится.
Чувствительность будет оставаться постоянной примерно с
седьмой до восемнадцатой минуты эксперимента. В эти
одиннадцать минут происходит смена караула — колбочки
передают вахту палочкам. Палочки включаются в работу на
девятнадцатой минуте, и чувствительность снова начнет расти. Ее
подъем продлится еще двадцать — сорок минут. А дальше,
сколько бы мы ни ждали, чувствительность уже не
изменится. Она достигает наивысшей точки в среднем через час
после того, как мы с яркого света попадаем в полную темноту.
Именно такой опыт и позволил узнать, за сколько времени
полностью восстанавливается чувствительность глаза к
белому свету.
Не так давно ученые поставили несколько иной опыт. Вы,
конечно, помните о свечении глаз. Вспомнили об этом и
ученые. И решили впустить в глаз тоненький лучик света, так,
чтобы он отразился в специальный электронный прибор,
который измерял бы отраженный свет. По предположениям
ученых, отраженный свет должен меняться по мере того, как
в палочках будет накапливаться восстановившийся родопсин.
Эти предположения полностью подтвердились. Интересно, что
в темноте кривая восстановления родопсина и кривая
восстановления чувствительности глаза совершенно одинаковы.
А это лишний раз говорит в пользу того, что ^ль\ видим
благодаря реакции разложения родопсина в палочках»
188
Имея прибор, исследовать чувствительность глаза
человека к белому свету не очень-то трудно. Но как быть, если нам
нужно провести опыты над животными? Они не понимают,
чего мы хотим от них, и не могут сказать, что видят свет.
К счастью, после работ Павлова любой физиолог знает,
как выпытать все необходимые ему сведения у бессловесных
животных. Правда, для этого ему нужно приобрести еще одну
специальность: он должен стать дрессировщиком. Конечно, от
него не требуется таланта Дурова, но он должен очень
тщательно продумать, что хочет узнать от животного, и суметь
заставить животное вести себя так, чтобы это поведение
красноречивее всех слов рассказывало исследователю о том, что
его интересует.
Наша вторая работа в лаборатории — исследование
чувствительности к белому свету глаза голубя.
Однако прежде чем проводить опыты, нужно подготовить
наш прибор и сделать специальную клетку для голубя. В
одной из стенок клетки мы сделаем иллюминатор со
стеклянным экраном, на который будет падать луч света из
прибора. Ниже иллюминатора установим автоматическую
кормушку. Она будет открываться только в том случае, когда голубь
станет правильно выполнять то, что потребуется от него во
время опытов.
Цирковые дрессировщики не учат птиц летать, тюленей
плавать, обезьян раскачиваться на трапеции. Они знают, что
зрителей этим не удивишь. И каждый из дрессировщиков
старается научить животных чему-нибудь забавному: на манеже
морские львы жонглируют мячами, медведи разъезжают на
мотоциклетах, лошади танцуют, слоны играют на шарманках
и стоят на передних ногах. У нас другая цель, t^b\ не
потребуем от голубя ничего сверхъестественного. Во время опытов
он должен будет делать то, что более всего свойственно ему
и в обычных условиях.
Какая же деятельность наиболее свойственна голубю?
Доставка почты? Просто полет? Ни то, ни другое. Главное
в его жизни — поиски пищи. Чтобы прокормиться, он целыми
днями выискивает крошки хлеба и зернышки. Вот это
свойство голубя h\b\ и используем. В ходе опыта hAb\ потребуем от
него только одного — клевать. Но не пищу, а экран
иллюминатора, когда он увидит на нем пятнышко света.
Возможно ли заставить птицу, не отличающуюся умом,
делать это?
Теперь отложите на некоторое время книгу и
попытайтесь продумать способ дрессировки, или, если хотите,
тренировки, птицы и весь ход эксперимента. Напоминаю: наша
задача — выяснить чувствительность глаза голубя к белому
189
свету. Не жалейте времени и
запишите по этапам ход
решения этой задачи, а уж потом
сверьте с ответом в книге. Нз
спешите, постарайтесь ничего
не упустить, учесть заранее все
необходимое для успешного
осуществления опыта. Чтобы
вам легче было представить
задачу, посмотрите
фотографии, сделанные во время
тренировки голубя (в конце книги).
Надеюсь, что вы последовали моему совету и уже решили
задачу. Не беда, если ответ в точности не сойдется с моим.
Если вы нашли правильный путь, значит, и задачу решили
празильно. Ведь задача не арифметическая, и отдельные
действия могут отличаться. Важен, как говорят, принцип. А он
вполне ясен.
Его основа — терпение. Чем терпеливее мы будем
обращаться с нашим подопытным голубем, тем скорее добьемся
нужных результатов.
В нашей лаборатории физиологической оптики к услугам
исследователей любые животные. Достать здесь голубя очень
просто. Для этого нужно лишь перейти в другой корпус, где
содержат подопытных животных, и выбрать одного из
голубей. Чтобы во время работы он был покладистее, заставим его
поголодать, а потом перенесем в специальную клетку.
Чтобы голубь мог легко ориентироваться в незнакомой
клетке, мь\ пока не будем затемнять ее. Через некоторое
время, когда голубь привыкнет к новой обстановке, он
сумеет выполнять все, что требуется, даже в полной темноте.
А пока нам и самим удобнее наблюдать за ним при свете.
Итак, голубь в «классе». Можно начинать обучение.
Насыплем в автоматическую кормушку зерно, с помощью
нашего прибора направим на экран иллюминатора яркий,
хорошо заметный луч света и будем наблюдать за птицей.
Привыкнув к клетке, голодный голубь обязательно начнет искать
пищу. Он будет клевать все, что хотя бы отдаленно напомнит
ему зернышко. И конечно, не оставит без внимания и яркое
пятнышко света на экране иллюминатора. Рано или поздно
он обязательно клюнет его. И тогда в награду откроется на
несколько секунд автоматическая кормушка с зерном.
Птица обязательно заглянет в нее и, прежде чем
кормушка закроется, успеет склевать несколько зернышек. Но
голубь не насытится столь малой порцией. С еще большим
упорством возобновит он поиски пищи. Он, разумеется, не разо-
190
брался, за что получил поощрение, но световое пятнышко
снова привлечет его внимание, а за ударом клюва по
пятнышку снова откроется кормушка.
Так, попытка за попыткой, ы<ь\ приучим птицу к тому, что
клевок по экрану открывает кормушку. Но нам надо приучить
голубя клевать экран только в том случае, если он видит на
нем световое пятнышко. Выключим свет. Голубь все равно
клюнет экран. Но кормушка не откроется. Клюнув несколько
раз в погасший экран и не заработав ни зернышка, голубь
перестанет это делать. Тогда t^b\ снова пошлем в иллюминатор
свет, и в ответ на клевок кормушка наградит голубя зернами.
Проделав это упражнение несколько десятков раз, t^b\
приучим голубя ударять клювом по экрану только в том случае,
когда он действительно видит свет.
Вот теперь можно начать опыт. Подержите голубя в
темной клетке, пока его глаза не привыкнут к темноте, или
проводите опыт через короткие и равные промежутки времени,
сначала действуя более сильным, а затем более слабым
светом.
Поступает ли голубь сознательно в наших опытах?!
Разумеется, нет! В том смысле, в каком ^ль\, люди,
понимаем это слово, голубь не может действовать сознательно.
Однако вполне можно сказать, что он научился поступать
нужным нам образом, что в его мозгу образовались
определенные связи между световым пятном и кормом, или, иными
словами, у голубя выработался условный рефлекс на световой
раздражитель. Инженер то же самое скажет иначе: голубь
реагирует на световые сигналы совершенно определенным
и неизменным образом.
Обученный таким способом голубь — великолепный
работник. Он без устали в течение нескольких часов может
зарабатывать себе на пропитание, он будет внимательно ждать
появлений светового пятнышка, получать за труд и снова
ждать. Такой голубь нередко оказывается более
внимательным участником опытов, чем человек, и часто делает меньше
ошибок.
Проведя опыт многократно, ^аъ\ выясним, что
чувствительность зрения голубя к белому свету уступает
чувствительности зрения человека.
Пользуясь методом выработки условных рефлексов,
можно изучать зрение самых разнообразных животных. В ряде
случаев методом условных рефлексов можно изучать и
зрение человека. Этот метод совершенно безвреден и подчас
помогает выяснить то, что, полагаясь лишь на разум
человека, не всегда можно узнать.
И все-таки как ни хорош метод условных рефлексов, он
191
применим не всегда. С помощью условных рефлексов
ученые могут узнать у животных, насколько чувствительно их
зрение к свету и цвету, к мельканию света, выяснить, могут
ли они различать сходные по форме геометрические фигуры
и предметы, как они воспринимают глубину пространства, и
многое другое. Короче говоря, метод условных рефлексов
позволяет очень точно исследовать свойства зрения. Но когда
нас интересуют зрительные процессы в сетчатке и в мозге,
условные рефлексы мало чем могут помочь.
Вы уже знаете, что палочки и колбочки сетчатки связаны
с нервными клетками, посылающими в зрительные центры
мозга электрические импульсы — сигналы. Но одно дело —
прочитать об этом в книге, другое — выведать у природы. Как
же удалось это сделать ученым? Как исследуют они
процессы в нервных клетках сетчатки и зрительных центров мозга?
Чтобы лучше понять это, проведем одно из таких
исследований. Как и прежде, h\b\ будем исследовать чувствительность
глаза к белому свету. Но на этот раз постараемся выяснить,
что происходит в сетчатке под воздействием света;
попытаемся доказать, что электрические импульсы действительно
являются сигналами о свете.
Убедиться в существовании электрических импульсов, в
том, что они действительно являются сигналами о свете, мь\
сможем и на примере зрения весьма примитивного
животного. Мы проведем свой эксперимент на давних знакомцах
физиологов — лягушках.
Однако не следует думать, что глаз лягушки — всего лишь
учебный объект, на котором практикуются студенты.
Известно, что шансов открыть основные законы зрительного
процесса больше у тех ученых, которым удастся найти наиболее
простой по устройству глаз и наиболее простые зрительные
центры. Глаз лягушки именно таков. Сетчатка лягушки в
основе своей устроена так же, как и сетчатка более
высокоорганизованных животных, но она гораздо проще. Правда, эта
простота весьма относительна, в сетчатке лягушки
содержится «всего лишь» около миллиона палочек и колбочек, а
волокон в зрительном нерзе примерно полмиллиона. Но
благодаря исследованиям на лягушке в начале шестидесятых годов
ученым впервые удалось понять, какие сигналы посылает в
мозг сетчатка, о чем эти сигналы рассказывают мозгу.
Прежде чем приступить к опыту, h\b\ должны запастись
дополнительной аппаратурой. Мы уже немного познакомились
с ней, читая об исследованиях бинаурального слуха кошки.
Это электронный осциллограф для наблюдений электрических
импульсов, электронный усилитель, усиливающий импульсы,
поступающие по проводам с электродов, это сами электро-
192
ды — тончайшие стеклянные трубочки, заполненные
специальным электропроводящим раствором.
Перед опытом лягушку необходимо поместить на
несколько часов в полную темноту. А пока в сетчатке
восстанавливается зрительный пигмент, не будем терять времени даром.
За эти несколько часов ^ль\ научимся управлять новыми
приборами.
Когда лягушка будет подготовлена, нам останется только
ввести электрод в сетчатку лягушки, направить в глаз луч от
нашего прибора и наблюдать на экране осциллографа, что
происходит в нервном волокне.
Но как проникнуть к зрительному нерву?
Мы можем полностью удалить глаз и зрительный нерв
лягушки. Но, думаю, вам больше понравится другой способ.
Операции не удастся избежать и в этом случае, однако глаз
останется на месте, и опыт будет более бескровным.
Во время опытов исследуемый глаз должен быть
недвижим. Привязывать лягушку нет смысла, усыплять с помощью
наркотиков нельзя — они влияют на нервные клетки сетчатки,
на их работу.
Как же обездвижить лягушку и в то же время не
нарушить нервных процессов в сетчатке и зрительных центрах
мозга?
Многие из вас, вероятно, слышали о кураре — знаменитом
яде, который южноамериканские индейцы наносят на
наконечники небольших стрелок, пускаемых из духовых трубок,
Стрелка с капелькой кураре на наконечнике вернее стрелы,
пущенной из боевого лука, вернее пули поражает животное.
Кураре не убивает сразу, он не отравляет внутренних
органов, не подавляет работы органов чувств и мозга. Он влияет
лишь на окончания нервов, по которым из центральной
нервной системы поступают команды в мышцы. Под действием
кураре животное полностью парализуется, алышцы его
расслабляются, смерть наступает от паралича дыхания.
Химикам удалось синтезировать яды, подобные кураре.
К счастью, их назначение не убивать, а помогать врачам.
Приступая теперь к операции, хирург не только усыпляет
больного, но в ряде случаев вводит в его кровь кураре. Это
значительно облегчает проведение сложных операций.
Поможет кураре и нам. Благодаря кураре мы сумеем
поставить опыты значительно более достоверные и точные.
Вырезав у лягушки глаз и нерв, ^ль\ заведомо идем на то, что
они вскоре же погибнут. По существу, глаз и нерз начнут
умирать сразу же после удаления. И следовательно, процессы в
них, те самь?е процессы, которые h\b\ намерены изучать, очень
скоро начнут нарушаться и уже не будут такими, как в здо-
g Инженер и природа
193
ровом глазу. Если же мы захотим изучать процессы не
только в сетчатке, но и в зрительных центрах мозгаг удаление
глаза вовсе невозможно. Введя несмертельную дозу кураре в
кровь лягушки, мы разом решаем много проблем. Кураре
обездвижит лягушку, и, значит, не потребуется вырезать глаз.
Глаз будет нормально снабжаться кровью, и нервные
процессы в нем и в зрительном нерве будут протекать нормально.
Поэтому глаз кураризированной лягушки мы можем
использовать в опытах значительно более долгое время. И это тоже
очень важно, потому что, проводя эксперименты на одном и
том же глазу, мы сможем добиться более точной
воспроизводимости результатов при проведении повторных
экспериментов, а это, как мы уже знаем, одно из самых основных
условий научных исследований.
Но небольшую операцию придется провести и в этом
случае — необходимо открыть доступ к сетчатке для электродов.
Удалим на одном из глаз роговицу, хрусталик и стекловидное
тело, а потом с помощью специальных приспособлений
введем электрод в зрительный нерв.
Теперь все готово, можно начинать. Включаем
осциллограф. На его экране мерцает гладкая прямая линия. Внимание!
Включаем свет! И тотчас прямая линия ощетинивается
узенькими импульсами; целый частокол вырос на экране. Это по
нервному волокну побежали в мозг сигналы о том, что в глаз
попал свет.
Вот мы и доказали существование электрических
импульсов в волокнах зрительного нерва и убедились, что
возникают они под воздействием света, направленного в глаз
лягушки.
Скажем прямо: нам здорово повезло. С первого раза
удалось обнаружить именно такое нервное волокно, по
которому в мозг идут импульсы, сообщающие о появлении света.
А вообще-то мы могли и не обнаружить его сразу, потому
что далеко не всякое из полумиллиона волокон проводит
импульсы в момент появления света. Мы могли бы провести
десятки, сотни, даже многие тысячи опытов, прежде чем
увидели бы импульсы на экране осциллографа при подаче света в
глаз лягушки. Но такова уж привилегия читателя: в книге
всегда все получается гораздо проще, чем в жизни.
В жизни было очень трудно найти такие волокна. Ведь
сетчатка не просто сообщает мозгу о том, что в ту или иную
палочку или колбочку попал свет. Все обстоит неизмеримо
сложнее, ибо сетчатка — совершенное и на редкость сложное
устройство первичной переработки зрительной информации.
До недавнего времени никто из инженеров даже и не
помышлял сделать в технике что-либо подобнее.
194
Судите сами: в сетчатке человека 137 миллионов палочек
и колбочек, а волокон, проводящих в мозг сигналы от
светочувствительных клеток, всего миллион. Значит, прежде чем
послать сигналы в миллионножильный кабель, сетчатка
должна так обработать их, чтобы выбрать из сигналов от палочек
и колбочек все необходимые мозгу сведения, а уж потом
передавать их. С помощью нервных клеток разных типов
сетчатка как бы спрессовывает все 137 миллионов первичных
сигналов, преобразует их всего лишь в миллион. В сетчатке
лягушки на одно волокно зрительного нерва приходится в
среднем всего по две светочувствительные клетки. То есть
первичные сигналы она, грубо говоря, спрессовывает,
сжимает всего лишь вдвое, в то время как в сетчатке человека
«сжатие» достигает 137-кратного. Ясно, что устройство обработки
сигналов, сжимающее их вдвое, значительно проще
устройства, сжимающего сигналы в 137 раз. И действительно,
сетчатка лягушки значительно проще человеческой. Именно
поэтому ее уже удалось изучить лучше.
Но и она устроена необыкновенно сложно. Если бы s\b\
могли продолжить исследования сетчатки лягушки, то
обнаружили бы удивительно интересные вещи. Но более не стоит
продолжать опыты. Ведь у нас слишком мало знаний, чтобы
всерьез браться за такую работу. Да и цель нашего
посещения лаборатории была совсем другой: мы просто хотели
поближе познакомиться с трудом исследователей, понять, как
добиваются они от природы ответов на заданные ей вопросы.
Пожалуй, нам уже пора покинуть гостеприимную
лабораторию и продолжать бионное путешествие. Но прежде чем
мы двинемся дальше, я коротко расскажу вам, что узнали о
сетчатке лягушки ученые, среди которых были Пите и Маккал-
лок — один из виднейших американских биоников.
Как и у других животных, в сетчатке лягушки содержатся
не только светочувствительные клетки — палочки и колбочки,
но и связанные с ними нервные клетки трех разных типов.
Эти-то клетки и производят первичную переработку сигналов
от палочек и колбочек, или, как говорят инженеры, кодируют
их. Только после кодирования сигналы по нервным волокнам
поступают в мозг лягушки. Зрительные нервы, подобно
нервам слуховым, тоже перекрещиваются в мозгу. За
перекрестком часть нервных волокон из правого глаза направляется
в левый зрительный бугорок, часть — в правый. Таким же
образом разветвляются волокна от левого глаза. Кроме того,
часть нервных волокон из обоих глаз попадает в средний
мозг.
В зрительном нерве лягушки имеется пять типов волокон.
К самому внешнему слою зрительных бугорков подходят
195
волокна, по которым сигналы идут только в том случае, когда
в поле зрения лягушки оказывается четкая граница между
светлым и темным участком изображения. Граница может
быть недвижимой, а может и перемещаться — сигналы в мозг
пойдут и в том и в другом случае.
К следующему слою подходят волокна, сообщающие об
очень важных для лягушки объектах, в сущности, эти волокна
кормят ее. По ним в мозг поступают сигналы о насекомых,
попавших в поле зрения. Сигналы по этим волокнам идут
только в том случае, когда на сетчатку попадает изображение
небольшого темного объекта овальной формы с угловым
размером от 1 до 3 градусов. В жизни лягушки объектами
такой формы могут быть только насекомые. Сигналы
наиболее сильны, когда насекомое движется от периферии поля
зрения к центру. Но если оно остановится, замрет, сигналы
прекратятся. А это означает, что лягушка не видит
неподвижных насекомых, не видит неподвижных мелких предметов.
Как шутливо заметил один из ученых, она может умереть с
голоду, даже если вокруг нее будет полно дохлых
насекомых. Если бы во время опыта мы обнаружили нервное
волокно первого или второго типа, мы не увидели бы сигналов на
экране осциллографа, вместо частокола импульсов на нем
по-прежнему была бы гладкая прямая линия. По волокнам
этих двух типов сигналы не передаются ни при включении, ни
при выключении света, они, как ^аъ\ знаем, нужны для другого.
Зато в третий слой зрительных бугорков приходят
волокна, по которым в мозг
посылаются сигналы и о
включении и о
выключении света. Особенно
сильные сигналы идут по этим
волокнам, когда в поле
зрения лягушки
перемещаются узкие вытянутые
предметы.
К самому глубокому
слою зрительных
бугорков подходят волокна,
передающие только сигналы
о выключении света.
По волокнам,
связывающим сетчатку глаза со
среднидл мозгом, сигналы
также передаются только
о включении или
выключении света, причем нам-
более сильные сигналы возникают под воздействием не
белого, а голубого света.
Интересно отметить, что скорость бега импульсов
сигналов по разным волокнам зрительного нерва не одинакова.
Быстрее всего движутся импульсы по волокнам, идущим з
самый глубокий слой; медленнее всех — импульсы,
поступающие в поверхностный слой.
В свое время мь\ уже пытались вообразить, каким
представляется мир летучей мыши, голохвосту и некоторым
другим животным, обладающим необычными органами чувств.
Мы уже знаем, насколько это трудно. А теперь попробуем
взглянуть на мир глазами лягушки — обычными в нашем
понимании органами чувств, реагирующими на тот же самый
свет, что и наши глаза, и в принципе весьма схожими с ними.
И мы сразу поймем, что мир, видимый лягушкой, тоже трудно
себе вообразить, что он совсем не похож на привычный
нам мир. И очень жаль, что наше воображение отказывается
служить нам. Если бы h\b\ могли зримо представить себе, как
видит лягушка, нам гораздо проще было бы исследозать еэ
сетчатку и зрительные центры мозга.
Вот вкратце и все, что известно на сегодня о том, как
кодируются сигналы от палочек и колбочек в сетчатке лягушки.
Много ли это?
И много, и мало. Много — потому что выяснение
принципов кодирования изображения в сетчатке лягушки впервые
открыло перед инженерами реальные возможности
построения бионных зрительных автоматов, действующих по
принципу глаза лягушки. А мало — потому что даже и о сетчатке
лягушки предстоит узнать гораздо больше того, что известно
ныне. Зрительные же процессы не кончаются сетчаткой; в
ней они лишь начинаются. Основные процессы протекают в
мозге. О них h\b\ не знаем практически ничего.
«Скорее! — требуют инженеры.— Скорее исследуйте эти
процессы и расскажите нам их принципы! Они позарез
нужны нам! Без них тормозится решение насущнейших задач!»
КАРЕТА КОРОЛЯ
В детстве я думал, что все компасы одинаковы и судовой
компас ничем не отличается от обычного сухопутного
компаса путешественников, туристов, офицеров. Я представлял
себе, что, управляя кораблем, рулевой поглядывает на
небольшую коробочку с циферблатом, над которым, подрагивая,
вращается красно-голубая стрелка.
197
Однако мое неведение вскоре было рассеяно. Мне
посчастливилось увидеть настоящий корабельный компас и
услышать при этом очень интересную историю. Ее рассказал
мне старый отставной моряк.
Он подвел меня к деревянной тумбе, увенчанной сияющей
медной головой, огромной, как шлем водолаза, и сказал:
«Вот это и есть компас». Он так и сказал: «компас», потому
что все моряки и по сию пору говорят не компас, а компас.
На месте лица у медной головы были плоские
раздвигающиеся дверцы, а на месте ушей — медные цилиндры, каждый
размером с молочную бутылку. Моряк раздвинул дверцы, и я,
привстав на цыпочки, заглянул внутрь. Там было совсем
темно. Но моряк что-то сделал, в медных ушах-бутылках
вспыхнули лампы, и внутри стало светло. Но и тогда я не сразу
понял, каков же он — морской компас. Я не видел ни привычной
красно-голубой стрелки, ни черной карболитовой коробочки.
Вместо них передо мной был начищенный до золотого
блеска медный котелок размером с большое блюдце. Он имел
форму опрокинутого полушария и сверху был закрыт
плоским стеклом. Под стеклом в прозрачной жидкости плавало
широкое плоское кольцо со множеством делений—картушка.
«Это и есть настоящий корабельный компас»,— повторил
моряк. Он просунул руку сквозь дверцы, легонько надавил
на правый край котелка, и компас послушно накренился
вправо. Моряк поочередно надавливал на все края котелка, и тот,
повинуясь даже самому легкому прикосновению, накренялся.
А потом и мне было разрешено притронуться к компасу, и я
сам почувствовал, как легко и послушно уходит под пальцем
край компаса. Компас словно висел на незримой тончайшей
нити.
«Видишь, как хитро устроено! Умный человек придумал!—
сказал моряк.— А знаешь, зачем так сделано?»
Я не знал. Тогда-то моряк и поведал мне похожую на
легенду историю, которую теперь, почти тридцать лет спустя,
мне хочется рассказать вам.
Но не будем забегать вперед. Начнем по порядку. Начнем,
как это делают инженеры и ученые, с вопросов.
Почему у магнитного морского компаса такое необычное
устройство? Почему малейшее прикосновение заставляет его
накреняться во все стороны? Почему котелок компаса
заполнен жидкостью?
Рассмотрите внимательно обычный школьный компас.
Стрелка его вращается на тоненькой, как игла, металлической
опоре. Такая игла почти не создает трения, она почти совсем
не мешает стрелке поворачиваться в направлении север—юг.
Накрените слегка компас. Один конец стрелки чуть подымет-
198
ся над циферблатом, а другой опустится. Однако
присмотритесь внимательнее — стрелка-то, оказывается, по-прежнему
горизонтальна, ее положение относительно поверхности
Земли осталось все тем же, изменилось лишь положение
коробочки компаса. Если еще сильнее накренить ее, то один конец
стрелки начнет задевать за стекло, и компас не сможет
работать.
На море даже в штиль есть волны, даже в самую
спокойную погоду корабль покачивает на волнах. А когда по морю
катятся штормовые валы, качка становится столь сильной, что
обычный компас не смог бы работать. Судовой же компас
устроен так, что качка не влияет на его работу: он и в самую
сильную бурю исправно держит свою ответственную вахту;
он не может прекратить работу, он должен всегда показывать
направление стран света. На корабле все может качаться:
кастрюли и сковородки в камбузе, люстра в кают-компании,
но не компас. При любом шторме картушка компаса должна
оставаться неизменно спокойной и параллельной поверхности
моря, она должна повиноваться только одной силе — силе
притяжения к магнитным полюсам Земли.
Как добиться этого? Может быть, стоит подвесить компас
к потолку рулевой рубки? Корабль будет раскачиваться, а
компас останется недвижимым, потому что сила тяготения к
центру Земли всегда будет удерживать нить, на которой
подвешен компас, в вертикальном положении. Подвесив компас
на нити, 1ль\ действительно добьемся того, что он будет
оставаться неподвижным относительно поверхности моря. Сам он
уже не будет раскачиваться. Но любое прикосновение, любое
дуновение ветерка будет поворачивать и раскачивать его.
А это означает, что компас превратится в бесполезный
маятник, он не сможет правильно показывать направление стран
света. Следовательно, компас нужно каким-то способом
закрепить, чтобы он не мог поворачиваться вокруг оси, чтобы
его не раскачивали случайные прикосновения. Но как только
мы закрепим его, то есть свяжем стержнями или даже
пружинами с кораблем, на него сразу же начнет передаваться
качка.
Придумать такую конструкцию подвески компаса, чтобы
она полностью предохраняла компас от качки и в то же
время намертво удерживала бы его от поворотов вокруг оси,
было нелегким делом.
«Это было очень трудным делом,— сказал старый
моряк.— В те годы, когда начинались великие морские
путешествия, когда Колумб доплыл до берегов Вест-Индии, а
Магеллан совершал первое кругосветное плавание, нужда в
хорошем морском компасе стала особенно острой. И многие ум-
199
ные головы крепко задумывались над тем, как правильно
подвесить компас. Но тщетно. Ни один корабельный мастер,
ни один капитан, ни один рулевой не додумались до
правильного решения этой важнейшей для мореплавателей задачи.
Мне, моряку, стыдно говорить об этом, но ответ нашел
совершенно сухопутный человек, не сумевший бы отличить фок-
мачты от грот-мачты. Его звали Кардан. Он был знаменитый
на всю Италию и даже на всю Европу врач, математик, фило-
сов и астролог'.
Ты уже изучаешь алгебру,— продолжал моряк.— И
наверное умеешь решать уравнения третьей степени. А знаешь ли
ты, что при этом ты пользуешься уравнениями Кардана? Он
был первым, кто вывел формулы для их решения. Правда,
многие утверждают, что на самом деле преуспел в этом не
сн, а другой знаменитый итальянский математик — Тарталья.
Будто бы именно Тарталья первым нашел решение
кубических уравнений и под строжайшим секретом написал о своем
успехе Кардану. А Кардан якобы обманул Тарталью и
опубликовал его решение под своим именем. Тарталья во
всеуслышание обвинил Кардана, и они долгое время оспаривали друг
у друга честь открытия.
И, возможно, так оно и было на самом деле: возможно,
Тарталья прав. Кардан действительно был странным
человеком. В нем уживалось многое — и гениальность, и
шарлатанство, и авантюризм. Он любил почести и богатство, врачевал
сильных мира сего, домогаясь славы великого врача. Ему
хотелось прослыть великим философом. Его философские
сочинения, как зеркало, отражают всю странную и
противоречивую натуру этого человека. В них самые дикие, самые
темные суеверия перемешаны со смелыми, подчас гениальными
мыслями и догадками. Кардан первым предложил обучать
слепых чтению и письму на ощупь, а глухонемых —
объясняться знаками. Он первым стал утверждать, что животные не
созданы богом специально на потребу человеку. Не боясь
всесильной католической церкви, Кардан говорил и писал, что
животные появились на Земле и существуют независимо от
человека.
И вот именно он, Кардан,— тут уж никто не оспаривает
его первенства — придумал, как правильно подвесить компас.
По правде говоря, о компасе-то он вовсе и не помышлял.
Служа датскому королю, он изобрел карету, в которой тело
1 Правильнее называть его не Кардан, а Кардано. Джеронимо Кардано
родился в 15С1 году, через девять лет после первого похода Колумба и
за пятнадцать лет до плавания Магеллана. Умер Кардано в 1576 году. Он
учился в Павии, в городе, где впоследствии разыгрался великий спор
между гальванистами и вольтаистами.
2Q0
его величества короля Дании могло без мук выдерживать
путешествия по разбитым, немощеным дорогам того времени.
Какие бы рытвины и колдобины ни встречались на пути
кареты датского короля, ее знатный седок чувствовал себя не
хуже пассажиров современных комфортабельных лимузинов.
Кузов этой кареты не был связан с колесными осями, а висел
в двух поворотных рамах особой конструкции, которые мы и
называем «карданов подвес».
Видишь, компас тоже укреплен в двух входящих друг в
друга круглых рамках. Внешняя рамка связана с кораблем, но
может поворачиваться вокруг собственной оси в направлении,
перпендикулярном
продольной оси корабля. Внутренняя
рамка связана с внешней, а
через нее и с кораблем; она
тоже может поворачиваться
вокруг собственной оси,
параллельной продольной оси
корабля. Когда качка бортовая и
судно накреняется влево и
вправо, внешняя рамка
остается неподвижной, а внутренняя
под действием силы тяжести
поворачивается, стремясь со- Карданов подвес.
хранить прежнее положение.
А во время килевой качки то
же самое происходит с внешней рамкой, она удерживает
компас от колебаний при килевой качке. Если же качает и так
и этак, поворачиваются обе рамки, и компас все разно
остается в покое. Когда же корабль поворачивает, меняет курс,
рамки оказываются намертво связанными с ним, а
следовательно, и котелок компаса тоже. Но плоской картушке,
плавающей на поверхности жидкости, ничто не мешает
оставаться в неизменном положении и правильно указывать
направление стран света.
Если хочешь, проверь сам. Налей в тарелку воды, положи
па ее поверхность бумажку и поворачивай тарелку вокруг
оси. Ты увидишь, как вода поворачивается в обратную
сторону. На самом же деле вращение воды только кажущееся.
Она остается почти неподвижной, а вращается только
тарелка. Если же накренить тарелку, то поверхность воды
неизменно остается параллельной земной поверхности: это сила
притяжения к центру Земли заставляет занимать ее такое
положение. Такое свойство воды и любой другой жидкости
не забыты строителями компасов. Если карданов подвес не
сумеет полностью уберечь картушку от качки, это доделает
201
за него жидкость. Потому-то котелок компаса и сделан в
виде полушария: если его чуточку накренить, жидкость
перетечет так, что ее поверхность, а значит, и плавающая на ней
картушка останутся в горизонтальном положении.
Хитро устроен корабельный компас! Конечно, не сразу
после изобретения Кардана компасы стали такими
совершенными. Но главное — подвес стали применять благодаря
изобретению удивительного итальянца. Конец его жизни был
тоже удивительным. К старости Кардан разорился, ему
запретили врачевать, и пришлось ему заняться составлением
гороскопов. Молва говорит, что он трижды составлял гороскоп
самому себе. Первые два не сбылись. И тогда, чтобы
доказать свое умение, Кардан в год смерти, предсказанный
третьим гороскопом, уморил себя голодом».
Вот и вся история, рассказанная мне старым моряком. Она
и впрямь похожа на легенду. Но почти все в ней — правда.
Одного только я нигде не сумел узнать — действительно ли
Кардан изобрел свой подвес специально для кареты датского
короля. Во всех книгах говорится, что подвес изобрел
именно он, а зачем — не написано. Может быть, кареты зозсе и не
было. Но моряк, рассказавший мне эту историю почти
тридцать лет назад, был очень стар; а узнал он ее в ранней
молодости от другого старого моряка. И значит, легенде этой
больше ста лет. А может быть, и значительно больше. Не
исключено, что это флотское предание еще со времен самого
Кардана хранит ту правду, которую трудно теперь разыскать
на пожелтевших страницах пахнущих стариной книг.
Где только не применяется карданов подвес! Вы
встретите его и на кораблях, и на самолетах; его используют в
боевых ракетах и на космических кораблях.
Разумеется, он нужен не только для подвески магнитных
компасов. Да и сами магнитные компасы уже значительно
потеснены и все чаще уступают место своим младшим
братьям— гирокомпасам. Путешественникам наших дней путь
указывает не магнитная стрелка, а волчок, вращающийся в кар-
дановом подвесе с бешеной скоростью — в десятки и даже
сотни тысяч оборотов в минуту.
У такого волчка есть одно заллечательное свойство: ось,
вокруг которой он кружится, сохраняет в пространстве
неизменное направление. Прежде чем раскрутить волчок, мы
можем направить его ось на Полярную звезду, и тогда он будет
точно указывать на север.
Если у вас есть велосипед, проделайте простой опыт.
Снимите переднее колесо с вилки, крепко возьмитесь за концы
оси и попросите кого-нибудь раскрутить колесо как можно
сильнее. После этого попробуйте изменить плоскость враще-
202
Тан устроен примитивный
гиросноп. Ротор гироснопа
(металличесний тяжелый
диен) приходится раенру-
чивать руной.
ния колеса. Оказывается, это
очень трудно. Потребуется
немалая сила, чтобы ось колеса
изменила свое направление в
пространстве.
Говорят, изобретатель
гироскопа решил подшутить над
вокзальным носильщиком. В его
чемоданах были спрятаны
гироскопы. Прежде чем подозвать
носильщика, он включил гироскопы
и лишь после того, как они
хорошенько раскрутились, отдал ему
чемоданы. Ничего не
подозревая, тот поднял их и понес по
перрону. Но когда носильщик
хотел повернуть за угол, чемоданы,
точно живые, стали вырываться
из его рук: они заставляли его
двигаться в прежнем
направлении. Перепуганный носильщик
отказался тащить норовистые
чемоданы. Он был убежден, что в них
заперта нечистая сила.
Если история с носильщиком правдива, то можно сразу
же сказать, что подшипники осей волчков были жестко
скреплены с чемоданами, и волчки могли вращаться только вокруг
своей оси. Иными словами, они не были установлены в кар-
дановых подвесах. Если бы они находились в подвесах, то
носильщик ничего не почувствовал бы. Он мог бы
поворачивать чемоданы и так и этак, и рамки подвесов при этом тоже
поворачивались бы, но в противоположную сторону,
сохраняя неизменным направление осей вращения волчков
гироскопов.
Гироскопы применяются не только в гирокомпасах, но и
во многих других очень важных приборах. Таков, например,
гировертикаль. Само название говорит о том, что этот прибор
применяется в тех случаях, когда необходимо знать точное
направление вертикали, или, что то же самое, точное
направление к центру Земли.
Где нужно знать это направление?
Прежде всего в строительстве. Каменщикам, кладущим
стену, необходимо точно знать направление: возводя стены,
они непременно сверяются с вертикалью, иначе стены
рухнут. Однако нужен ли им сложный гироскопический прибор —
гировертикаль? Конечно, нет! Простой отвес — конический
203
грузик на нити — точно указывает напразление к центру
Земли.
На самолетах и на других объектах, движение которых
отличается от разномерного прямолинейного, отвесом
пользоваться нельзя. При непрямолинейном или при неравномерном
движении возникают силы, отклоняющие отвес от истинной
вертикали. На самолете он будет висеть строго вертикально,
если самолет летит точно по прямой и с неизменной
скоростью.
Но самолетам редко приходится летать так. Представьте
себе фотокамеру, установленную на самолете. Чтобы
фотографировать землю, нужно камеру направить строго вниз.
Естественно, что самолет не может лететь по идеальной
прямой, он может попадать в воздушные ямы, в зоны сильных
ветров. Ему приходится маневрировать, менять скорость,
совершать виражи. Но как в этих условиях удерживать строго
вертикальное направление камеры?
Инженеры решили эту задачу. Разработаны специальные
устройства стабилизации положения камер. Их сердцем
является гировертикаль. Она не боится ни болтанки, ни креноз;
она всегда занимает вертикальное положение в пространстве.
Гировертикаль жестко связана с камерой, укрепленной в кар-
дановом подвесе. Благодаря этому камера при любых
маневрах самолета сохраняет неизменное направление в
пространстве и позволяет производить точное фотографирование.
А вот другой пример. Вы, конечно, знаете, что на
искусственном спутнике Земли и на космической ракете сила
тяготения отсутствует; на спутнике, на ракете с выключенными
двигателями все находится в состоянии невесомости. Но и на
спутниках, и на межпланетных станциях часто необходимо с
очень высокой точностью знать некоторое истинное и
неизменное направление в пространстве. Только зная его,
космонавты или автоматы могут управлять полетом
космического корабля или автоматической межпланетной станции. Отвес,
разумеется, здесь совсем непригоден. Его заменяет
гироскоп.
К сожалению, у всех нынешних гироскопов есть один
очень важный недостаток: ось вращения волчка гироскопа не
может долго сохранять неизменным направление в
пространстве. Со временем она начинает отклоняться, и чем дольше
работает гироскоп, тем больше такое отклонение. Недостаток
этот вызван извечным врагом инженеров — трением. Трение
в подшипниках оси волчка, трение самого волчка о воздух
уводит ось гироскопа. Чем сильнее трение, тем скорее ось
меняет свое направление.
Какими только методами ни борются инженеры с трением
204
в гироскопах! Они придумали конструкции гироскопов, в
которых волчок вообще не касается опор, а держится на двух
воздушных подушках; в других конструкциях волчок
вращается в высоком вакууме, в третьих его «подвешивали» в
магнитном поле. Трение удалось свести к ничтожной величине.
Но полностью устранить его невозможно. А значит, ось
вращения волчка хоть и совсем незаметно, всегда будет менять
свое направление в пространстве.
И все-таки гироскопы применяют очень широко. За это
мы должны быть благодарны инженерам, которые нашли
способы исправлять ошибки гироскопов.
Так, в гирокомпасах направление оси регулярно сверяется
с направлением стрелки магнитного компаса. Если ось
отклонилась, специальное устройство производит коррекцию, то
есть заставляет ось занять прежнее положение.
Гировертикали приходится проверять по... отвесу, или, что то же самое, по
некачающемуся маятнику. В те моменты, когда самолет
летит по прямой с неизменной скоростью, маятник занимает
строго вертикальное положение и производится коррекция
гировертикали. Это не особенно удобно, однако другого
выхода нет.
А как проверять, корректировать гироскопы на
межпланетном корабле, где ни компас, ни маятник уже не могут
помочь? Каким ориентирам можно довериться в холодной
черной пустоте космоса? О, в космосе полно великолепных
ориентиров! Это — звезды. Любая из них, кроме Солнца,
настолько далека, что, пролетев сотни миллионов и миллиарды
километров, мы практически не заметим даже малейшего
изменения направления на далекий космический маяк.
Звездная ориентация, или астроориентация, позволяет с
замечательной точностью устанавливать положение
межпланетных кораблей в пространстве. Только астроориентация
дает возможность установить в космосе «верх» и «низ», «лево»
и «право». Только благодаря ей можно очень точно задавать
положение корабля в межзвездном пространстве,
ориентировать его так, чтобы телевизионные камеры смотрели на
поверхность Луны, Марса или Венеры; чтобы радиоантенны
были направлены прямо на Землю.
Вы, конечно, слышали об автоматической межпланетной
станции «Зонд-3». Она была запущена 18 июля 1965 года в
сторону Луны и вскоре передала на Землю замечательные
изображения обратной стороны Луны. Но на этом ее миссия
не закончилась, она продолжила свой полет в дальнее
космическое пространство, продолжила передачу важной научной
информации. 15 сентября 1965 года она находилась на
расстоянии 12,5 миллиона километров от Земли, но радиосвязь
205
с Зелллвй продолжала
оставаться отличной.
А это значит, что антенны
«Зонда-3» были
направлены точно в сторону
Земли, и, следовательно,
автоматическая межпланетная
станция занимала в
пространстве строго
определенное положение; она
как бы «знала», где
находится Земля, и
поворачивалась, ориентировалась
так, чтобы радиолуч шел
к родной планете.
В газетном
сообщении тех дней говорилось:
«Для отработки систем,
позволяющих изменять направление полета, 16 сентября
с испытательными целями была успешно проведена
коррекция траектории полета «Зонда-3». Система астроориентации
автоматически сориентировалась по Солнцу и звезде Кано-
пус, повернула станцию в определенное положение, заданное
командами с Земли, и поддерживала с высокой точностью
эту ориентацию. Затем была запущена корректирующая
двигательная установка, изменившая скорость полета станции
на 50 метров в секунду под углом 45 градусов по
направлению на Землю. Контрольные сеансы радиосвязи со станцией
подтвердили правильность выполнения корректирующего
маневра».
По звезде Канопус ориентировалась и американская
автоматическая межпланетная станция «Маринер-4»,
сфотографировавшая в июле 1965 года Марс.
По звездам, как мы знаем, можно не только
ориентироваться, но и навигировать, то есть двигаться в таком
направлении, чтобы попасть в заданную точку пространства.
Астронавигация как на Земле, так и в космосе позволяет с высокой
точностью прибывать в нужный пункт.
Пожалуй, хватит доказывать пользу гироскопов. Она
теперь ясна вам. Но стоит сказать еще несколько слов об их
недостатках. Итак, нам известно, что трение уводит ось
гироскопа. Но это не единственный недостаток. Трение создает
еще одну существенную трудность. Из-за него да и
вследствие других причин гироскопы недолговечны. На кораблях
и на самолетах недолговечность гироскопов не столь
страшна. Но вряд ли кто из будущих космонавтов согласится поле-
206
теть в многолетнее межзвездное странствие, имея на борту
космического корабля недолговечные гироскопы.
Инженеры уже сегодня серьезно задумываются над тем,
как сделать гироскопы надежными, долговечными.
Один из путей подсказывают инженерам физики. Они
предлагают использовать для создания надежных гироскопов
некоторые физические явления в атомах вещества. Другой
путь, быть может, подскажет бионика. Правда, в живой
природе не обнаружены органы, действующие по принципу
волчка. Но важен-то не волчок, нужно, чтобы на самолетах,
на морских судах и особенно на космических кораблях было
всегда и точно известно некоторое неизменное направление.
И если можно обойтись без волчка, это даже лучше:
устройство с бешено вращающимся волчком — очень сложное,
дорогое и довольно тяжелое устройство. У инженеров есть
золотое правило: если можно обойтись в машине или приборе
без вращающихся частей, разумнее всего отказаться от них,
ибо вращающиеся детали всегда менее надежны, чем
неподвижные.
Какой же принцип может предложить бионика?
Задав этот вопрос, я долго не мог найти на него ответа.
Работа над книгой остановилась на несколько недель. А ведь,
начиная писать о бионике, я не сомневался, что отлично знаю
ответ.
Тогда я хотел рассказать о колеблющихся с очень
большой частотой усиках бабочек. Их усики-антенны, подобно
камертонам и маятнику Фуко, свисающему с центрального
купола Исаакия, имеют замечательное свойство, роднящее их
с гироскопами,— плоскость, в которой они колеблются,
занимает неизменное положение в пространстве. Инженеры
создали приборы, действующие по принципу усиков-антенн
бабочки. Такие приборы называются гиротронами. Но широкого
распространения они не получили, потому что имеют почти
все те же недостатки, что и гироскопы, но уступают им по
точности.
Вот упоминанием об усиках-антеннах я и собирался
завершить главу, посвященную бионным гироскопам. Но, спросив
себя по совести, действительно ли усики-антенны
единственное, что может предложить природа инженерам, я не мог
сказать уверенно: да, единственное. Что-то мешало мне
утверждать это. В конце концов я понял, что именно. Это была
мысль о многообразии и мудрости инженерных решений
природы.
Почти любому живому существу необходимо уметь
ориентироваться, а значит, необходимо и знание некоего
неизменного в пространстве направления. А раз так, то приро-
207
да, несомненно, изобрела не только колеблющиеся
усики-антенны для бабочек; ей пришлось позаботиться и о других
живых существах. И действительно, природа создала и иныэ
органы ориентации. Разумеется, большинство из них так или
иначе реагируют на силу тяготения, всегда существовавшую
на Земле и дающую точное направление вертикали. У
позвоночных животных главным ориентиром является уже
известный вам вестибулярный аппарат. Он-то и сообщает мозгу об
истинной вертикали, о направлении к центру Земли.
Благодаря ему мы всегда знаем, где верх, а где низ.
Но есть и другие органы, способные указывать некое
неизменное в пространстве направление. Они способны
работать даже и тогда, когда сила тяготения отсутствует или же
заменяется силами перегрузки во время старта ракеты или
виража самолета. Какие же это органы?
Конечно, глаза! Это было давно известно мне, но тут я
впервые понял, что глаз во многих случаях может заменить
гироскоп. Это требуется от него на Земле, но особенно
потребуется в космосе. В обычных условиях глаз действует в
полном согласии с вестибулярным аппаратом, и вполне
возможно, что в начале жизни различать верх и низ зрительные
центры мозга обучаются под руководством вестибулярного
аппарата. Но потом и глаза, и органы равновесия сообщают
мозгу о верхе и низе. Нормально зрение лишь дублер, но в
условиях необычных, когда данные, сообщаемые мозгу
глазами и органами равновесия, противоречат друг другу, с
нетренированным человеком происходят не очень-то приятные
вещи: после качелей, карусели, медицинского вращающегося
кресла, после центрифуги он теряет ориентацию — мир
кружится перед глазами, земля ускользает из-под ног, а небо
уходит куда-то в сторону.
Однажды мне пришлось покрутиться в медицинском
кресле вскоре после того, как у меня было воспаление среднего
уха. Ничего не подозревая, я сел в кресло, положил руки на
подлокотники, наклонил голову вниз, закрыл глаза, и кресло
медленно и плавно повернули несколько раз. Когда кресло
останавливалось, мне велели выпрямиться и открыть глаза.
Видимо, у меня еще не все было в порядке с вестибулярным
аппаратом, потому что, открыв глаза, я на миг почти потерял
сознание, а когда через какие-то секунды пришел в себя,
почувствовал, что меня изо всех сил держат двое санитаров, с
такой силой я стремился занять казавшееся мне нормальным
положение. На самом же деле я стремился «вынырнуть» из
кресла почти горизонтально вбок. При этом я даже видел, как
пол и потолок переместились на место стен и бешено
вращаются вокруг меня. Сигналы из вестибулярного аппарата
203
оказались для мозга более важными, чем сигналы от глаз;
мозг больше верил полукружным каналам, чем глазам, и
даже заставил их видеть то, чего не было на самом деле,—
вращающуюся комнату, причем стены были под ногами и над
головой, а пол и потолок поменялись местами со стенами.
Потом, когда я совсем выздоровел, медицинское
вращающееся кресло уже не действовало на меня столь сильно. Что
же касается тренированных людей: летчиков, космонавтов,
балерин, акробатов, то на них это кресло и вовсе не влияет.
На море, в воздухе, в космосе, в цирке, на спортивных
снарядах именно глаз позволяет определять некоторое
точное и неизменное направление в пространстве и
ориентироваться по нему.
И хотя глаз не укреплен в кардановом подвесе, природа
позаботилась о том, чтобы изменения положения нашего
тела в пространстве во время прыжков, бега и других
разнообразных движений не влияли на неизменность направления
взгляда. Она изобрела конструкцию, ничуть не уступающую
карданову подвесу.
Подойдите к зеркалу и, пристально глядя себе в глаза,
поверните голову слева направо, справа налево; кивните
головой сверху вниз и снизу вверх, накрените голову с боку на
бок. Вы увидите, что зрачки ваших глаз как бы незримо
связаны со своими отражениями.
Задумывались ли вы когда-нибудь, почему глаза имеют
почти точно шаровую форму? Признаться, и я долго не
задумывался над этим. Но теперь мы легко поймем, что не
только законы оптики руководили природой, когда она создавала
глаз. Природа сделала глаз шарообразным, чтобы он мог
легко поворачиваться в орбите вокруг всех трех осей нашего
трехмерного пространства. Глаз может вращаться
относительно вертикальной оси (слева — направо), относительно
горизонтальной оси (вверх — вниз) и относительно другой
горизонтальной оси, совпадающей с оптической осью глаза.
Благодаря такой конструкции он, как и гироскоп в
кардановом подвесе, может оставаться направленным в неизменную
точку пространства при различных движениях тела. Только у
гироскопа для этого сделаны две рамки подвеса и три пары
подшипников, а глаз, имея шаровую форму, может в
своей орбите поворачиваться в любую сторону без осей и
рамок.
Природа снабдила его тремя парами глазодвигательных
мышц. Одна пара поворачивает глаз влево и вправо, другая—
вверх и вниз, а третья пара, пара косых мышц, может
поворачивать глаз относительно оптической оси. Не надо только
забывать, что глаз не может поворачиваться полностью на
209
ВИД СВЕРХУ
( косые мышцы не показаны) ЦИД СЗАДИ
Глазодвигательные мышцы поворачивают глаз вправо и влево,
вверх и вниз, и относительно оптической оси.
360° ни по одной из осей; как правило, не может этого и
гироскоп. В отличие от карданова подвеса, в котором
движение рамок происходит под действием силы земного
притяжения (как в магнитном компасе) или силы волчка,
сопротивляющегося изменению направления оси вращения (как в
гироскопе), глазодвигательные мышцы управляются сигналами,
поступающими из мозга. Эти три пары мышц являются
исполнительными органами еще одного замечательного автомата
зрительной системы — автомата слежения. Он перемещает
глаза в орбитах таким образом, что мь\ можем сопровождать
взором летящую птицу или самолет, стремительный пингпон-
говый шарик и любой другой движущийся объект. Этот же
автомат позволяет нам следить и за неподвижными и за
движущимися предметами из окна автомобиля, поезда, сквозь
смотровую щель танка или иллюминатор самолета. При этом
мы всегда разберемся, кто движется: мь\, объект или же и мы
и объект.
Вы, вероятно, не раз видели в кино кадры, в которых
дома, деревья, дорога качаются, как пьяные. Только усилием
воли мы заставляем себя понять, что деревья, дома, дорога
были неподвижными, а качалась камера з руках оператора.
Почему же кинооператор, держа камеру, не может сделать
того, на что способны его глаза? Да потому, что во время
качки (в телеге, автомобиле или на корабле) руки оператора
не в силах удерживать камеру так, чтобы она не
перемещалась относительно линии горизонта и неподвижных
предметов; руки не в силах сделать с камерой то же, что делают
глазодвигательные мышцы с глазом. Если укрепить кинока-
210
меру в кардановом подвесе, связанном с гировертикалью,
кадры, отснятые даже с переваливающегося по рытвинам и
оврагам танка, будут неподвижными.
Глазодвигательные мышцы нужны не только для того,
чтобы глаз мог следить за движущимися предметами. Они
выполняют и другую не менее полезную работу — управляют
движением глаз, когда мь\ разыскиваем что-либо;
поворачивают глаза, когда мы читаем, пишем, рассматриваем картину
или статую. Эти мышцы, пожалуй, самые быстродействующие
в человеческом организме. Мы уже говорили, что,
осматривая картину или предмет, глаза перемещаются очень
быстрыми скачками, совершая до 120 скачков в минуту, причем
длительность самого скачка составляет всего лишь три сотых
секунды. Но помимо скачков, глаз под воздействием
глазодвигательных мышц непрерывно совершает небольшие, но
быстрые колебания, которые называются тремором и по
некоторым данным имеют частоту до 120 колебаний в секунду.
Тремор весьма важен для работы глаза, особенно при
рассматривании тонких линий и границ между темными и
светлыми участками изображений.
Словом, глазодвигательные мышцы выполняют
необыкновенно нужные задачи. И обо всех не стоит сейчас
рассказывать. Мы познакомимся лишь с теми свойствами автомата
слежения, которые позволяют уподобить глаз гироскопу;
поговорим о том, как глаз сопровождает движущиеся
объекты.
Мы уже знаем, что область пространства, видимая
желтым пятном и особенно центральной ямкой, очень мала.
А область пространства, воспринимаемая боковым зрением,
очень велика. Желтое пятно и центральная ямка позволяют
нам подробно рассматривать мельчайшие детали; боковое
же зрение дает лишь самое общее представление об
окружающем. С его помощью мы неважно видим даже крупные
предметы, а мелкие неподвижные предметы не видим
совсем. Но, подобно сетчатке лягушки, периферические
области сетчатки человеческого глаза великолепно замечают
самые мелкие движущиеся объекты. Боковое зрение —
бдительный страж, немедленно передающий сигналы в мозг о
том, что в поле зрения появился некий движущийся объект.
Чтобы узнать, что же это за объект, мозг подает команду
глазодвигательным мышцам, и они немедленно наводят глаза
таким образом, что изображение нарушителя границы поля
зрения захватывается центральной ямкой.
И пока мы рассматриваем привлекший внимание объект,
глаз неотрывно сопровождает его, следит за ним. Сигналы-
команды, идущие из мозга, так управляют всеми тремя пара-
211
ми глазодвигательных мышц, что изображение объекта все
время находится в области центральной ямки.
Всякий ли объект ^ль\ успеваем сопровождать?
Нет, далеко не всякий. И это известно каждому. Когда
объект перемещается быстро или производит совершенно
неожиданные маневры, глаз может не уследить за ним и
даже вовсе потерять его.
Ученые выяснили все это путем кропотливых
лабораторных опытов. Чтобы понять, насколько быстро и точно
успевает глаз следить за объектом, им пришлось создать
специальный прибор, простой по замыслу, но довольно сложный по
исполнению.
Представьте себе небольшой белый экран, на который из
оптического проектора падает световой зайчик. Он может
быть неподвижным, но по желанию экспериментатора
может совершать на экране различные движения. Перед
экраном сидит испытуемый. Задача довольно проста: он должен
неотрывно сопровождать взглядом бегающий по экрану
зайчик.
Как проверить, насколько точно глаза испытуемого следят
за зайчиком?
Разные исследователи делали это по-разному. Но,
пожалуй, наиболее удобно проверять это с помощью второго
светового зайчика, отбрасываемого на экран крохотной
лампочкой, укрепленной на глазу испытуемого. На фотографии,
помещенной в книге, вы можете увидеть, как это делается.
Под веки вкладывается так называемая контактная линза. Она
плотно прилегает к глазному яблоку и поворачивается вместе
с ним. К наружной поверхности линзы приварен стеклянный
стерженек, на конце которого и укреплена лампочка.
Направление луча света, выходящего из лампочки, строго совпадает
с направлением взгляда, с оптической осью глаза. Это
означает, что зайчик от лампочки попадает точно в ту точку
экрана, куда смотрит глаз. Поворачивается глаз, а с ним вместе
поворачивается лампочка, и по экрану бежит световой
зайчик. Когда зайчики совпадают, глаз точно направлен на
первый зайчик.
Затем начинается опыт. Два световых зайчика словно бы
играют в салочки. Но не совсем обычные: водит всегда один
и тот же зайчик — тот, который отбрасывается на экран глс-
зом испытуемого. Движения двух зайчиков снимаются
кинокамерой. Кроме того, специальные электронные приборы
измеряют скорость и форму движения светового зайчика,
управляемого глазом.
После окончания опыта по кинокадрам и показаниям
электронных приборов проверяют результаты. Это довольно
212
кропотливое дало. Приходится просматривать под
специальным микроскопом тысячи кинокадров и измерять расстояния
между изображениями зайчиков, расшифровывать многие
десятки метров осциллограмм, на которых перья самописцев
вычертили сигналы с электронных схем.
Однако результаты вполне стоят затраченного труда. Они
очень интересны.
Когда зайчик, направленный из проектора на экран,
совершает правильные колебательные движения, глаз очень точно
следует за ним. Оба световых зайчика почти сливаются, они
движутся по экрану синхронно даже при частоте колебаний
первого зайчика до двух периодов в секунду. Это значит, что
за одну секунду глаз успевает пройти полный путь: влезо —
вправо — влево — вправо. Если же еще больше повысить
частоту колебаний, глаз начнет отставать. При частоте
колебаний первого зайчика три периода в секунду глаз и вовсе не
успеет следить за ним.
Проверили ученые и другой вид движений — скачки. При
этом первый зайчик остается некоторое время неподвижным,
потом мгновенно перескакивает в новое положение и снова
замирает, снова совершает скачок и замирает. Так делается
много раз подряд. Следя за прыгающим зайчиком, глаз
сначала запаздывает. Первый скачок он совершает с отставанием
примерно на одну десятую секунды. Но довольно быстро
приноравливается, и разрыв во времени значительно
сокращается. Особенно малым становится он, когда скачки
первого зайчика происходят через равные интервалы времени.
Мозг запоминает их длительность и поворачивает глаз, даже
не дожидаясь скачка первого зайчика.
Мозг научается предсказывать будущее положение
зайчика и дает ко/лайду на скачок заранее. Он не только
предугадывает, когда произойдет скачок, но и поворачивает глаз
на нужный угол. Мозг в этом случае делает примерно то же,
что и вычислитель для наводки зенитных орудий, над которым
в свое время работал Винер.
Интересно отметить, что способность мозга упреждать,
предсказывать будущее положение движущегося объекта
пропадает под влиянием даже ничтожных доз наркотика и
алкоголя. А ведь именно эта способность играет особо
важную роль при вождении самолета, автомобиля. Вот почему
в автомобильных авариях чаще всего виноваты пьяные
шоферы, вот почему столь непреклонно и строго запрещается
упразлять машиной даже при самом легком опьянении.
Нередко приходится слышать, что электронные системы
по своему быстродействию значительно превосходят живой
организм. В общем это утверждение верно. Но если говорить
213
о способностях глаза следить за движущимися объектами и
тех же способностях радиолокационных систем, то глаз
вполне может потягаться почти с любой из них. Мы уже
говорили, что глаз успевает следить за колеблющимся зайчиком
при частоте колебаний до двух периодов в секунду.
Примерно таковы и возможности локаторов, у которых скорость
поворота антенны задается гироскопом. В отдельных случаях
глаз может поворачиваться с угловой скоростью до пяти
тысяч градусов в секунду. На это не способен ни один гироскоп.
Итак, глаз может послужить прообразом для технических
устройств, задачей которых является определение
некоторого неизменного в пространстве направления. Такого рода
электронный глаз, будучи установленным на судне, самолете,
межпланетном корабле, мог бы неотрывно смотреть на
какую-нибудь заданную звезду, например на тот же Канопус.
Ни качка, ни эволюции самолета или ракеты не помешали бы
ему это сделать. Однако в одном глаз уступает гироскопу.
Если хотя бы на несколько минут лишить его возможности
смотреть на звезду, он забудет, в каком направлении она
находилась. Ему заново придется отыскивать ее на небосводе.
Гироскоп же запоминает это положение. Зато, потеряв
звезду, гироскоп никогда не сумеет самостоятельно отыскать ее
вновь.
Мы уже говорили о том, что в необычных условиях,
например в невесомости, органы чувств начинают работать
несколько иначе, чем на земле. Данными о работе органов
чувств и особенно глаз очень интересуется космическая
медицина. Пока ей удалось
узнать не так уж много. Но
недавно американские
космонавты установили интересный и
необычный факт.
Вернувшись из космоса,
один из них заявил, что он
настолько ясно видел наземные
предметы, что, пролетая над
Тибетом, различал отдельные
хижины и дым, шедший из
труб, а в другом месте ему
удалось видеть даже
автомобили. Ученые не поверили
сообщению космонавта. Они
решили, что это был оптический
обман. И действительно, чтобы
с высоты в сотни километров
замечать столь малые объек-
ты, надо иметь необыкновенно острое, поистине орлиное
зрение. Зрение же космонавта, десятки раз обследованное
на Земле, было нормальным зрением здорового человека.
Однако следующие космонавты подтверждали, что и они
вполне ясно видели мелкие объекты, в особенности длинные,
вытянутые тела.
Как теперь считают ученые, причина этому — невесомость.
В невесомости глазодвигательным мышцам легче работать, и
благодаря этому мелкие колебания глаза — тремор —
совершаются с несколько большим размахом и, возможно,
несколько большей частотой. Это и увеличивает зоркость глаза.
ПРИВЫЧНЫЕ ЧУДЕСА
Что такое чудо?
Чудо — это «нечто небывалое, необычное, то, что вызывает
удивление»,— говорит один из словарей русского языка, но
тут же добавляет, что чудом может называться и то, «что
вызывает общее удивление и восхищение своими качествами».
А другой словарь русского языка дает такое определение:
«Чудо — всякое явление, кое ^лы не умеем объяснить по
известным нам законам природы».
Сейчас речь пойдет о чудесах уже объясненных и о
чудесах, над разгадкой которых бьется не одно поколение
ученых.
Начнем с самого простого, что никогда не считалось
чудом, а всегда воспринималось вполне естественным и само
собой разумеющимся. Хотя если вдуматься, то и это
простое— подлинное чудо.
С приближением летних каникул вы все чаще
задумываетесь о том, куда поедете отдыхать. Один из ваших друзей
собирается в Ленинград, другой — в Москву, третий — на
берега озера Селигер. Один предполагает ехать поездом,
другой надумал лететь, третий, по-туристски, намерен добираться
на попутных машинах. И говорите вы о своих путешествиях
просто, привычно, даже обыденно. А ведь это чудо, что почти
в любой район, в любую точку земного шара проложены по
суше, воде или воздуху дороги; что нам не нужно
задумываться о выборе пути и вида транспорта. Об этом за нас уже
подумали многие поколения людей, открывших и
проторивших опоясавшие всю Землю пути и дороги. В сущности, все
великие путешественники тем и занимались, что искали и
прокладывали новые пути в известные или в неведомые страны.
Когда вы идете в школу или домой, вы, не затрудняясь,
215
находите дорогу. Она так хорошо знакома, что кажется, по
ней можно пройти с завязанными глазами. Однако это только
кажется. Закрыв глаза, зрячий не пройдет по прямой и сотни
метров.
Наши верные поводыри — глаза — помогают не только
верно выдерживать некоторое неизменное направление. Они
указывают нам дорогу. Чтобы не сбиться даже с много хожен-
ного пути, мы непрерывно сверяемся с ориентирами. Обычно
алы даже не отдаем себе отчета в этом и делаем это почти
автоматически.
Но вообразите себя в незнакомом нехоженом лесу,
полном неведомых опасностей, в чужой бескрайней степи, на
однообразной заснеженной равнине, где не за что
зацепиться глазу, и вы поймете, как трудно без компаса и карты не
сбиться с пути, не заблудиться и не погибнуть.
И все же люди путешествовали без карты и компаса.
Именно так кочевали племена наших доисторических
предков. Мы не знаем, как удавалось нашим пращурам совершать
далекие походы. Быть может, они обладали шестым
чувством, чувством направления. Но скорее всего они шли по
горам и долам, даже не представляя себе, где разложат костер
на следующую ночь. Возвращаться было легче: память
подсказывала знакомые уже приметы, глаза отыскивали
надломанную ветвь, зарубку, перевернутый камень.
Но шли века, тысячелетия, людей становилось все больше,
и постепенно они расселились по всей планете, перешли от
кочевого образа жизни к оседлому, построили селения, и
тогда по лесам и степям, по горам и равнинам протянулись
тропы и дороги. Тогда появились и первые карты. Они,
конечно, совсем не походили на нынешние. Это были устные
карты — описания троп, дорог, бродов, гор и селений. Были
и рисованные карты — прутиком на приглаженном песке,
острым кремнем на гладкой дощечке или коре. Узнали люди
и о странах света, о том, что звезды могут указывать
направление.
Потом где-то, когда-то, какой-то гениальный инженер
создал компас. А это изобретение, в свою очередь, привело к
составлению первых настоящих географических карт. С
компасом и картой, показывающей все важнейшие ориентиры,
дороги, реки, горы и селения, можно было уверенно
отправляться в самое дальнее странствие. И хотя компас и карта
небезукоризненны даже и в наше время, их точность все же
достаточна, чтобы путешественник мог за несколько (а
иногда и за десятки) километров заметить нужный ориентир или
цель своего пути. Большего пешему или конному страннику
не требуется. Завидев цель, он идет к ней, уже не сверяясь с
картой. Его ведут глаза.
Так, полагаясь на глаза, путешествовали и первые
мореплаватели. Они не смели удаляться от берегов. Очутиться в
открытом море, потерять из виду ориентиры для них было
почти равносильно гибели.
Но прошли еще века, и моряки покорили океанские
просторы. Они сумели изобрести новые ориентиры, которые
верно служат им на бескрайней водной глади. Эти
ориентиры— географические координаты. Они могут быть построены
для любой точки суши, моря и пятого океана — воздуха.
Чтобы определить место, где в данную минуту находится
корабль, достаточно сделать на карте две засечки — широту и
долготу. Но не так-то просто узнать точно широту и долготу,
не так-то просто водить корабль в открытом море даже
сегодня. Морякам пришлось создать для этого целую науку,
имя которой «навигация». Навигация помогает водить суда
по точно намеченному пути при помощи навигационных
средств: компаса, измерителя скорости и пройденного
пути— лага, точного хронометра, измерителя углового
положения звезд и солнца — секстанта, а также морских карт и
лоций.
В конце двадцатых годов нашего столетия появились
первые почтовые, а вслед за ними и пассажирские самолеты.
Сперва летчики водили их так, как первые мореплаватели,—
сверяясь с наземными ориентирами: горами, реками,
железными дорогами, городами и деревнями. И понятно, что
встретиться с туманом или облачностью, закрывшей землю, было
для них не менее опасно, чем попасть в открытое море пер-
217
вым морякам. Не видеть земли для тех и других чаще всего
означало лишь одно — гибель. Конечно, и на заре авиации
самолеты снабжались компасами и указателями высоты и
скорости, а в летных планшетах были заложены карты
маршрутов. Но этого было далеко не достаточно, чтобы пилот в
тумане и облаках мог определить свое местоположение.
И хотя между эпохой первых летчиков и эпохой первых
мореплавателей пролегла дистанция огромного размера, летчикам
в тумане приходилось даже труднее, чем корабельщикам:
самолет не может стоять на месте и у него очень
ограниченный запас горючего.
Вот тогда-то авиаторам и пришлось заняться навигацией.
На самолетах, как и на кораблях, появились штурманы, а на
приборных досках — циферблаты навигационных приборов.
Летчики начали осваивать слепые полеты, когда на зрение,
на наземные ориентиры уже нельзя полагаться. Пилотов вели
и указывали местоположение только стрелки приборов.
Мы уже говорили о том, как много самых разнообразных
приборов на современных самолетах. Большую долю от
общего числа составляют навигационные приборы. Они очень
совершенны, и, пожалуй, ни один летчик не согласится уйти
в полет без них. И все-таки густой туман, низкая облачность
по-прежнему главные враги авиаторов. Когда туман, когда
низкие тяжелые облака нависают над землей, погода все еще
считается нелетной, и в аэропортах скапливаются толпы
нервничающих пассажиров, многие тонны срочных грузов, а
авиационные линии несут огромные убытки. Всем хочется, чтобы
самолеты взлетели — и пассажирам и работникам аэропортов:
всем скучно и тяжело ждать погоды. Но на летном поле
тишина, ни одна машина не уходит в воздух, И все потому, что
в нелетную погоду из десятков и сотен приборов,
установленных на самолетах и в аэропортах, не может работать всего
лишь один и поныне самый главный и необходимый в
авиации— глаза пилота.
Глаза пилота недаром считаются самым глазным
«прибором». Как ни совершенны средства современной навигации,
как ни точны нынешние карты, они не дают возможности
абсолютно точно выводить самолет на аэродром, на взлетно-
посадочную полосу. Чтобы успешно совершить слепую
посадку, ошибка в наведении самолета на аэродром, на
посадочную полосу не должна превышать буквально долей метра.
А при хорошей видимости, когда с высоты глаз видит на
десятки и сотни километров, даже большая навигационная
ошибка не страшна. Глаза пилота узнают знакомые места,
найдут аэродром и точно укажут путь.
Так же издавна поступали и на кораблях: на вершине мач-
218
ты на специальной площадке — марсовой площадке —
помещали наблюдателя. С высоты мачты он мог заметить землю
на расстоянии в десятки километров и исправить
навигационную ошибку.
В последние несколько лет точность навигационных
систем возросла настолько, что пассажирский самолет
выводится на аэродром совершенно точно. Уже разработаны и
опробованы системы автоматической посадки самолетов. Но пока
еще ни в одной стране мира не решились доверить посадку
пассажирского лайнера автоматам. Летчику, его глазам мь\
все еще верим больше, чем любому автомату.
Но перевозки по воздуху быстро растут, увеличивается
грузоподъемность, высотность и скорость самолетов. И очень
скоро задержка вылета и прибытия машин станет совершенно
недопустимой. Во что бы то ни стало надо добиваться, чтобы
самолеты летали в любую погоду. И инженеры-навигаторы
разработали множество различных навигационных систем.
Сколько всяких устройств и приборов установлено на земле
и на борту самолета, для того чтобы привести самолет на
аэродром! Это и радиомаяки, и радиолокаторы, и связные
радиостанции и электронные вычислительные машины, и
множество других очень сложных, очень дорогих приборов.
И все это лишь для того, чтобы заменить во время тумана
или низкой облачности глаза летчика.
Каждый аэродром в мирное время на весь свет сообщает
о себе по радио: «Я здесь, слушайте все, кто ищет меня!»
И каждый самолет, направляющийся к аэродрому, легко
разыщет его. Но так летают только гражданские самолеты.
Бомбардировщику и разведчику никто не захочет сообщить
о своем местонахождении. Вражеский аэродром, склад,
вражеские войска стараются всячески замаскироваться, чтобы их
не заметили с воздуха. Но современные средства навигации
и средства воздушной разведки помогают отыскать
противника. Однако и здесь решающую роль все еще играет глаз
летчика, глаз наблюдателя. Вооруженный радиолокатором,
электроннооптическими приборами для наблюдений и
прицеливания, глаз позволяет отыскать вражеские позиции и
произвести точное бомбометание.
Так, может быть, рано еще отказываться от глаза, может
быть, и вовсе его нельзя ничем заменить?
Сегодня инженеры отвечают на этот вопрос просто:
«Природа пока еще впереди. И поэтому в тех случаях, когда это
возможно, глаз должен оставаться основным прибором».
Но мы знаем, что это не всегда возможно. И прежде
всего при плавании под водой. Здесь, хочешь не хочешь, глаз
надо заменять необыкновенно совершенными навигационны-
219
ми приборами. Они должны быть гораздо точнее, чем
навигационные приборы для надводных кораблей и самолетов.
Ведь под водой глаза помогут исправить только очень малую
навигационную ошибку. Не менее нужны точнейшие
навигационные приборы и на баллистических ракетах. Более того,
на баллистических ракетах нужны не просто навигационные
приборы, а навигационные автоматы: ведь в таких ракетах не
летают люди. Инженеры-навигаторы создали нужные
навигационные приборы и для атомных подводных лодок,
совершающих под водой многотысячекилометровые рейсы, и для
баллистических ракет, способных поражать цель на
расстояниях в десятки тысяч километров.
Вождение и надводных кораблей и пассажирских
самолетов имеет одну очень важную общую черту: все они
направляются к неподвижной цели, точные координаты
которой заранее известны. Инженерам-навигаторам в последние
десятилетия пришлось решить еще одну сложнейшую
задачу— наведения управляемых снарядов на движущуюся,
маневрирующую цель; наведения автоматической межпланетной
станции на планеты; встречи и причаливания двух
космических кораблей.
Много ли разных систем навигации применяется в наши
дни? Все ли они основаны на одном и том же принципе или
каждая система действует по-своеллу?
К сожалению, систем существует чересчур много; даже в
пределах одного государства применяют различные системы.
И это очень досадно — навигация не должна замыкаться в
рамках одного какого-то государства. Ведь она служит людям
для того, чтобы корабли, самолеты и другие транспортные
средства могли определять свое местоположение в любой
точке земного шара и выбирать нужный курс. Подумайте, что
было бы, если бы в каждой стране географические карты
составляли на свой манер. Не должно быть разнобоя и в
навигации— инженерам необходимо разработать единую
систему всемирной навигации, одинаково пригодную для кораблей
и самолетов всех стран. Сама жизнь, международный
характер морского и авиационного транспорта заставляют
инженеров стремиться к созданию единой системы. Но пока
разных навигационных систем больше, чем хотелось бы.
И все-таки винить в этом инженеров не стоит. Дело не в
том, что они допустили какой-то недосмотр, чего-то
недодумали, дело, главным образом, в необыкновенной трудности
стоящей перед ними задачи. Навигационных систем слишком
много именно потому, что ни одна из них еще не достигла
совершенства, не превосходит своих соперниц настолько,
чтобы завоевать «мировое господство». У каждой из существу-
220
ющих навигационных систем есть свои преимущества и
недостатки, И не создано еще такой, которая не имела бы
довольно значительных недочетов и была бы равно пригодна для
всех видов транспорта и во всех областях земного шара. Вот
почему инженеры не останавливаются на какой-то одной из
систем, а создают все новые. Только этим объясняется
разнобой в навигационных системах.
Однако все это разнообразие не имеет принципиального
характера. Ибо основных принципов навигации, известных
сегодня инженерадл, очень мало. Их легко пересчесть по
пальцам.
Самый старый принцип заключается в вождении
самолетов и судов по видимым наземным ориентирам. Он широко
используется и в наши дни; его вполне можно считать
международным. Карты и лоции, указывающие ориентиры: маяки,
буи, вехи, установленные в коварных местах, помогают
капитанам всех стран избегать опасностей и приводить свои
водные и воздушные корабли к месту назначения. Плавание по
ориентирам вполне удобно, но, к сожалению, их не везде
можно установить, а кроме того, не всегда и увидишь:
темнота, туманы, ливни и снегопады, облачность прячут их от
глаз мореплавателей и летчиков.
Другой, тоже очень старый и тоже международный
принцип, который вполне заслуживает звания классического
принципа навигации, основан на определении географических
координат по светилам и направления по светилам, компасу
и карте. Чтобы узнать географическую широту, достаточно
с помощью секстанта измерить угловые положения светил.
Такой замер позволяет к тому же определить и местное
астрономическое время — время в той самой точке, где в
данный момент находится корабль. Местное время сравнивается
со временем на нулевом, гринвичском, меридиане. Как узнают
моряки за сотни и тысяча миль, который час в Гринвиче? Для
зтого с давних пор на каждом судне имеется точный
хронометр, неизменно идущий по гринвичскому времени, а в
нашем веке по радио регулярно передаются сигналы точного
времени. Зная местное астрономическое и гринвичское
время, долготу определить просто. Если, например, местное
время ровно на час опережает гринвичское, корабль находится
точно на пятнадцатом градусе восточной долготы; если
местное время на столько же отстает от гринвичского, корабль
на пятнадцатом градусе западной долготы.
Какой точности можно добиться, пользуясь принципом
навигации по светилам?
Сделаем простейший расчет. Длина окружности Ззмли
ныне точно измерена по экватору и по меридиану. По эква-
221
тору она равна 40 055 километрам. В сутках 24 часа или
86 400 секунд. За это время земной шар делает один полный
оборот. Значит, погрешность в одну секунду при измерении
времени приводит на экваторе к ошибке определения
местоположения на 464 метра. По меридиану длина окружности
чуть меньше: 39 911 километров. И следовательно,
погрешность в определении широты на 1° вызывает ошибку, равную
112 километрам, а погрешность всего лишь в одну угловую
минуту — ошибку на 1865 метров, то есть почти на одну
морскую милю.
Много это или мало?
Днем, в ясную погоду, когда дальность видимости
достигает десятков и сотен километров, для надводных судов и
самолетов ошибки даже на 5—10 километров не страшны.
С ними можно вполне примириться. Но только не в местах,
опасных для судоходства: в районах мелей или рифов, на
узких фарватерах даже значительно меньшие ошибки могут
оказаться роковыми. Недопустимы такие ошибки и в плохую
погоду. Что же касается подводных лодок, то для уверенного
вождения этих судов в погруженном состоянии необходимо
определять местоположение во много раз точнее.
Инженеры в содружестве с астрономами в последние
десятилетия создали необыкновенно точные
астронавигационные приборы. Они дают ничтожные погрешности при
измерении местного времени и угловых положений светил. Казалось
бы, все проблемы благодаря этому должны быть разрешены.
Но... они остались. И с одной из них инженеры никак не
могут справиться. Дело в том, что любые астронавигационные
приборы оказываются бесполезными в плохую погоду,
особенно на кораблях. Самолеты теперь обычно летают выше
облаков, и для самолетных астронавигационных приборов
непогода не так страшна. Но есть и другая трудность, которая,
пожалуй, для авиаторов даже сложнее, чем для моряков.
Имея почти абсолютно точные астронавигационные
приборы, нетрудно с высокой точностью определить
географические координаты. И, казалось бы, можно абсолютно точно
прокладывать курс к цели путешествия. Однако дело обстоит
не так просто. И вот почему. Нынешние географические
карты— плод многовекового труда географов и картографов —
создавались в основном в те времена, когда не было точных
переносных приборов для определения географических
координат. В наши дни точные географические координаты
известны лишь для сравнительно небольшого числа точек земной и
водной поверхности. Для остальных же они определены с
довольно значительной погрешностью. Конечно, в развитых
странах карты непрерывно обновляются и уточняются, но
222
есть еще на лике нашей планеты огромные области, которые
изучены недостаточно. Имеется и другая причина,
ограничивающая точность карт. Она тоже очень проста, но как
полностью устранить ее, картографы не знают. Это неизбежные
ошибки при составлении карты. Так, смещение некоторой
точки всего в один миллиметр на карте с масштабом
1 : 1 500 000 (а это очень крупный масштаб!) приводит к
ошибке определения местоположения ориентира или цели
путешествия, равной 1500 метрам! Но такое смещение вполне
возможно при изготовлении карты, и, кроме того, бумага, на
которой напечатана карта, может стягиваться и растягиваться
при изменениях температуры и влажности воздуха.
Представьте себя на месте штурмана, ведущего корабль
к крохотному островку, затерянному в Тихом океане. По
карте вы определяете координаты островка и идете нужным
курсом. Но, приведя судно в точку с намеченными
координатами, вы можете даже не увидеть островка. Он может
оказаться в нескольких километрах от вас. Кто же виноват: вы,
навигационные приборы? Нет, в данном случае виновата
карта.
Есть у астронавигации и еще один недостаток. Она не
везде одинаково точна. В полярных районах ошибка в
определении местоположения с помощью астронавигационных
приборов возрастает. Если к тому же вспомнить, что вблизи от
полюсов нет ни маяков, ни других ориентиров с точно
известными координатами, а карты этих районов особо неточные,
если вспомнить, что в полярных районах непригоден
магнитный компас, а погода там часто чудит, станет ясно, как трудно
быть штурманом в
Арктике и Антарктике.
Но к тому времени,
когда советские
полярники, а вслед за ними и
другие всерьез занялись
освоением Арктики,
появились навигационные
системы, основанные на
совершенно ином
принципе. Его подарила
навигации радиоэлектроника.
В начале тридцатых годов
нашего столетия начала
развиваться
радионавигация. Она основана на
том, что в свободном
пространстве радиоволны,
подобно свету, распространяются строго по прямым линиям,
а на поверхности Земли — по кратчайшим расстояниям,
дугам, так называемых больших окружностей, на одном конце
которых находится радиопередатчик, а на
других—приемники.
Пожалуй, прежде всех признали радионавигацию
авиаторы. Первые радионавигационные приборы, радиокомпасы,
сильно помогли летчикам особенно в гражданской авиации.
В отличие от магнитных и гирокомпасов, они показывали не
неизмененное направление север — юг, а направление на
радиомаяк, и, что особо важно, это было направление
кратчайшего пути на радиомаяк. Ни компас, ни карта не умеют этого
делать. Если вы соедините на карте прямой линией два
города, эта линия не будет кратчайшим расстоянием между
данными городами. На карте кратчайшее расстояние будет
изображаться кривой линией, форма которой зависит от типа
карты. Подумайте сами, почему так получается, не забывая
при этом, что Земля — шар, а карта, ее изображающая,—
плоскость. Пользуясь только компасом, картой, секстантом и
хронометром, водить корабли и самолеты по кратчайшим
расстояниям практически невозможно. Компасный курс при
движении по линии кратчайшего расстояния должен
непрерывно изменяться очень сложным образом. А радиокомпас
сразу и всегда показывает направление движения по
кратчайшему пути.
И недаром летчики и моряки пользуются теперь
радиокомпасами во всех случаях, когда нужно двигаться именно в то
самое место, где установлен радиомаяк, а на всех больших
аэродромах есть мощные радиомаяки. У каждого маяка свои
позывные, каждый работает на своей волне. Остается лишь
настроить на нужный маяк приемник радиокомпаса и лететь
так, чтобы стрелка на его циферблате не отклонялась ни
влево, ни вправо. С таким провожатым трудно сбиться с дороги.
Жаль только, что магнитные бури, особенно частые в Арктике
и в Антарктике, встают на пути радиоволн, нарушают
радиосвязь. Это существенный недостаток радионавигации. Однако
далеко не единственный.
Лететь и плыть к цели, ориентируясь по призывным
сигналам радиомаяка, всегда удобно и просто. Нельзя ли в таком
случае создать мировую систему навигации, расставив по всей
земле тысячи, а если потребуется, и десятки тысяч
радиомаяков, чтобы каждый порт, аэродром, любой важный пункт на
земле посылали в эфир сигналы о своем местонахождении?
К сожалению, это невозможно. Вы помните об эффекте
«взбесившегося эфира», о том, что эфир перенаселен уже
существующими радиостанциями. Поселить в забитом до отказа эфи-
224
ре множество маяков — столь же бессмысленно, как дать по
судейскому свистку каждому из ста тысяч футбольных
болельщиков, заполнивших трибуны стадиона. Шум и
неразбериха в эфире были бы в этом случае не меньшие, чем на
стадионе. Маяки мешали бы друг другу, а самолетные и судовые
радиокомпасы не могли бы отличать нужные им сигналы от
всех прочих. Вдобавок радиомаяки мешали бы всем другим
радиостанциям. Поэтому пользы от чересчур большого
количества маяков не было бы.
Навигация по радиомаякам по идее ничем не отличается
от навигации по световым маякам и видимым ориентирам.
Она лучше лишь тем, что глаз заменен радиокомпасом,
видящим радиостанции сквозь облака и туман на
расстояниях в сотни и даже тысячи километров. В остальном же
навигации по радиомаякам присущи все те же недостатки. Мы
можем водить самолеты и суда по ориентирам лишь в тех
случаях, когда такие ориентиры имеются. Но их нет ни в океанах,
ни в тайге, ни в пустынях, ни в джунглях. А во время войны
все радиомаяки должны молчать, ведь прилететь к ним могут
не только свои, но и вражеские самолеты.
Радиоэлектроника учла недостатки вождения по
радиомаякам. В сороковые годы она создала новые
радионавигационные системы. В отличие от систем с радиомаяками,
указывающими только направление, новые системы дают
возможность штурману определять свое местоположение по
координатам. Но не географическим, а особым
радиокоординатам. Три радиопередатчика такой системы, находящиеся в
разных пунктах, посылают специальные навигационные
сигналы, сравнивая которые можно определять местоположение.
Эти три радиопередатчика как бы заменяют собой светила, по
которым определяются координаты географические. Однако
и у этих радиокоординатных систем есть немало недостатков.
Их дальность действия не столь уж велика (не более 2000
километров), а навигационная аппаратура таких систем
сложна, громоздка и дорога.
Имеются радионавигационные системы и других типов: ра-
диопеленгационные и радиолокационные. Последние могут
быть сделаны точными, но действуют они на сравнительно
небольших расстояниях.
Однако все радионавигационные системы, как и
астронавигационные, не пригодны для подводных лодок. Разумеется,
на подводных лодках есть и приборы для вождения по
ориентирам, и астронавигационные, и радионавигационные
приборы. Но пользоваться ими удается лишь при всплытии лодки.
Под водой все эти приборы превращаются в бесполезный
балласт: ни свет, ни радиоволны не проникают под воду.
ф Инженер и природа
225
Как же все-таки плавают подводники?
Инженеры решили труднейшую проблему подводной
навигации. Для этого им пришлось изобрести новый принцип
навигации. Он отличается от предыдущих тем, что для
определения местоположения уже не требуется каждый раз
узнавать географические координаты. Новая система
навигации запоминает точные координаты места старта лодки, а
в пути измеряет и учитывает ускорение и скорость движения
лодки, все повороты и непрерывно вычисляет координаты
нового местоположения лодки: при необходимости путь лодки
непрерывно вычерчивается на карте. Подобная система
навигации называется инерциальной. Одним из главных
элементов такой системы являются гироскопы. С их помощью
можно очень точно определять направление движения, ускорения
и скорость в каждый момент времени. Сигналы об ускорении,
направлении движения и скорости непрерывно подаются в
специальную электронную вычислительную машину, которая
и рассчитывает пройденный путь.
Инерциальная система навигации — поистине глобальная
система. Она одинаково пригодна для вождения любых
транспортных средств в любом районе земного шара. Она же
помогает направлять на цели баллистические ракеты, может
использоваться и в космосе. Инерциальная система ни от кого
и ни от чего не зависит. Она, как говорят инженеры,
полностью автономна. Для обеспечения работы инерциальной
системы не нужны ни наземные ориентиры, ни наземные
радиостанции, ни какие-либо другие наземные устройства. Все
необходимое оборудование установлено на борту лодки,
самолета или ракеты. Инерциальная система не боится
непогоды и одинаково хорошо действует днем и ночью. Но
инерциальные системы пока еще очень сложны и дороги.
Теперь, после того как hAb\ познакомились с ролью
навигации в жизни человечества, с ее сегодняшними
возможностями, не трудно понять, насколько важной и неотложной
является задача создания простой, надежной, точной и
недорогой навигационной системы, международной системы, равно
пригодной во всех районах земного шара и для всех видов
транспорта. Решая эту труднейшую задачу, инженеры идут
двумя путями. Первый — совершенствование уже
существующих систем навигации: повышение надежности и точности,
максимальное упрощение и, конечно, снижение веса,
занимаемого объема и потребляемой для работы энергии. Второй
путь значительно более сложный, но сулящий в случае
удачи огромные выгоды, это — изобретение новых принципов
навигации. Однако, как вам теперь известно, новые принципы
рождаются не так уж часто, и надеяться на то, что на этом
226
пути инженерам вскоре встретится новая замечательная
находка, трудно.
До недавнего времени инженеры решали задачу
совершенствования навигационных систем в одиночку, своими
силами. Но теперь поняли, что ответ может подсказать
природа. Как и все люди, они всегда знали, что в природе есть
много великих навигаторов — в первую очередь птицы. Но до
последних лет даже орнитологи склонялись к мысли, что
птицы в полете ориентируются по местным предметам. А если
у кого и возникали сомнения в правильности такого
объяснения, то никто не знал, как, какими методами и способами
можно выведать у птиц навигационные тайны, разгадать то,
что издавна называется шестым чувством.
Сейчас появились первые проблески надежды на успех.
Биологи накопили очень много интереснейших данных о
миграциях животных и уже можно приступать к бионному
изучению навигации у перелетных птиц и других животных,
регулярно совершающих далекие путешествия или миграции.
Но прежде чем перейти к навигации у животных, мне
хочется сказать несколько слов о чудесах. Ведь если
вдуматься, все то, что уже сделали инженеры, чтобы путешествовать
по суше, океанам и воздуху, все это — настоящие чудеса.
Взять хотя бы компас. Вы и сами знаете, какой это
чудесный прибор! Но совсем недавно компас показался мне
чудеснее стократ. Это случилось, когда автоматические
межпланетные станции, обследовавшие Луну, Венеру и Марс,
сообщили на родную планету о том, что только она одна окутана
чудесным одеянием — магнитным полем, защищающим нас
от смертоносных космических лучей, помогающим нам
находить направление и путешествовать с помощью компаса.
Вдумайтесь только: ведь если бы мы были марсианами или вене-
рианцами, мы, может быть, до сих пор не знали бы лика
своей планеты, мы не плавали бы по морям и не летали бы по
воздуху. И все потому, что вокруг нас не было бы
магнитного поля и мы не смогли бы изобрести компас!
А разве астронавигация — меньшее чудо?! Не
поразительно ли, что человек научился использовать далекие-далекие
звезды, чтобы находить дорогу у себя дома, на Земле?!
Но мы так привыкли к этим чудесам, что и не думаем о
них. Разве сочтет кто-нибудь чудом то, что привычно? Нет,
нам подавай нечто небывалое, необычное, что вызывает
великое удивление и великое восхищение своими качествами:
нам подавай такое явление, которое мы не умеем объяснить
по известным нам законам природы. Тогда, пожалуй, мы
признаем это особенное и удивительное чудом. Ну что же.
Можно рассказать и о таком удивительном и необъясненном.
ШЕСТОЕ ЧУВСТВО
Скажу сразу: то, о чем вы узнаете в этой главе,
обязательно будет объяснено: наука сейчас тем именно и занимается,
что хочет разгадать, как удается животным совершать
далекие путешествия. Но пока еще эта вековая загадка остается
нераскрытой. В последние годы ее решают не
биологи-одиночки, как прежде, а целые коллективы инженеров,
физиологов, физиков, вооруженные самой совершенной научной
аппаратурой. Словом, за дело взялись бионики. Проблемы
навигации настолько неотложны, что пренебрегать
удивительными фактами из жизни животных больше нельзя. А они
поистине чудесны, эти факты. Вы согласитесь со мной, когда
узнаете их.
Обычно, говоря о миграциях животных, »лы всегда
вспоминаем перелетных птиц, улетающих от нас осенью и
возвращающихся с весенним теплом. Однако мигрируют не только
птицы, но и рыбы, морские и сухопутные млекопитающие и
, даже насекомые.
Как ни странно, но в средние века европейцы не знали о
далеких перелетах птиц и даже не могли объяснить, куда
деваются они к зиме, откуда появляются весной. Так, например,
существовало поверье, что ласточки к зиме закапываются в
прудовой ил и спят там, а кукушка на зиму превращается в
ястреба; некоторые считали, что ласточки осенью улетают на
Луну. Постепенно, по мере того как люди стали
путешествовать, они сумели многое узнать о птичьих перелетах, и уже
не одну сотню лет воспринимают перелеты как нечто
совершенно естественное, само собой разумеющееся; хотя на
самом деле перелеты уже многие годы вызывают удивление
ученых, но до сих пор они не смогли найти ему достоверного
объяснения.
Всем неспециалистам перелеты птиц, переселения
животных настолько привычны, что кажутся абсолютно понятными —
птицы улетают в теплые края потому, что им становится
холодно и голодно; стада диких северных оленей откочевывают в
другие места, когда на старых не остается корма, и так далее.
И уже совсем не требующими объяснения представляются
ежедневные странствия животных в поисках пищи и
возвращения домой — в нору, в гнездо, в берлогу. Это кажется не
менее естественным, чем то, что цивилизованный человек —
царь природы — наверняка заблудится в глухом лесу, в
пустыне, в степи, в открытом море, если у него не будет карты
и компаса.
Но почему? Почему человек, обладающий разумом, не
может сделать того же, что и кошка, собака, лошадь, птица?
228
Разве не удивительно это, разве не стоит над этим
задуматься?
Сейчас благодаря кольцеванию птиц, мечению рыб и
животных накоплен огромный материал о миграциях. И то, что
раньше чисто умозрительно объяснялось совсем просто,
перед лицом накопленных данных оказалось куда более
сложным.
Да, действительно есть птицы, перелет которых зависит
от погоды. Например, вальдшнеп. Сроки его возвращения на
родину всецело определяются погодой. Венгерские
исследователи смогли столь точно определить погодные данные во
время прилета вальдшнепов, что им удалось предсказывать
день появления этих птиц по сводкам погоды.
Однако далеко не у всех птиц перелеты так тесно связаны
с погодой. Есть птицы совсем иного рода. Их отлет и
возвращение на родину происходят всегда в одно и то же время.
Отклонения в сроках очень невелики и не зависят от погоды.
На первый взгляд это кажется неправдоподобным, и уж во
всяком случае в этом трудно усмотреть великую
целесообразность природы. Тем не менее это истина. Она так же хорошо
проверена, как и другая — многие цветы раскрывают и
сворачивают свои лепестки в определенное время. Когда впервые
слышишь об этом, верится с трудом: трудно понять, как
могут растения точно узнавать время суток.
Но достоверность и личные впечатления очень часто
противоречат друг другу. И сроки перелетов птиц и
распускания цветов, и множество других явлений живой природы
определяются так называемыми биологическими ритмами или
биологическими часами, которые идут столь точно и столь
мало подвержены внешним влияниям, что ученые сейчас
усиленно пытаются разгадать
механизм, устройство
этих удивительных часов.
К птицам, перелет
которых мало зависит от
внешних условий и
определяется в основном
внутренними стимулами
(тоже не понятыми и не
объясненными пока
наукой), относятся хорошо
известные нам соловей,
черный стриж, иволга.
Эти птицы могут
довольно спокойно
переносить жизнь в клетке,
но лишь до тех пор, пока не подходит пора перелета.
Когда же наступает срок, стремление их к перелету
подавляет все другие инстинкты, даже самосохранения. Как ни
пытаются обмануть птиц: кормят самой лучшей пищей,
содержат при постоянной температуре, в условиях освещения,
соответствующих летним,— это не помогает. Перепутать
листки в птичьем календаре не удается. Птицы становятся
неузнаваемыми. Они могут сутками махать крыльями, биться и даже
разбиваться о стенки клетки.
В этом, вероятно, и кроется объяснение, почему соловья
почти никогда не удается содержать в клетке длительное
время.
Или, к примеру, полярные крачки. Можно ли погодными
условиями объяснять их перелеты? Северная граница
гнездовий крачек пролегает всего лишь в семи градусах от
полюса. К наступлению зимы они улетают... в Антарктику! Без
малого двадцать тысяч
километров приходится
пролететь v\tA во время
путешествия, пересечь
огромные водные
пространства и все лишь для
того, чтобы из Северного
полярного круга попасть
в Южный.
Перелеты совершают
не только птицы. Ученым
известно о перелетах
летучих мышей. Иногда
летучие мыши собираются
вместе с птицами и летят
в общей стае. Так,
северный кожанок летит на
зимовку в Северную или
Среднюю Германию вместе с ласточками. Часто мыши
совершают перелеты самостоятельно, и даже моря не являются
преградой для этих почти слепых животных.
Как находят дорогу птицы?
Знают ли они, представляют ли себе цель своего далекого
путешествия?
Если бы птицы находили дорогу только во время осенних
и весенних перелетов, это можно было бы объяснить некоей
«традицией», какими-то приобретенными путем обучения у
старших навыками. Но ^ль\ знаем об удивительном свойстве
почтовых голубей выбирать путь над незнакомой местностью,
отстоящей иногда на сотни километров от дома. Мы знаем,
230
что голуби обучаются
этому самостоятельно, без
помощи своих товарищей.
Чтобы приучить голубя
находить дорогу к дому,
его надо отнести на
некоторое расстояние и
выпустить. После того как он
возвратится, повторить то
же самое, увеличив
расстояние. Требуется
несколько таких уроков,
причем расстояние
каждый раз должно быть
больше предыдущего.
Быть может, во время
таких уроков голубь просто-напросто запоминает дорогу?
Нет, это не так. Голубь учится навигации. Потому что,
завершив свое штурманское образование, он может возвращаться
со значительно больших, чем во время обучения, расстояний,
из совершенно незнакомых ранее мест.
Но только ли голуби могут возвращаться к родному дому
издалека? Нет, этой способностью обладают и другие
птицы. Многие перелетные птицы не менее и даже более
успешно находят дорогу к своему гнезду. Так, завершивших
перелет птиц, когда они уже выводили птенцов, насильно
увозили на далекие расстояния. Например, американских
крачек сняли с гнезд, расположенных в районе Мексиканского
залива, и выпустили на волю на расстоянии более тысячи
километров. Через несколько дней птиц обнаружили у гнезд.
Возвращались к своим гнездам горихвостки, ласточки,
скворцы. Однажды буревестника увезли из юго-западной Англии в
Венецию. Он вернулся домой через две недели. Его путь
домой точно не известен, но если он летел вдоль побережья
Средиземного моря и Атлантического побережья Европы,
ему пришлось покрыть расстояние в шесть тысяч километров!
Выпускали птиц, увезя их на несколько сот километров в
открытое море. И они возвращались. В тридцатые годы на
самолете увозили аистов из Львова. Птиц выпускали в Палестине,
куда они вскоре должны были прилететь по доброй воле. Не
и они меньше чем за две недели вернулись домой.
Рассказ о рекордных птичьих перелетах можно было бы
продолжить. Но, вероятно, вам уже ясно, что эти данные о
навигации у птиц так разительны, что бионике есть над чем
поработать.
Правда, не все птицы столь хорошо навигируют после
231
окончания перелета. Вот,
например,
мухоловки-пеструшки. Они неплохие
навигаторы. Но только во время
перелета. А в период
гнездования способность к
навигации у них ослабевает.
Когда их отвозили от гнезд
на расстояние от одного до
десяти километров, многие
птицы не возвращались к
гнездам. С расстояния в
километр возвращались почти
все, и очень быстро — в течение часа. Но уже с расстояний
в два-три километра до половины всех птиц не возвращалось,
а те, кто все-таки прилетал обратно, тратили на это до двух
суток. Есть и много других примеров, говорящих о том, что
птицы из отряда воробьиных не обладают особо
выдающимися навигационными способностями. Но окончательные
выводы делать еще рано, надо накопить больше данных.
Как же все-таки находят дорогу птицы?
Предполагалось, например, что во время перелетов
старые птицы — вожаки — показывают дорогу молодым и знание
пути передается таким образом в птичьей стае из поколения
в поколение. И возможно, у некоторых птиц происходит
передача опыта. Сейчас считается, что в гусиной стае дело,
вероятно, обстоит именно так.
Но уже у аистов — иначе. Молодые аисты могут
самостоятельно совершать перелеты.
Или кукушка. Ее-то уж никто не обучает. Она —
подкидыш и воспитывается птицами совсем другого вида. И все-
таки, летя в одиночку (даже не в стае!), она находит свой
путь в теплые края.
Теорий или, вернее, гипотез о навигации у птиц
существует столько, сколько известно принципов морской и
авиационной навигации, и даже больше. Конечно, еще никто не
предположил, что у птиц может существовать
радионавигация, но другие почти столь же невероятные предположения
делались. Я не буду говорить о них и перечислю только
наиболее правдоподобные.
Многие ученые предполагали, что птицы, подобно стрелке
компаса, воспринимают магнитное поле. От этой гипотезы,
однако, пришлось отказаться. Опыты с почтовыми голубями,
которым прикрепляли постоянные магнитики, показали, что
эти магниты вовсе не нарушают способностей птиц к
навигации. Предполагали также, что, по крайней мере, некоторые
птицы при навигации полагаются на сильно развитый
вестибулярный аппарат, который может чувствовать не только
силу тяготения, но и ничтожно малую силу, возникшую за счет
вращения Земли. Однако и такое предположение тоже,
видимо, не оправдается, потому что и в этом случае птица
должна чувствовать не только эти ничтожно малые силы (что
само по себе сомнительно), но и магнитное поле Земли.
Высказывается также предположение, что птицы могут находить
дорогу при помощи инерциальной навигации. Многим это
кажется совершенно фантастическим, ведь птица при такой
навигации должна учитывать и запоминать скорость и
каждое изменение скорости и направления. Более того, она
должна знать собственную истинную скорость относительно
земной поверхности или, что почти одно и то же, уметь
определять скорость и направление ветра относительно земной
поверхности. Трудно согласиться с такой гипотезой. Но что
делать, если и все другие объяснения не многим лучше?
Пожалуй, более всего похожа на истину гипотеза об
астронавигации птиц. Но и эта гипотеза, прежде чем ее
признают верной, должна объяснить очень важные моменты.
Прежде всего надо ответить на вопрос, как птицы без всяких
приборов, пользуясь лишь собственными глазами, могут точно
определять широту и местное время. Надо ответить и на
другой важный вопрос: что играет роль хронометра,
показывающего время в некоей неизменной точке? Могут ли
биологические часы птицы (одни или несколько, мы пока этого не
знаем) идти и по местному времени и по времени некоей
неизменной точки? И могут ли вообще идти биологические
часы с необходимой точностью?
233
Известный зам уже Гриффин утверждает, что глаз
некоторых птиц имеет особое устройство, которое, по его мнению,
играет роль секстанта. Особенно хорошо это устройство
развито у дневных птиц. Что же касается биологических часов, то
имеющиеся уже факты показывают, что способность
некоторых птиц к точному измерению времени поразительна. Даже
у воробьиных она значительно превышает способности
человека: по времени суток они могут ориентироваться с
точностью 10—15 минут, а в течение года с точностью до 2—4 дней.
Такие биологические часы позволяют ориентироваться по
направлению с погрешностью не более пяти градусов. Если
предположить, что в полете птицы исправляют, уточняют
направление по ориентирам, то этого уже достаточно, чтобы
довольно точно добраться до цели. Но мы знаем, что многие
птицы могут находить дорогу и над совершенно незнакомой
местностью, то есть без ориентиров.
Таким образом, даже наиболее правдоподобная гипотеза
астроориентации нуждается еще в очень серьезной проверке
и уточнении. Но для этого имеющихся фактов мало. Теперь
мы знаем о перелетах только благодаря кольцеванию птиц.
Этого недостаточно. Надо иметь возможность прослеживать
полет данной птичьей стаи от самого начала и до конца ее
пути. Для этой цели пробовали применять радиолокаторы,
сопровождали птичьи стаи на самолетах. Но опыты такого
рода не дали нужных результатов. В последние годы стало
возможным создать сверхминиатюрный и долговечный
передатчик, легко носимый даже не очень крупной птицей.
Нагрузив птиц такой радионошей, можно будет следить за ними по
радио. Инженеры предложили для этого искусственные
спутники Земли. Они будут
принимать сигналы
радиопередатчиков и
засекать положение
птичьей стаи, а потом
сообщать ее координаты
на Землю.
Примерно таким же
способом проведут
наблюдения за
плаванием зеленых, или
суповых, черепах.
Некоторые из них
удивительно умелые навигаторы.
Эти черепахи большую
часть времени
проводят у берегов Брази-
1) ШГ ^l.L
Ьветв
i^zn"ii
\1ч
► ли П
дМ
УМ ц
€ш
лии. Раз в два или три года они отправляются на остров
Вознесения, лежащий примерно на полпути между Южной
Америкой и Африкой. Это крохотный островок, его поперечник
всего лишь восемь километров, а плыть до него от берегов
Бразилии надо 1400 морских миль, или почти 2600
километров. Чтобы точно приплыть к острову, надо выдерживать
направление с точностью 5,5 угловой минуты. А ошибка по
положению, когда черепаха подплывает к острову, не должна
превышать плюс или минус пять километров. Иначе черепаха
не заметит остров. В отличие от птиц, летящих высоко и
видящих на десятки километров, черепаха находится в воде и
может высунуть голову всего лишь на несколько сантиметров.
И, значит, увидеть остров издалека ей не удастся. Чтобы вы
еще глубже прониклись почтением к навигаторскому
искусству суповой черепахи, добавлю, что между Бразилией и
островом Вознесения нет ни клочка суши, нет ни одного
ориентира. За миграциями зеленых черепах тоже вскоре начнут
следить по радио.
К сожалению, следить по радио за угрями невозможно.
А было бы очень интересно проследить пути этих
удивительных рыб. Вы, наверное, знаете, что угри живут во множестве
рек Европы и Америки, но,- когда приходит время
размножения, из всех рек и водоемов, иногда переползая, точно змеи,
по суше, они выбираются в моря, а потом, проплыв тысячи
миль, достигают Саргассова моря. В пути они ничего не едят,
и в это время почему-то очень сильно увеличиваются их
глаза — они занимают почти всю голову. Приплыв к месту, угри
нерестятся и погибают. Через некоторое время из икринок
вылупляются личинки угрей. Они похожи на плоские стручки,
и их долгое время принимали за рыб особого вида. Личинки
европейских и американских угрей течением сносит к
берегам Европы, но здесь пути их разделяются: личинки
американских угрей плывут к Америке, а европейских — к Европе:
в Балтийское и Средиземное моря, а оттуда в устья
многочисленных рек. И вот что удивительно: хотя американские и
европейские угри размножаются в одной и той же части
Саргассова моря и тысячи миль плывут вместе, никто и никогда не
видал в Европе американские разновидности угрей, а в
Америке не встречал в реках угрей европейских!
Итак, пока ясно одно — многие животные обладают
способностью к очень точной навигации. А как осуществляется
такая навигация, пока неизвестно. Во многих странах начались
широкие исследования навигационных способностей
животных. И, видимо, не в очень далеком будущем мь\ разгадаем
еще одну тайну природы.
Но при одном условии. В последние десятилетия стаи пе-
235
релетных птиц редеют, а зеленым, или суповым, черепахам
грозит почти полное истребление. Если люди будут настолько
неразумны, что уничтожат птиц и других животных, мы не
только не узнаем великих тайн природы, не только обворуем
самих себя, но можем вызвать в природе такие изменения,
опаснейшие последствия которых сейчас невозможно
предвидеть.
ШЕСТИНОГИЙ БАЛЕТ
Итак, вы прочитали сейчас о еще не объясненных, очень
сложных и интересных фактах навигации животных. Вы теперь
знаете, что этим сейчас серьезно интересуются ученые во
многих странах, и рано или поздно им удастся понять, как на-
вигируют птицы, морские черепахи, дельфины и киты и
многие другие животные. И вы поняли, как нелегко, какими
сложными путями приходится проводить исследование навигации
у животных.
И все-таки ученые уже добились первых успехов.
Примером могут служить результаты многолетних исследований
пчел, проведенных Карлом Фришем.
Каждого, кто наблюдал за пчелами, неизменно поражала
сложность и целесообразность их коллективных действий.
Много пришлась потрудиться людям, чтобы узнать, как живет
пчелиный рой, как распределяются обязанности между
отдельными его членами, какие процессы определяют
слаженную работу этих полезных насекомых, которых в рое
насчитывается до 50 тысяч.
Долгое время никому не удавалось объяснить очень
простой опыт, доступный любому пчеловоду. Наполнив
небольшое блюдечко сахарным сиропом, его ставят неподалеку от
улья. Нередко сироп остается нетронутым по нескольку дней.
Но стоит у блюдечка появиться хотя бы одной пчеле, как
вскоре возле него собирается множество пчел.
Как объяснить этот опыт? Не указывает ли он на то, что
первая пчела, разведавшая добычу, привела за собой
«сотрудниц» из родного улья? А может быть, просто-напросто
рассказала им о дороге к блюдечку?
Наблюдателям пчелиной жизни издавна было известно
необычное поведение пчел, вернувшихся в улей с взятком.
Возвратившись, пчела начинает совершать сложные
эволюции. Она либо ползает на полочке перед летком, либо, что
бывает гораздо чаще, внутри улья, на вертикальной
поверхности сотов. Кто-то прозвал эти эволюции пчелиными
танцами. И это название закрепилось, потому что движения пчел
236
и вправду чем-то напоминают хороводы. Но понять смысл и
назначение танцев долгое время не удавалось.
У пчел нет балерин-солисток, каждая пчела, вернувшись
в улей с добычей, исполняет танец. Иногда это бывает
круговой танец: пчела ползет по окружности в направлении против
часовой стрелки; завершив круг, она делает узкую петлю и
снова начинает двигаться по кругу, но в противоположном
направлении. Эти па шестиногая балерина повторяет
многократно. Временами пчела-фуражир бывает очень
возбуждена, и тогда она быстро и продолжительное время танцует; а
временами пчела танцует вяло, без «вдохновения» и вскоре
останавливается.
В других случаях фигура танца оказывается совсем иной —
возвратившаяся со взятком пчела исполняет так называемый
виляющий танец. Начинается он с движения по прямой, в это
время пчела-фуражир покачивает брюшком из стороны в
сторону, а затем поворачивает и начинает двигаться по дуге
окружности к исходной точке. Отсюда она снова начинает
ползти по той же самой прямой и снова начинает покачивать
брюшком. А дойдя до конца прямой (длина ее остается
неизменной), пчела сворачивает на противоположную дугу
окружности, по которой и возвращается опять к исходной точке.
Эта фигура, напоминающая восьмерку, повторяется
многократно, причем ритм танца, как и в круговых фигурах, бывает
различным.
Прилетевшая пчела-разведчица начинает танец в одиночку.
Но вскоре к ней присоединяются другие пчелы, и танец
становится коллективным. Чем темпераментнее танцует
разведчица, чем дольше, тем большее число пчел успевает
присоединиться к ней.
Вот как танцуют пчелы.
Но что же это за танцы? Быть может, они—некий ритуал,
своеобразный танец урожая, который на радостях
отплясывают трудолюбивые насекомые?
Ученые, разумеется, понимали, что танцы ничего общего
с ритуалом не имеют. Более того, они были убеждены, что
танцы играют очень важную роль в жизни роя. Но понять ее,
разгадать смысл и назначение танцев не могли. Понадобилось
много лет, чтобы найти правильное объяснение этого
удивительного пчелиного балета.
Более двадцати лет посвятил изучению пчелиных танцев
Фриш, работы которого в этой области заслужили мировое
признание; Фриш был избран членом Английского
королевского общества, Шведской академии наук, Национальной
академии наук США, а в 1959 году ему была присуждена премия
имени Калинги за лучшую научно-популярную книгу. И эти
237.
почести Еполне заслуженны, ибо
знаменитый ученый внес очень
важный вклад в разгадку тайны
пчелиных танцев.
Оказалось, что своеобразные
пчелиные хороводы — вовсе не
танцы. Скорее, их можно
уподобить служебной пантомиме и
даже некоему пчелиному языку,
при помощи которого пчелы
сообщают друг другу
информацию о направлении полета к
месту сбора и виде медоноса, с
которого был собран взяток.
Фриш не только доказал это,
но и расшифровал язык пчел.
Круговой танец вернувшаяся
в улей пчела исполняет, когда
медонос близко и другие пчелы
могут отыскать его просто по
запаху. Во время кругового танца
V >45v^!^«s^ X пчела не сообщает о
направлении к месту сбора. Она только
говорит своим товаркам, что
медонос близко. И чем богаче и
обильнее медонос, тем
продолжительнее и зажигательнее танец,
тем большее число пчел
успевает присоединиться к нему и, в
конечном итоге, вылететь к
месту сбора. Следуя в танце за
разведчицей, другие пчелы узнают не только, что медонос
близко, но по запаху, исходящему от пчелы, определяют,
каков этот медонос. Получив необходимые сведения, они тоже
вылетают за добычей и, вернувшись, сами начинают
танцевать, привлекая все новых и новых пчел.
Однако место сбора часто оказывается довольно
удаленным от улья, и пчелам приходится отправляться в далекие
экспедиции. Радиус действия сборщиц может достигать
нескольких километров. Отыскать медонос на таком
расстоянии только по запаху затруднительно или невозможно даже
пчелам с их великолепным обонянием. Быть может, первая
пчела-разведчица и отыскивает медонос только по запаху,
но на это ей приходится затрачивать столько энергии и
времени, сколько непозволительно затрачивать всем остальным
пчелам роя. Ведь большая затрата времени резко снижает
Сверху — фигура нругового
танца, внизу — виляющего
танца.
228
производительность пчел-сборщиц, а большая затрата
энергии приводит к перерасходу роем пищи.
Прилетев со взятком издалека (более чем 100—200
метров), разведчица исполняет уже не круговой танец, а
виляющий. Запах, исходящий от нее, и в этом случае указывает вид
растений, с которых пчела собирала взяток, а энергичность
танца — обилие добычи.
Но, в отличие от кругового, виляющий танец позволяет
сообщать и другие важные для успешных поисков данные:
направление и расстояние до места сбора. А это, по существуг
чисто навигационные сведения. Вот как данные о расстоянии
передаются пчелой, уже побывавшей на месте сбора, другим
пчелам: когда розетка с сахарным сиропом находилась в
300 метрах от улья, пчела исполняла пятнадцать полных фигур
за 30 секунд; когда расстояние увеличивали вдвое, фигуры
исполнялись уже медленнее—за 30 секунд всего одиннадцать
фигур. О направлении пчелы узнают по прямолинейному
участку танца. Оказывается, он всегда точно направлен на
место сбора! Это ясно видно в теплую сухую безветренную
погоду, когда пчелы танцуют не в улье, а на горизонтальной
полочке перед летком. Опыты убедительно показали, что
направление определяется пчелами относительно Солнца. Во
время полета пчела запоминает положение Солнца на
небосводе. Это помогает ей не сбиться с дороги на обратном
пути и, кроме того, правильно ориентировать прямолинейный
участок виляющего танца. Перемещаясь по прямой, она
движется относительно Солнца в том же направлении, что и во
время полета к месту сбора. Точно определять направление
на Солнце помогают пчеле ее глаза, так называемые сложные
или фасеточные глаза.
Но обычно пчелы танцуют не на горизонтальной полочке,
где можно видеть Солнце, а внутри улья, впотьмах, на
вертикальной поверхности сотов. Тем не менее и в этом случае
танец выполняет свое назначение. Пчелы, принявшие участие
в нем, вылетают точно в направлении места сбора. Как же в
этом случае передается информация о курсе?
Оказывается, в темном улье танцующая пчела
ориентируется относительно направления силы тяготения, которая
заменяет ей солнечные лучи. Так, например, если пчела
движется по прямолинейному участку сверху вниз, это означает,
что лететь надо точно в направлении, противоположном
солнечным лучам.
Но ведь Солнце не остается на месте и за время, пока
пчела возвращается с дальнего места сбора, успеет
переместиться. За час, как /лы уже знаем, оно передвигается по
небосводу на 15°. При расстоянии до места сбора в 2 километра
239
/?VWH СОЛНЦА
Ногда пчела танцует на полочне перед летном, она ориентирует фигуру танца
по Солнцу; если те она танцует в улье^.в темноте, направление на Солнце
заменяется направлением силы тяготения.
отклонение от курса даже на 3° приведет к тому, что пчела
пролетит на 100 метров левее или правее цели. Но пчелы
не ошибаются. Исполняя виляющий танец, пчела сдвигает
направление прямолинейного участка ровно на столько, на
сколько переместилось во время полета Солнце. Учитывают
изменение положения Солнца пчелы и во время самих
полетов. Делают они это автоматически. А помогают им в этом
очень точные хронометры — биологические часы.
Биологические часы пчел дают им, помимо всего прочего, возможность
составлять график распускания цветов различных видов. Это
тоже помогает экономить время и энергию: пчелы посещают
те или иные цветы не когда попало, а только в те часы,
когда цветы данного вида выделяют наибольшее количество
нектара.
Говоря о биологических часах пчел, стоит упомянуть об
одном опыте, который прямо показывает, что они
ориентируются по Солнцу и учитывают изменения его положения с
помощью биологических часов.
Однажды северных пчел перевезли в Южное полушарие,
где, как известно, Солнце
по небосводу движется в
направлении против
часовой стрелки. И
северянки не смогли
правильно выбирать направление.
Биологические часы
подсказывали им, что
Солнце переместилось на
столько-то градусов в
том направлении, в
каком это бывает в
Северном полушарии, а на
самом деле Солнце
перемещалось на те же
самые градусы, но в
направлении
противоположном. Иначе говоря,
поправка, которую
давали биологические часы, не уменьшала ошибку до нуля, а,
наоборот, удваивала ее. Даже потомки пчелиной
матки-северянки, родившиеся за экватором, продолжали делать все ту
же ошибку.
Вот, вкратце, что узнал Фриш со своими сотрудниками о
пчелиных танцах, о пчелиной навигации. И многим казалось,
что выяснил он почти все и остается лишь уточнить детали.
Но на деле получилось гораздо сложнее. И теперь, хотя
241
большинство основных выводов, сделанных Фришем,
остаются непоколебленными, продолжатели его работ совсем
недавно открыли новые интереснейшие факты.
В удивительном искусстве французского мима Марселя
Марсо нас, пожалуй, более всего поражает то, что его
движения, его мимика подчас бывают яснее всяких слов. Но
потому и поражают, что Марсо — лишь гениальное исключение
из правила. tAb\ знаем: точнее и полнее всего любая
информация передается словами и числами. Ученые, изучавшие
пчелиные танцы после открытий Фриша, понимали, что точно
передать сведения о направлении к месту сбора возможно и
пантомимой — прямолинейным участком виляющего танца.
Но сообщить только движениями точные данные о
расстоянии значительно труднее, ведь это должны уметь делать все
пчелы-сборщицы без исключения, явно не обладающие ни
талантами Марсо, ни свободным временем для балетных
репетиций.
И тогда было решено записать на магнитофоне звуки,
издаваемые танцующей пчелой. Эта идея, кажущаяся
необыкновенно простой, после того как до нее кто-то сумел
додуматься, сразу позволила выяснить очень интересный новый факт:
во время движения по прямолинейному участку виляющего
танца пчела издает особые звуки, частота колебаний которых
составляет 250 в одну секунду. Анализ этих звуков с помощью
специальных приборов показал, что они имеют весьма
сложную структуру и представляют собой последовательность
кратковременных импульсных звуковых сигналов.
Длительность этих групп импульсов, а также число импульсов в
каждой группе прямо пропорциональны расстоянию до места
сбора.
Требовалось, однако, доказать, что это не случайное
совпадение, а закономерное явление, действительно связанное с
сигнализацией о расстоянии до места сбора.
Была проведена новая серия опытов. Ученые старались
узнать, влияет ли ветер на сообщения о расстоянии. Как и в
первом опыте, звуки, издаваемые пчелой-сборщицей,
записывали на магнитной ленте и анализировали с помощью
специальных анализаторов звука. Когда были обработаны
результаты достаточно большого числа наблюдений, стало ясно, что
ветер оказывает влияние. Так, при полете к месту сбора
против ветра пчела указывала расстояние, больше
фактического; при попутном ветре — меньшее.
Но кажущиеся изменения расстояния были не столь
велики, как можно было бы ожидать. И, чтобы объяснить, почему
так получается, пришлось поставить опыты по измерению
скорости полета пчел. Эти опыты позволили выяснить еще
242
один удивительный факт: пчела в полете стремится
сохранять неизменной скорость полета относительно Земли, то
есть сохранять неизменной путевую, а не воздушную
скорость. Так, при встречном ветре 5 метров в секунду скорость
пчелы уменьшается всего лишь на 1 метр в секунду. Ученым
уже известно, что сложные глаза некоторых насекомых не
только позволяют им видеть окружающее, но и выполняют
роль измерителей скорости. Видимо, глаз пчелы тоже
способен на это. Чтобы уменьшить влияние ветра, пчела стремится
летать как можно ближе к земле. Если же скорость ветра
слишком велика, пчелы вовсе не покидают улья.
Почему же пчелы навигируют так, чтобы поддерживать
неизменной путевую скорость?
В этом тоже можно видеть великую изобретательность
природы. Люди измеряют расстояние в единицах длины:
микронах, метрах, километрах, милях и многих других единицах.
Все подобные единицы базируются на одном — в качестве
основы для измерений выбирается некий эталонный отрезок.
Но есть и другая мера длины: световой год. В данном случае
расстояние выражается через время и означает расстояние,
которое пройдет луч света за один год. Такую единицу
оказалось возможным применять, потому что скорость света в
пустоте строго постоянна. Наши предки, еще не имея мер
длины, чаще всего выражали расстояние тоже через время,
да и мы все еще частенько говорим: «До школы десять минут
ходьбы», «До парка двадцать минут езды троллейбусом».
У пчел нет эталонов длины. Но так как скорость пчелы в
полете остается более или менее постоянной, то мерой расстояния
вполне может служить не само расстояние, а время полета
до цели. Так не сообщает ли пчела в своих сигналах о
времени, не пользуется ли она своими биологическими часами и для
измерения расстояний?
Пока еще нельзя с полной определенностью ответить на
этот вопрос, хотя и очень соблазнительно сказать: да,
пользуется; да, измеряет. Чтобы окончательно выяснить это,
потребуется еще провести немало опытов и более глубоко
изучить звуковые сигналы пчел. Так, последние опыты дают
основание предполагать, что эти сигналы содержат сведения
не только о расстоянии. Исследователи, хотя и с большой
осторожностью, сообщают, что характер звуков, издаваемых
пчелой во время танца, меняется и в зависимости от
концентрации сахарного сиропа, который пчелы брали из кормушек.
Вопрос о звуковом общении пчел вообще очень сложен.
Здесь еще многое неясно. Пока даже не установлены ни
наличие органов слуха у пчел, ни способы, с помощью которых
они издают сигнальные звуки. В настоящее время предпола-
243
гают, что пчела не слышит звуков, распространяющихся по
воздуху, а лишь воспринимает вибрации лапками и усиками-
антеннами.
И тем не менее ученые с большой уверенностью говорят
о том, что пчелы общаются с помощью звуков не только во
время танцев. Уже сейчас известны несколько различных
специфических звуков, издаваемых пчелами: во время
роения, в случае повреждения улья или нападения;
специфические звуки издают рабочие пчелы и пчелиная матка. Но они
пока не расшифрованы, и об их роли еще предстоит узнать.
Прежде чем закончить рассказ о навигации пчел, хочется
сделать еще одно небольшое добавление.
Однажды в один из теплых дней раннего лета, гуляя по
лесу, я засмотрелся на шмелей. Сперва казалось, что на
глаза мне каждый раз попадается новый шмель. Но вскоре я
пригляделся внимательнее и понял, что возле меня летает
не так уж много этих ближайших родственников пчел. Тогда
я решил проследить за одним из них. Я выбрал крупного
медлительного шмеля, похожего на боярина в бобровом
воротнике, и стал неотступно следовать за ним, стараясь не
спугнуть его. Иногда он почти совсем скрывался за кустами, и
тогда я шел за ним, вслушиваясь в басовитое жужжание,
похожее на гул далекого бомбардировщика. А когда шмель
выводил меня на полянку, я видел, как он вьется, петляя над
травой: то зависает почти неподвижно, то резко бросается
вбок. Было так интересно следить за ним, что я не замечая,
как идет время. Наконец шмель опустился на землю,
забрался под бурый прошлогодний листок, и мне стал виден только
конец его опушенного белыми волосками брюшка. Шмель
повозился, повозился и затих. И в тот же миг превратился в
засохшую ольховую сережку. Я даже засомневался — шмель
ли лежит под листком или сережка? Что он делал под
листком, не знаю. Прятался ли от будущего дождя, хотя солнце
лишь изредка закрывали пухлые летние облака, или под
листком было его гнездо, или он просто спал? Но я все еще
сомневался, не обманул ли меня шмель, не ольховая ли
сережка лежит под листком. Я сорвал былинку и легонько
дотронулся ею до белого пушистого комочка. И в тот же миг
шмель молниеносно взвился в воздух и пулей пролетел мимо
меня.
Зачем я рассказал о шмеле?
Сейчас отвечу. Шмели находят дорогу не хуже пчел, и,
скорее всего, навигация шмелей и навигация пчел мало чем
отличаются друг от друга. Читая об опытах Фриша, мы легко
могли представить себе, как навигируют пчелы, полагая, что
от улья до места сбора и обратно пчелы летят строго по пря-
244
мой. Но всегда ли это так? Понаблюдайте сами за пчелами,
посмотрите, как перелетают они с цветка на цветок. В это
время они вовсе не движутся по прямой. Что же касается шмеля,
то, следя за ним минут двадцать, я прошел по лесу довольно
большое расстояние и ни разу не видел, чтобы он пролетел
по прямой хотя бы метров десять. Как же в таком случае он
не забывает направления к своему гнезду? Как он вообще
может в этом случае отыскать дорогу домой! Этого еще никто
не объяснил.
Вот почему я и рассказал о шмеле. Этот пример
показывает, сколь много еще предстоит выяснить даже в такой,
казалось бы, простой и довольно хорошо изученной области, как
навигация пчел и шмелей.
Воспользовались ли инженеры чем-нибудь из того, что
стало известно в последние годы о навигации животных?
О навигации птиц и других позвоночных животных сейчас
известно слишком мало, и уж совсем не известны какие-либо
органы навигации этих животных. Поэтому инженерам
попросту нечем воспользоваться, нечего позаимствовать у природы
при разработках новых навигационных систем.
Несколько более ясны некоторые стороны навигации
насекомых. Мы вскользь упоминали о сложных, или
фасеточных, глазах насекомых, о том, что у некоторых насекомых
они являются своеобразными измерителями путевой
скорости. Тут уже кое-что известно и можно кое-что
позаимствовать. Сейчас инженеры работают над созданием измерителя
скорости движения, воспроизводящего работу двух фасеток
(только двух из сотен!) глаза жучка хлорофануса.
АДРЕС НА КОНВЕРТЕ
Об удивительных свойствах зрения было уже немало
сказано на страницах этой книги. Но рассказ об одном из самых
замечательных свойств я намеренно приберег к концу, потому
что им мы обязаны не столько глазу, сколько самому мозгу.
Это способность распознавать форму. Физиологи называют
ее форменным зрением, а инженеры и бионики —
распознаванием образов.
Людям, не склонным задумываться над сутью вещей и
явлений, умение распознавать форму не кажется ни
замечательным, ни удивительным. Но лишь потому, что удивление у таких
людей могут вызывать только события необыденные и, в
особенности, сверхъестественные: какие-нибудь летающие
тарелки, спиритизм, телепатия, астрология. Для тех же, кто стре-
245
длится к истине, даже самое привычное, самое обыкновенное
может стать источником замечательных идей и открытий.
Способность узнавать знакомое лицо среди тысяч других,
способность найти в лице старика черты друга юности, с
которым расстался десятки лет назад, умение отличить круг от
эллипса, умение распознавать формы неисчислимого
количества разнообразных предметов всегда глубоко интересовали
ученых. Еще в эпоху возрождения знаменитый архитектор
Леон Баттиста Альберти (1404—1472) спрашивал себя: как
человек определяет сходство и различие лиц и предметов,
сходство и различие человеческих голосов. Ведь лица людей,
особенно людей одной и той же национальности, даже лица
длужчин и женщин, в сущности, имеют ничтожные различия.
И только нашему глазу и мозгу не трудно улавливать их. Ни
одна современная кибернетическая,машина, как бы ни была
она сложна и совершенна, не умеет различать не только лица,
но и гораздо более простые формы.
И недаром через пять с половиной веков после Альберти
те же самые вопросы задавал себе и Норберт Винер. И
хотя основатель кибернетики знал о зрении и о мозге
неизмеримо больше Альберти, ответить на них не мог и он. Правда,
Винер сделал кое-какие важные предположения о работе
мозга, отчасти помогающие ученым вести исследования. Но
и сегодня вопросы, мучившие Альберти и многих других,
остаются без ответа. Нам и сегодня неизвестно, как мозг
определяет сходство, как он вообще распознает форму.
И мы здесь не будем строить более или менее
убедительные гипотезы, искать правдоподобные объяснения.
Мы сделаем другое. Попытаемся представить, что
означает это умение в современной технике.
Начнем с короткой экскурсии на... почтамт. Да, на
Московский почтамт, куда стекаются конверты, собранные из
множества почтовых ящиков, и откуда они отправляются во
все концы страны, чтобы попасть в шестьдесят тысяч
почтовых отделений и оттуда — в руки адресатов.
Московский почтамт — одно из крупнейших почтовых
предприятий мира. Через него ежесуточно проходит
огромное количество почтовых отправлений: писем, открыток,
газет и журналов, бандеролей и посылок общим весом около
500 тонн. Чтобы справиться с таким огромным потоком
почтовых отправлений многие процессы обработки почты
механизированы. На почтамте имеются специальные машины и
механизмы; почта переносится транспортерами и подъемниками,
она обрабатывается с помощью специальных штемпельных,
маркировочных, пачковязальных и сортировочных машин.
Но одну из важнейших почтовых операций — сортировку
246
почты по адресам — передать машинам не удается. Как и в
самые первые дни существования почтамта, это делается
людьми.
Представьте себе путь письма, отправленного вами своему
далекому другу. Вы вложили его в конверт, надписали
адрес, наклеили красивую марку и опустили в почтовый ящик
где-то рядом с домом. И вы не беспокоитесь, что письмо
пропадет, что его зашлют совсем в другое место. Вы знаете, что
вскоре приятель получит письмо. И совсем не задумываетесь
о том, сколько глаз прочитает адрес на конверте, сколько
рук будет перекладывать конверт из пачки в пачку, прежде
чем его прочитает ваш друг.
А теперь представьте себе, какое множество таких
конвертов ежесуточно проходит через почтамт, какое
множество их проходит перед глазами почтовых работников и
какими внимательными должны быть их глаза, чтобы не
ошибиться, чтобы изо дня в день на бесчисленных конвертах
правильно прочитывать адреса. И не забудьте, что каждый
адрес написан своим почерком: редко — каллиграфически
четким, чаще — небрежным, а то и вовсе неразборчивым. Но
все-таки почти каждое письмо находит своего адресата. За
это мы должны быть благодарны сотням и тысячам почтовых
работников, их внимательным глазам и быстрым, ловким
рукам.
Казалось бы, работа их не требует ни особых знаний, ни
высокой квалификации. Возможно, и так. Но она требует
навыка, большой ответственности и, что особенно важно,
непрерывного напряженного внимания. В этом трудность
работы сортировщиков почты. Но она трудна еще и потому, что
редко кто из нас помнит об этих людях, редко кто, уважая
их труд, старается написать адрес разборчиво.
Казалось бы, в век автоматики, атомной энергии и ракет
не так уж трудно создать машину, способную выучить
тридцать две буквы русского алфавита, десять цифр и несколько
знаков пунктуации. И действительно, уже и сегодня есть
машины, которые могут распознавать буквы и цифры, знаки
препинания, знаки математических действий. Но при одном
условии: буквы и знаки всегда должны иметь совершенно
неизменную форму, постоянные размеры и наклон, они должны
быть обязательно напечатаны и не иметь типографских
изъянов. Только при соблюдении всех этих требований машина
сможет безошибочно распознавать их.
А машин, умеющих прочитать адрес, написанный
дрожащей рукой полуграмотной старухи или неуверенной рукой
первоклассника, способных разобрать торопливую скоропись
раздраженного человека, — таких машин нет, и неизвестно,
247
когда они появятся. Создать такие машины — задача
необыкновенно сложная.
Ведь почерков существует ровно столько, сколько живет
в нашей стране грамотных людей. А их у нас примерно
двести миллионов, потому что неграмотны у нас только малыши.
Но среди людей, которые пишут на одном и том же языке,
учились по одним и тем же прописям и выводят буквы одного
и того же алфавита, найти в сотнях тысяч, в миллионах
адресов буквы, точь-в-точь похожие друг на друга, невозможно.
Человека такое разнообразие почти не затрудняет. Более
того, при необходимости он может прочитать текст,
повернутый боком или «вверх ногами». Машине же все это не под
силу; именно разнообразие почерков, даже разнообразие
наклонов является сейчас для нее главным препятствием к
овладению грамотой.
Вот почему сортировку почты еще не скоро передадут
автоматам.
Да и не только сортировку почты. Читающие машины
нужны сегодня в самых разных областях человеческой
деятельности. Однако нынче их удается применять только там,
где от них требуется лишь чтение текстов, напечатанных
неизменным, всегда одинаковым шрифтом.
Поэтому-то успехи в создании читающих машин пока
еще более чем скромны. Особенно если сравнивать уже
достигнутое и осуществленное с тем, что еще требуется в
технике.
Читающие машины очень нужны в конторском деле хотя
бы для того, чтобы проводить первичную обработку и
сортировку входящих и исходящих, деловых и не очень деловых
писем, отчетов, финансовых документов и прочих
неисчислимых бумаг, наводняющих нынче конторы, оффисы,
управления, министерства всех государств мира. Неоценимую помощь
такие машины оказали бы и ученым, облегчив сортировку и
обработку научной информации: отчетов о
научно-исследовательских работах, статей, книг, результатов наблюдений
и экспериментов; как вы помните, объем научных знаний в
последние десятилетия возрастает с такой быстротой, что ни
один человек уже не в состоянии уследить за всей
литературой даже в какой-то одной узкой области науки.
Читающие машины значительно упростят работу на
электронных вычислительных машинах. Сейчас, чтобы объяснить
вычислительной машине условия задачи и правила ее решения,
их приходится переводить с человеческого на особый
машинный язык. Задание и инструкция, переведенные на такой
язык, записываются на бумажной ленте, или на магнитной
ленте, или на киноленте. Ролик ленты вставляют в особое
248
устройство, умеющее
читать «буквы» такого
машинного языка и
преобразующее их в сигналы,
которые и вводят в
электронную вычислительную
машину.
Однако такой метод
общения с машиной
дорог, долог и сложен.
Лучше, если бы машина
умела прочитать задачу,
записанную обычными
словами. Первые
электронные вычислительные
машины, умеющие читать
напечатанный
неизменным шрифтом текст, уже есть. Но, как ни гордятся инженеры
достигнутым успехом, они отлично понимают, что автомат,
умеющий читать «по-печатному», не идет ни в какое
сравнение даже с начинающим первоклассником. Автомат надо
обучить чтению любого текста, в том числе и рукописного.
Но как ни сложна задача автоматического распознавания
рукописных букв, она, пожалуй, одна из самых простых среди
тех, которые сегодня и составляют необыкновенно важную,
нужную и невероятно сложную проблему распознавания
образов. Жизнь все настойчивее требует от инженеров
создания таких автоматов, которые умели бы распознавать не
только простейшие зрительные образы типа геометрических
фигур и букв, но и самые сложные: человеческие лица,
фотографии треков элементарных частиц в камере Вильсона,
расшифровывать осциллограммы электрических потенциалов
мозга, кардиограммы, аэрофотоснимки, распознавать среди
тысяч здоровых кровяных телец одно больное и так далее.
Но пока все это — лишь благие пожелания; пока машина еще
не в состоянии отличить мужское лицо от женского.
А жизнь уже сейчас требует от инженеров создания
автоматов, распознающих не только зрительные образы, но и
слуховые; новые технические задачи, уже сегодня стоящие
перед техникой, требуют создания таких автоматов, которые
могли бы ощущать и распознавать образы, недоступные
человеческим органам чувств, не имеющие названия в
человеческом языке, настолько они незнакомы, непривычны,
непонятны сознанию человека.
Вот что такое проблема распознавания образов. Вот
почему она невероятно сложна, и на ее решение может потребо-
249
ваться много лет. Быть может, десятилетия, а быть может,
века.
Однако работать надо сегодня: уже в наши дни обойтись
без таких машин становится все труднее.
Но вернемся к простейшему распознающему автомату, к
читающему автомату. От него требуется лишь одно:
преобразовывать буквы алфавита, цифры, знаки пунктуации и
знаки математических действий в электрические сигналы. От
самого читающего автомата не требуется, чтобы он понимал
прочитанное. Он должен выполнять лишь роль глаза,
датчика, воспринимающего изображения и сообщающего об этих
изображениях мозгу — электронной вычислительной машине.
Понимать текст должна именно она. Значит, читающий
автомат, как бы ни был он сложен сам по себе, всего лишь
часть более общего автомата — электронной вычислительной
машины, он всего лишь ее глаз.
Электронные вычислительные машины, снабженные
таким глазом, облегчили бы труд человека, освободили бы его
от однообразной и неинтересной работы, во много раз
ускорили бы ее выполнение. И не только на почтамте или в
конторе. Они освободили бы ученых и инженеров от утомительной
и неинтересной работы, связанной с вводом задач и
инструкций в электронную вычислительную машину. Вот если бы
машина умела читать рукописный текст! Но насколько было бы
лучше, если бы машина умела понимать человеческую речь
и отвечать на нее не только электрическими импульсами и
колонками цифр, а словами, беседовать с учеными!
Польза от такой машины безмерна. И не только потому,
что управлять такой
машиной проще и она
значительно облегчила бы
труд человека. Машина,
умеющая распознавать
различные образы (в том
числе зрительные и
слуховые), умеющая
понимать человеческую речь
и говорить, и есть та
мыслящая машина, дискуссия
о которой не затихает и
по сей день. Ведь спор о
том, может ли мыслить
машина, может ли она
быть умнее человека,
имеет смысл только
тогда, когда мь\ подразуме-
ваем именно такую машину. Спорить же о машинах
сегодняшнего и завтрашнего дня бессмысленно. Они, конечно,
не думают! Разница между ними и истинно мыслящими
машинами не меньше, чем разница между мозгом насекомого
и человека. Только когда машина научится распознавать
образы, научится речи или, иными словами, когда машина
станет обладательницей второй сигнальной системы, мы будем
вправе говорить о ее разуме. Только при условии, что
инженерам удастся построить такую машину, спор приобретет
смысл и сможет быть решен на практике.
Скоро ли создадут такую машину?
На заре кибернетики многим казалось, что ждать этого
дня не слишком долго. Тогда считалось, что кибернетика
может все. В это верили даже сами кибернетики. И, как однажды
сказал академик А. И. Берг, «наобещали гораздо больше
того, что смогли сделать». И вот, по мере того как
накапливался опыт разработки кибернетических автоматов, как практика
выясняла и уточняла их возможности, преимущества и
недостатки, а физиология накапливала новые данные о работе
органов чувств и мозга, даже самые ярые оптимисты начали
понимать, что мыслящие машины поязятся очень не скоро,
что, прежде чем создавать подобные машины, нужно многое
узнать о нас, о наших органах чувств и мозге.
Вот почему одной из важнейших задач бионики наряду с
изучением органов чувств является изучение центральной
нервной системы. Только изучив мозг и открыв законы его
организации, можно будет пытаться создать некий автомат,
работающий по тем же принципам, что и мозг. Вот почему
задача создания мыслящих машин и даже несколько более
простых машин, распознающих образы, невообразимо
сложна, и на ее решение потребуется много лет.
Но, может быть, вовсе не нужно дожидаться, пока
физиологи и бионики раскроют все главные гайны мозга?
Может быть, математики, логики и инженеры сами придумают
принципы организации мыслящей машины? Может быть,
машина, построенная на принципах, совершенно отличных от
принципов работы мозга, тоже будет мыслить?
Сегодня вряд ли кто решится ответить на этот вопрос
определенно. Пока же известна лишь одна мыслящая
машина — мозг человека. Но наука только приступает к ее
изучению. И ей еще не известны законы и принципы, которым
подчиняется мозг. И поэтому она не может сказать, каковы эти
законы: годятся ли они лишь для живых существ,
развившихся на нашей планете, или столь же неумолимы и
универсальны, как законы физические, самодержавно управляющие
Вселенной. Определенно можно сказать лишь одно: те, кто се-
251
годня изучают методы переработки информации в органах
чувств, в нервной системе живых существ, уже знают, что
принципы переработки едины для всех живых существ.
Такое единство явно не случайно, особенно если учесть,
что все методы переработки информации, придуманные
инженерами, зиждятся на тех же самых принципах. Не
означает ли это, что столь поразительное сходство принципов
объясняется тем, что они продиктованы еще не открытыми, еще
не известными нам законами природы, столь же
универсальными, как законы всемирного тяготения и сохранения
энергии? Трудно отказаться от этой мысли, не верить в ее
правильность, особенно когда вспоминаешь, насколько сходно
организованы сетчатки разнообразных животных, зрение
которых развивалось в самых различных условиях.
Но законы эти еще не открыты. Не доказано даже, что
они действительно существуют. Поэтому можно высказывать
и другое предположение: всемирных законов переработки
информации не существует, а принципы организации
мыслящей машины и мозга могут быть разными. Лично мне
нравится больше первое предположение, но решающих доводов
в его пользу у меня нет, как нет веских доказательств и у
сторонников противной точки зрения.
Со временем мь\ узнаем, какое из предположений
справедливо. Мы гораздо глубже изучим мозг, у нас появится
опыт создания все более «соображающих» автоматов, и —
кто знает? — быть может, встретимся где-нибудь в космосе
с другими разумными существами, мышление которых
основано на совсем иных законах.
Но сумеем ли мы тогда понять их? Окажутся ли они в
состоянии понять нас? И сможем ли мь\ создать и использовать
думающую машину, если ее мышление будет основано на
других законах? Вот в чем вопрос.
Но и на него сегодня нет ответа. Можно сказать лишь
одно: любая электронная машина, любой думающий автомат,
который когда-либо будет создан людьми, будут неизменно
действовать по тем же законам, которые управляют и
мышлением их творцов. Ведь, создавая любую машину, человек
вкладывает в ее конструкцию свои идеи, свои человеческие
мысли.
Это, однако, не означает, что создатель такого автомата
может или должен заранее продумать и рассчитать каждое
возможное действие своего детища, что он может
предсказать все, даже самые незначительные детали поведения
автомата во всех возможных условиях. Как ни странно на первый
взгляд данное утверждение, оно полностью соответствует
истине. Ведь и природа, естественный отбор, вызывая к жиз-
252
ни новые и новые виды, все более приспособленные к
непрерывно меняющимся условиям жизни, не предусматривают в
деталях все возможные случаи и ситуации, в которых
животное должно действовать во имя продолжения рода. Так и
инженеры: создавая автомат, они прежде всего заботятся о
том, чтобы автомат наилучшим образом выполнял требуемую
работу и ни при каких обстоятельствах не делал того, что
может привести к опасным или вредным последствиям.
Вы можете возразить, что, не зная наперед поведения
автомата во всех мыслимых ситуациях, нельзя быть
уверенным в его безошибочной работе. Это возражение
неоспоримо. И мы знаем, что полностью исключить ошибки
невозможно; ошибаются не только автоматы, но и люди. Поэтому
инженеры всегда учитывают возможность ошибки: в любой
машине обязательно имеются устройства-предохранители.
Если ошибка человека, управляющего машиной, или автомата
грозит неприятностями, предохранители либо вовсе
выключают автомат или машину, либо запрещают совершать опасное
ошибочное действие. Ну, и конечно, инженеры всегда
стремятся сделать машину как можно более надежной, свести
число ошибочных действий к минимуму.
И все-таки это не значит, что они в состоянии продумать
и рассчитать заранее каждое действие автомата. Даже когда
им очень необходимо сделать это, желание чаще всего
оказывается невыполнимым, оказывается не под силу ни
воображению человека, ни современной математике, вооруженной
мощными электронными вычислительными машинами. К
счастью, тщательный анализ основных, принципиальных деталей
работы автоматов возможен, и он всегда проводится
инженерами.
Чтобы пояснить свои слова, коротко расскажу об одном
новом автомате, работу которого предвидеть в мельчайших
деталях невозможно. Я имею в виду автомат, получивший
название «перцептрон».
Перцептрон предназначен для распознавания образов:
зрительных, слуховых и так называемых произвольных,
которые для человека вовсе не являются образами; к их числу
относятся сложные ситуации: например, военные, научные,
экономические. В настоящее время наиболее изучены пер-
цептроны для распознавания зрительных образов, хотя и они
пока используются главным образом в исследовательских
целях: для изучения и разработки принципов действия новых
автоматов и даже для моделирования процессов
переработки информации в центральной нервной системе.
Зрительный перцептрон более всего напоминает сетчатку
глаза. В перцептроне имеется несколько слоев «клеток», пе-
253
400 ФОТОЭЛЕМЕНТОВ
512 ЭЛЕКТРОННЫХ НЕЙРОНОВ
Зрительный перцептрон.
рерабатывающих сигналы; как и в сетчатке, эти слои
соединены между собой сложными множественными связями;
первичные сигналы перерабатываются таким образом, что на
выходе перцептрона требуется гораздо меньше элементов,
чем на его входе \ Конечно, надо помнить, что действия
клеток живой сетчатки и их взаимные соединения гораздо
сложнее и совсем иные, чем действия и соединения перцептрон-
ных «клеток». Но все же есть и общее. И эта общность для
биоников сегодня гораздо важнее, чем различия.
Первый слой в зрительном перцептроне, как и в сетчатке,
представляет собой мозаику из светочувствительных
«клеток»— фотоэлементов. Их может быть сколько угодно. Но
для проведения исследований был создан сравнительно
простой перцептрон, в квадратной мозаике которого 400
фотоэлементов— двадцать рядов по двадцать фотоэлементов в
каждом. Во втором слое этого перцептрона имеется 512
одинаковых электронных нейронов, действующих по принципу
«все или ничего». Как мы помним, это означает следующее:
если сигнал на входе нейрона меньше некоторой величины,
ниже порога, нейрон не проводит импульса; когда же сигнал
хотя бы на самую малость превысит порог, нейрон передаст
импульс дальше, в третий слой.
В третьем слое всего пять электронных нейронов. Они-то
и сигнализируют о том, что видит перцептрон. Эти пять
нейронов могут проводить импульсы на выход либо все
одновременно, либо каждый в отдельности, либо во всех других
возможных сочетаниях. Срабатывание каждого из них зависит
1 На входе сетчатки глаза человека имеется 137 миллионов
светочувствительных клеток, а на выходе — всего лишь миллион нервных клеток.
254
от первичных
сигналов, поступающих от
нейронов второго
слоя, а срабатывание
каждого нейрона
второго слоя зависит от
+— сигналов, поступающих
с фотоэлементов.
Возможных сочетаний
срабатываний
нейронов третьего слоя
имеется всего 32.
А это значит, что наш
перцептрон может
выдавать 32 различных
сигнала и,
следовательно, сигнализировать о 32 возможных изменениях образа
на его входе.
Выходы 512 нейронов второго слоя соединяются
проводами с фотоэлементами. Но соединения эти очень необычны.
Как бы вопреки всякой логике, они намеренно делаются
вразброс, совершенно произвольно. Но потом уже эти
соединения остаются неизменными. Выходы электронных нейронов
второго слоя соединяются со входами нейронов третьего
слоя. Здесь соединения сделаны по правилам: к каждому
нейрону третьего слоя подходит 512 проводов — по одному
проводу от каждого нейрона второго слоя.
Зная устройство перцептрона, спросим себя: может ли
инженер, создавший этот странный и необычный автомат, в
котором «клетки» первого и второго слоев имеют
совершенно произвольные соединения,— может ли инженер заранее
знать, как и в каких случаях будут работать те или иные
клетки? Конечно, нет! Но это ему и не требуется. Он добивается
совсем другого. Он хочет научить перцептрон началам
грамоты, чтобы перцептрон умел распознавать 32 буквы
алфавита. Инженеру нужно, чтобы каждой из букв соответствовал
свой сигнал, свой шифр на выходе перцептрона. Такой именно
сигнал, который был бы удобен для передачи в электронную
вычислительную машину. В качестве такого сигнала удобнее
всего выбрать составной — сочетание сигналов от пяти
нейронов последнего слоя. Тогда, например, букве А будет
соответствовать такое сочетание: первый нейрон третьего слоя
сработал, все остальные не сработали; при показе буквы Б
должен сработать только второй нейрон, а при показе
последней буквы алфавита должны одновременно сработать все
пять нейронов третьего слоя.
■
щ
щ
ы
■»
Ж
т
т
Р
■*
Щ
*
ш
0
#
1£Ш
т
о
Ф
щ
щ
а
■Щ
feyy.il
255
Что же, можно отправлять перцептрон в школу, можно
дарить ему букварь?
Нет, еще рано. Этот перцептрон ничему не научится. Ведь
любое обучение требует наличия памяти. А у нашего перцеп-
трона ее пока нет. Инженер должен одарить свое детище и
этой замечательной способностью. На пути от нейронов
второго слоя к нейронам третьего слоя придется установить
специальные регуляторы величины сигнала, поступающего от
каждого нейрона второго слоя к каждому нейрону третьего
слоя,— всего 2560 регуляторов. Любой из них можно
настраивать вручную; меняя настройку, регулируют величину
сигналов, поскольку положение ручек регуляторов после настройки
остается неизменным, каждый такой регулятор как бы
представляет собой еще и запоминающую ячейку. Поворачивая
ручки регуляторов, можно вводить в память перцептрона все
необходимые изменения.
Вот теперь перцептрон полностью подготовлен к
обучению. Оно проводится просто: на мозаику из фотоэлементов
проектируют поочередно изображение каждой из букв
алфавита и при каждом показе в определенном порядке и по
определенным правилам поворачивают ручки регуляторов.
Увидев букву впервые, перцептрон не сможет распознать ее.
Этот «новорожденный» еще ничего не знает, его жизненный
опыт равен нулю, а создатель перцептрона — инженер — не
вложил в структуру своего детища ничего, что позволяло бы
этому автомату действовать по заранее заданному плану,
инстинктивно. И, конечно, увидев впервые букву А, перцептрон
не даст на выходе нужного сигнала; в третьем слое
сработают совсем не те нейроны. Этого и следовало ожидать.
Но, продолжая показывать перцептрону букву А, инженер
начнет поворачивать ручки регуляторов, добиваясь, чтобы в
третьем слое выключились все нейроны, за исключением
первого. Тем же способом инженер будет обучать
перцептрон и остальным буквам. Показав все, инженер снова
вернется к букве А, и урок начнется снова. После первого урока
перцептрон будет делать очень много ошибок, вернее
сказать, он почти не будет работать правильно: в лучшем случае,
он верно угадает, именно угадает, одну-две буквы. Поэтому
на втором уроке инженеру придется снова поворачивать
ручки регулятора. Так будет продолжаться из урока в урок. Но
после каждого урока перцептрон будет становиться все
грамотнее, все реже он будет допускать ошибки. И наконец
после пятнадцати—двадцати уроков научится совершенно
безошибочно распознавать все буквы алфавита. Вот какой он
способный ученик!
Но все же ему далеко даже до самого неразвитого пер-
256
воклассника. Первоклассника не затрудняют ни изменения в
размерах букв, ни изменения наклона и начертания букв.
Перцептрон же мог научиться распознавать буквы только при
условии, что размеры их и форма неизменны, и изображения
букв всегда проектируются на один и тот же участок мозаики
фотоэлементов. Правда, если число элементов мозаики
значительно увеличить, то положение изображений букв на
мозаике можно допускать любое, и перцептрон все равно
сможет безошибочно распознавать их. Но обучится он этому за
гораздо большее число уроков, причем возрастет и
продолжительность каждого урока.
Сейчас проводятся исследования еще более совершенных
и сложных перцептронов. У них уже не три слоя, а больше:
есть четырехслойные и пятислойные перцептроны. И вот что
выясняется. В процессе обучения перцептроны приобретают
свойства, во многом очень сходные со свойствами
зрительного аппарата кошки. И можно предполагать, что сходство это
возникает потому, что структура, принципы организации
перцептронов имеют что-то общее со структурой и принципами
организации зрительного аппарата кошки. Конечно, до
человеческого зрительного аппарата этим перцептронам еще
очень далеко, но все же хочется надеяться, что перцептрон,
это бионное изобретение, сделанное за несколько лет до
того, как появилось слово «бионика», указывает инженерам
правильный путь, ведущий в нужном направлении.
Обучение перцептрона можно поручать не только
человеку, но и электронной вычислительной машине. Правда, и в
этом случае человек будет диктовать методы обучения,
потому что программу для электронной вычислительной
машины составит он. Но, получив такую программу, машина станет
обучать перцептрон сама. Для этого нужно, чтобы машина
могла показывать в определенном порядке буквы и
поворачивать ручки регулятора перцептрона. Сделать это просто:
на ролике кинопленки можно сфотографировать
изображения всех букв, а для перемотки кинопленки и поворотов
ручек регуляторов перцептрона применять маленькие
электромоторчики. Машина будет посылать в эти электромоторчики
свои электрические команды, и в нужные моменты будут
поворачиваться ручки регуляторов или перематываться пленка.
Как видите, описать перцептрон было не очень сложно. Но
сколько миллионов лет утекло, пока появился человек;
сколько поколений людей сменилось на земле, пока родился Галь-
вани; сколько нужно было потратить сил, сколько сделать
открытий, чтобы в конце концов изобрести электромотор,
сделать его крохотным, величиной с наперсток, изобрести
фотопленку, электронную вычислительную машину и все
удивительные детали и узлы, из которых она сделана!
ВСЕЛЕННАЯ ВНУТРИ НДС
Каждого, кто хоть отдаленно знаком с астрономией, не
могут не волновать величие Вселенной, ее бесконечность,
мощь протекающих в ней процессов, новые удивительные
астрономические открытия и увлекательные загадки. А иной
раз необъятность Вселенной в пространстве и во времени
подавляет, и кажется, что разгадать ее тайны, постигнуть ее
законы не под силу человеческому разуму.
И разве не поразительно, что ничтожная, неизмеримо
малая частичка Вселенной — человек — дерзает изучать ее! Ведь
человек в сравнении даже со столь рядовой звездой, как
Солнце, так же мал, как атом водорода в сравнении с
человеком.
В среднем жизнь человеческая длится два, два с
половиной миллиарда секунд. Возраст же звезд — десяток
миллиардов лет, и еще многие миллиарды лет пройдут, прежде
чем они угаснут. Год в жизни Вселенной значит гораздо
меньше, чем секунда, чем время одного удара сердца в жизни
человека.
Как-то раз мне довелось беседовать с одним известным
астрономом. Разговор шел о только что открытых
мощнейших космических источниках излучения, получивших название
квазаров, и о новых, казавшихся фантастическими, гипотезах
о природе квазаров. В этом разговоре я и вспомнил о
«мыслящем атоме» космоса, о непостижимости Вселенной.
А астроном засмеялся в ответ и сказал, что этой «песчинке»
258
уже удалось выведать у небес много тайн и что с каждым
годом мы будем все подробнее и глубже постигать Вселенную.
И добавил, что никогда прежде астрономия не развивалась
так быстро, как за последние два десятка лет, и никогда ее
успехи не были столь велики, как теперь. Словом, моего
собеседника не пугала необъятность космоса; он уверенно
смотрел в будущее своей науки и не сомневался в способности
человеческого разума познать космос. И я, конечно,
согласился с ним. Я и сам всегда верил в это. Сомнение же мое
было минутным да и возникло лишь потому, что я особенно
остро почувствовал подавляющую огромность Вселенной.
И когда я сказал об этом, мой собеседник ответил, что и сам
он испытал нечто подобное, задумавшись однажды над
невероятной сложностью живого, которая во много-много раз
превосходит сложность того, с чем приходится сталкиваться
астрономам. «Уж если биологи отваживаются изучать живое,
то астрономам и подавно не следует бояться неба»,—
сказал он.
И это не только его мнение. Так думают и другие
астрономы. Вот, например, слова известного астронома Шепли:
«В одном отношении животные и растения даже имеют
преимущества перед звездами: молекулы и молекулярные
соединения живых организмов по сложности далеко
превосходят атомные соединения неживой природы. Установлено,
что химические соединения, имеющиеся в атмосфере Солнца,
гораздо проще органических соединений тела гусеницы. Вот
почему нам легче познать звезды, чем насекомых. Давление,
плотность и температуры звезд определяются главным
образом законами тяготения, излучения и газовыми законами.
Организмы же представляют собой сложные смеси из веществ
в газообразном, жидком и твердом состояниях, и
безнадежно пытаться описать их математическими и
физико-химическими формулами. Задача астрофизика кажется простой по
сравнению с теми требованиями, которые предъявляются
биохимику».
Не менее трудны и бионные исследования живых
организмов. Ведь любой организм состоит из миллиардов и
миллиардов клеток, существующих не каждая сама по себе, а
образующих необыкновенно сложно организованную
конструкцию, в которой все взаимосвязано и все части, все элементы
зависят друг от друга и влияют друг на друга.
Теперь, когда вы познакомились с органами чувств
человека и животных и представляете себе, как используют
инженеры уже добытые знания при решении технических задач,
когда вы представляете себе, как много еще предстоит
исследовать и изучить, чтобы наши знания об органах чувств, об
259
их конструкции стали исчерпывающими, пора поговорить и о
мозге — этой вселенной внутри нас.
Многое ли удалось узнать о конструкции мозга?
И много, и ничтожно мало... Бее зависит от того, с чем
сравнивать. Если нынешние знания сопоставлять с теми,
которыми располагали физиологи каких-нибудь двадцать лет
назад,— очень много. Если же сопоставить всю сумму уже
добытых знаний с тем, что еще предстоит исследовать и
изучить,— ничтожно мало.
То, что до самого недавнего времени совершалось в науке
о мозге, можно назвать периодом первоначального
накопления фактов. Сейчас этот период заканчивается; уже
достаточно полно известна морфология мозга, собрано много важных
данных об его электрической активности, накоплен огромный
опыт хирургических вмешательств в мозг. И вот теперь наука
о мозге вышла на новые рубежи, и перед ней открылась цепь
величайших проблем, решать которые придется не одному
поколению.
Трудно бегло рассказать о том, что уже известно. К
счастью, здесь можно обойтись и без такого рассказа.
Достаточно лишь упомянуть некоторые факты, имеющие прямое
отношение к бионике.
Для бионики чрезвычайно важно, что теперь уже известны
и усиленно изучаются основные кирпичики, из которых
складываются, сплетаются нервные структуры, нервные сети
живых организмов. Вы уже знаете о них, это — нейроны. Именно
они, изменения их состояний, порождают электрические
потенциалы мозга, или, как их называют,
электроэнцефалографические потенциалы. Электроника помогла физиологам
регистрировать эти потенциалы с помощью очень
чувствительных усилителей и осциллографов. Первые записи кривых
изменения электроэнцефалографических потенциалов были
сделаны в самом конце двадцатых годов нашего столетия, и
постепенно, шаг за шагом, физиологи учились
расшифровывать и истолковывать эти странные замысловатые кривые.
Сейчас по энцефалограммам можно точно диагностировать
эпилепсию и некоторые другие мозговые заболевания;
узнавать, когда человек над чем-нибудь крепко задумывается (но
не сами мысли!), когда спящий видит сны (но не сами сны!),
определять, как воздействуют на мозг некоторые лекарства
и раздражители.
Однако обычные электроэнцефалограммы не дают
ученым возможности разобраться в тончайших процессах,
протекающих в коре головного мозга. И дело не только в
сложности самих процессов, но и в методе получения
энцефалограмм. Электроды, с помощью которых потенциалы
260
отводятся к электроэнцефалографу, укрепляются на внешней
поверхности кожного покрова черепа, а их размеры очень
велики в сравнении с нейроном. Поэтому на обычных
энцефалограммах удается зарегистрировать лишь некие
равнодействующие сложнейших процессов, протекающих
одновременно в огромном числе нейронов.
Но уже разработаны и применяются более совершенные
методы электроэнцефалографии, и с каждым годом ученые
все больше узнают о деятельности мозга из
электроэнцефалограмм.
Вы, вероятно, помните об «эффекте взбесившегося
эфира» и помните, что инженеры упорно ищут новые методы
обуздания эфира, устранения взаимных помех, создаваемых
множеством одновременно работающих радиопередатчиков.
Так вот, в случае, когда ^лъ\ хотим снять энцефалограмму,
каждый нейрон, находящийся в области электродов, можно
уподобить некоей радиостанции, излучающей собственные
электрические сигналы. Исследователя же интересуют не все
сигналы, ему далеко не безразлично, какие именно сигналы
регистрировать. Он хочет получать такие
электроэнцефалограммы, на которых были бы записаны только электрические
потенциалы именно тех нейронов, которые принимают
непосредственное участие в изучаемом процессе.
Электрические сигналы от всех посторонних нейронов, не участвующих
непосредственно в исследуемом процессе, окажутся
вредными. Полезные сигналы будут искажаться, подобно тому как
искажаются полезные радиосигналы сигналами мешающих
радиостанций. Инженеры подсказали ученым три очень
интересных метода устранения помех от посторонних нейронов.
Первый метод основан на применении электронной
вычислительной машины. Теперь во многих исследованиях, прежде
чем производить запись сигналов на энцефалографе, их взо-
дят в электронную вычислительную машину. Машина
воспринимает сигналы, обрабатывает нужным образом и выделяет
из смеси множества сигналов только полезные. Это делается
сравнительно просто благодаря тому, что можно заставить
изучаемый участок мозга посылать одни и те же сигналы
много раз подряд [.
Если на некоторый орган чувств (например, на ухо)
воздействовать регулярно через равные промежутки времени
строго неизменным раздражителем, то связанные с этим органом
чувств участки мозга будут отвечать на эти раздражения все-
1 Такой метод неприемлем в радиосвязи и радиовещании. Вести
радиопередачу так, чтобы каждый сигнал повторялся множество раз,
неудобно, а часто и вовсе невозможно.
261
гда одинаково. Тогда, выбрав подходящий раздражитель,
можно добиться, чтобы в интересующей нас группе нейронов
реакции были строго одинаковы, зо всех же соседних группах
нейронов они не будут повторяться. Просуммировав с
помощью электронной вычислительной машины электрические
потенциалы, отведенные от изучаемого участка мозга, и
усреднив сумму, мы получим электроэнцефалограмму, на
которой станут четко видны интересующие нас сигналы. В этом
легко убедиться, посмотрев з конце книги такие усредненные
электроэнцефалограммы. Левый верхний снимок показывает
электроэнцефалограмму неповторенного процесса; правый
верхний снимок сделан с энцефалограммы дважды
повторенного процесса. Как видите, они совсем разные, и определить
по ним, где и каковы полезные сигналы, невозможно: все
замаскировано процессами в соседних нейронах. Если же
провести усреднение по 32 одинаковым опытам (левый
средний снимок), то станет легко различим импульс,
направленный вниз. Этот импульс и есть интересующий нас сигнал.
Небольшие отклонения от прямой линии, правее сигнала,
представляют собой усредненные остатки вредных сигналов. Чем
больше повторений ^лы сделаем, тем меньше будут заметны
остатки вредных сигналов. И это тоже хорошо видно на
электроэнцефалограммах, последняя из которых представляет
собой результат 512 повторений и усреднений процесса.
Второй метод позволяет непосредственно изучать
электрическую активность небольшой группы нейронов. )Л*л
пользовались исследователи при изучении бинаурального слуха
кошки, о чем вы прочитали в главе «Снова звуколокация?».
В интересующий участок мозга вводят электрод из тончайшей
изолированной проволочки. Вещество мозга мягкое, и этот
тончайший электрод свободно проходит сквозь него. Самый
кончик электрода не имеет изоляции. Он-то и воспринимает
электрические потенциалы от ближайших к нему нейронов.
Место, куда требуется подвести кончики электрода, заранее
определяется по картам мозга. А затем с помощью
специального приспособления кончик электрода с очень высокой
точностью подводится к желаемой точке мозга.
Третий, так называемый микроэлектродный метод начали
применять только в самом конце сороковых годов. Хотя этот
метод совсем не сложный, осуществить его оказалось не так-
то просто. Кончик электрода нужно было сделать столь
крохотным, столь тонким, чтобы его можно было ввести в тело
клетки и при этом не разрушить ее. Такой электрод и получил
название микроэлектрода. Он представляет собой
стеклянную трубочку, заполненную электропроводным солевым
раствором. Вся трудность в изготовлении этой трубочки. Ведь
262
внешний диаметр ее конца, вводимого в клетку, должен быть
в сотни раз меньше микроскопически малой клетки. Кончик
микроэлектрода не просто разглядеть даже в лучшие
оптические микроскопы.
Благодаря микроэлектродам удалось более точно
исследовать электрическую активность участков нейронных сетей
и отдельные нейроны. Знание свойств нейронов позволило
ученым и инженерам создать множество типов моделей
нейрона: математических (то есть выразить основные
характеристики нейронов формулами), механических, химических и,
разумеется, электронных.
Модели нейронов, особенно электронные, интересны уже
сами по себе. Но еще больший интерес представляют модели
нервных сетей, собранные из множества отдельных моделей
нейронов. Исследования подобных сетей дали очень ценные
и часто совершенно неожиданные результаты. Неожиданные
потому, что если бы подобные исследования проводились
чисто теоретически, без помощи экспериментов, те же самые
результаты удалось бы получить, затратив значительно
больше времени и сил. Это как раз тот случай, о котором мы с
вами уже говорили,— когда система настолько сложна и
состоит из столь большого количества частей, что предсказать,
как она будет работать, невозможно.
Сочетая электронные нейроны с фотоэлементами или
микрофонами, с датчиками температуры или давления, либо с
какими-то другими датчиками, инженеры уже добились
первых успехов в создании довольно сложных автоматов,
воспроизводящих с большей или меньшей долей сходства
органы чувств. К числу этих автоматов можно отнести и
известный вам перцептрон.
Однако изучение нейронов и простейших нервных сетей, а
также их моделирование далеко не все, чем интересуется
бионик, исследующий глубины нашей внутренней вселенной.
Есть много других важных вопросов, которые сегодня
особенно волнуют биоников. Их решение позволит резко
усовершенствовать обычные электронные вычислительные
машины и создать новые с невиданными до сих пор
возможностями.
Вот один из них.
Что такое память? Каков ее механизм? Где в мозгу
находятся отделы, заведующие памятью? Сосредоточены ли они
в одном каком-то месте или в нескольких местах или вовсе
рассеяны по всей нервной ткани? Имеется ли только один
механизм памяти или же несколько, по крайней мере два:
механизм долгосрочной памяти и механизм краткосрочной
памяти?
263
Высказывалось множество гипотез, пытающихся дать
ответы на эти вопросы. Но большинство их уже отброшены, а
те немногие, которые хотя бы отчасти подтверждаются
фактами, еще нельзя считать вполне достоверными. Словом,
убедительных объяснений наука еще не нашла. И прежде всего
потому, что она вообще не располагает достаточным
количеством фактов, ведь до сих пор еще не установлено, какие
физические процессы обеспечивают память — электрические,
биохимические или какие-то другие. Ничего еще не известно
и о том, как память организована.
Только в самое последнее время ученые начали
нащупывать необходимые факты. Исследования проводятся на
разных животных, но, пожалуй, самыми интересными объектами
сейчас считаются осьминоги. Не те огромные морские
страшилища, способные поживиться крупным животным и даже
человеком, а маленькие, до килограмма весом,
средиземноморские осьминоги — на редкость сообразительные
моллюски.
Если такого осьминога переселить в бассейн с проточной
морской водой и прописать з небольшом кирпичном домике,
он остается жить на новом месте и охотно принимает участие
в экспериментах. Имея весьма развитый мозг, осьминоги
обыкновенные (так называются эти обитатели Средиземного
моря) хорошо переносят сложные операции и выживают
даже после удаления очень важных участков мозга.
Интересные опыты проводят ученые разных стран на
Неаполитанской зоологической станции. Здесь изучают органы
чувств осьминогов, исследуют, как они различают предметы
по форме, и, что нас сейчас особенно интересует, исследуют
память осьминогов.
Прежде чем проводить эксперименты, осьминогов
обучают какому-то строго определенному действию. Чаще всего —
наиболее естественному для этого моллюска, например
хватать щупальцем какой-либо предмет. Любимая пища
осьминогов— крабы. Они, не раздумывая, нападают на них.
Завидев краба, осьминог выбирается из своего домика и либо
идет к нему на своих щупальцах-ногах, либо подплывает,
двигаясь, подобно ракете, за счет реактивной силы струи воды,
которую он выбрасывает из сифона. Когда жертва
оказывается в пределах досягаемости, осьминог быстро протягивает
переднее щупальце и хватает краба. Затем он подсовывает
его ко рту и возвращается в домик. Там он убивает краба
ядом слюнной железы и съедает его.
Осьминоги настолько прожорливы, что, как бы ни были
сыты, при виде краба всегда нападают на него. Так,
некоторые из этих моллюсков хватали до двадцати крабов кряду и
264
запрятывали их впрок в складки мантии, которая как
перепонка соединяет ближайшие к голове части щупальцев. В данном
случае прожорливость — очень хорошее качество. Именно
она заставляет осьминогов безотказно работать во время
обучения и экспериментов.
Обучение осьминогов ведется методом академика
Павлова— методом наказаний и поощрений. Если осьминог
правильно выполнил задачу, его награждают куском сардины или
краба; если ошибся — болезненным ударом электрического
тока.
Таким способом осьминогов можно научить различать по
форме различные тела, обнаруживать ничтожно малые
химические примеси в воде (собственной кожей он чувствует
примесь соляной кислоты в сто раз лучше, чем ^ы языком)
и даже не нападать на крабов. Правда, без повторения
осьминог довольно скоро (через две-три недели) забывает
уроки. Но и такого срока достаточно, чтобы успеть провести
важные и интересные эксперименты.
Вот каким способом обучала осьминогов одна из
исследовательских групп. В бассейн пускали краба, а иногда
одновременно с ним и плексигласовый белый квадрат размером с
сигаретную пачку. Завидев краба, осьминог подбирался к
нему и тотчас хватал его. Но если вместе с крабом в бассейне
находился квадрат, попытка схватить краба наказывалась
ударом электрического тока. После нескольких уроков осьминог
запоминал болезненные электрические удары и при виде
квадрата уже не смел приближаться к крабу. Он так боялся
квадрата, что отступал перед ним и в конце концов прятался
от него в своем кирпичном домике. Если же квадрат
приближался к домику почти вплотную, осьминог, которому уже
некуда было деваться, менял свою окраску, стараясь слиться
с окружающим фоном, а когда не помогало и это, прибегал
к последнему средству защиты — пускал в квадрат сильную
струю воды.
Опыты проводились над группами осьминогов. У
половины животных каждой группы удаляли тот или иной важный
участок мозга. Другую половину — контрольных животных —
тоже подвергали операциям, но удаляли у них заведомо
несущественные для опытов участки мозга (чтобы быть
уверенным, что сама по себе операция на мозге не нарушает
памяти, не изменяет поведения животных). Осьминоги хорошо
переносили операцию, и ученые вновь показывали им краба и
квадрат, стараясь выяснить, играл ли какую-нибудь роль
удаленный участок мозга в сохранении прежнего опыта и как
влияет его удаление на способности к обучению новому.
После долгой и очень кропотливой работы удалось уста-
265
новить, что осьминоги обладают двумя видами памяти. Одна
память сохраняет информацию, опыт лишь
непродолжительное время: до двух часов. Если некоторое событие случилось
единожды, оно воздействует только на кратковременную
память и, следовательно, скоро забывается. Но при
многократном повторении, сведения из кратковременной памяти каким-
то образом переходят в память второго вида, в
долговременную память, где они сохраняются в течение длительного
срока.
Кратковременная память подобно буферу,
воспринимающему на себя все информационные перегрузки, ограждает
память от напора бурного потока информации,
непрерывно поступающей в мозг, от переполнения этой памяти
случайной и ненужной информацией. Только самые сильные
«толчки», самые сильные воздействия или, иными словами,
самая важная информация проникает через заслон
кратковременной памяти и запоминается надолго.
Именно так организована и память электронной
вычислительной машины. Одно запоминающее устройство, оно
называется буферное или оперативное запоминающее устройство,
предназначается для хранения быстро сменяющейся,
непрерывно обновляемой информации. Оно хранит ее ровно
столько, сколько требуется для проведения арифметических или
логических операций. Другое запоминающее устройство —
долговременное — хранит информацию длительное время, а
иной раз в течение всего срока службы машины.
Наблюдения над позвоночными животными и человеком
показывают, что подобная организация памяти наблюдается
и у них. Вы легко можете проверить это на себе: заучивая
наизусть стихотворение, посчитайте, сколько раз вам придется
повторить его, прежде чем оно преодолеет барьер
кратковременной памяти и прочно уляжется в памяти
долговременной; производя арифметические вычисления, обратите
внимание на то, сколько вам приходится удерживать в памяти
промежуточных результатов и как они тотчас забываются,
после того как в них минует надобность.
Производить хирургические вмешательства в мозг
человека ради одних только исследований нельзя. Но при
некоторых заболеваниях нож хирурга приносит облегчение или
даже полное выздоровление. Такие операции могут
одновременно стать источником важных знаний о мозге человека.
Поэтому за людьми, перенесшими операции на мозге, всегда
тщательно наблюдают. Наблюдения такого рода уже лет
десять назад позволили сделать вывод, что и у человека
участки мозга, ведающие долговременной памятью и
кратковременной памятью, видимо, различны. Так, группа канадских
266
ученых, среди которых был и известный нейрохирург и
физиолог Пенфильд, обследовала людей, страдавших
эпилепсией и подвергнутых операциям на мозге (у них удаляли
височные доли мозга).
Умственное развитие людей, перенесших операцию, не
снижалось. Они по-прежнему хорошо помнили свое прошлое,
свою профессию, родных и близких. Но всю новую
информацию они уже не могли запоминать надолго. Они могли
читать, но вскоре же забывали о прочитанном, и даже смерть
близкого человека не запоминалась: горе забывалось уже
через час.
Это показывает, что у таких людей сохранялась и
кратковременная и долговременная память, а разрушался, вероятно,
только механизм передачи из кратковременной памяти в
долговременную.
Исследователи мозга осьминогов провели много опытов,
пытаясь точно определить те участки мозга, где
сосредоточена память. Но результаты этих опытов оказались весьма
неопределенными, и сейчас еще рано говорить о том,
сосредоточена ли она в каких-то центрах запоминания или же
рассеяна в нескольких участках мозга. Рано говорить и о деталях
организации памяти. Возможно, например, что сама
долговременная память, в свою очередь, подразделяется на
несколько типов.
Словом, механизм памяти животных еще совершенно
неясен. И, быть может, у вас возникало сомнение в том,
справедливо ли вообще судить об устройстве мозга позвоночных
и человека по устройству мозга беспозвоночных, хотя и столь
развитых, как осьминог. Ученым сомнения такого рода тоже
знакомы. Но пока, не имея никаких экспериментальных
данных, они все же верят, что задачу переработки информации
природа решила одним и тем же методом и для
беспозвоночных и для позвоночных. Эта, если хотите, вера является
нынче общепринятой рабочей гипотезой. Только факты могут
подтвердить или опровергнуть ее.
Я намеренно остановился на том, как сегодня ученые
исследуют память живых организмов. Рассказ об
экспериментах на осьминогах позволит вам более отчетливо представить
себе, сколь мало еще люди знают о мозге, какими грубыми
методами, почти вслепую, приходится им нынче изучать мозг.
И все же о памяти можно хоть что-то сказать
определенно. Но есть и многое другое, о чем современная наука
начинает лишь догадываться и пока даже не представляет
себе, как, какими методами проводить исследования.
Мы говорили с вами об «эффекте партии коктейля», об
избирательном внимании. В том, что живые существа могут
267
управлять своим вниманием, не сомневается никто. И каждый
нормальный человек, независимо от уровня развития и
интеллекта, отлично пользуется этим свойством на практике. Но
даже самый эрудированный физиолог и опытный психолог
знают о механизме избирательного внимания не более любого
неспециалиста.
И еще один интересный вопрос.
Теперь уже твердо установлено, что разделы мозга,
воспринимающие сигналы о внешних раздражениях,
расположены в строго определенных участках коры головного мозга;
эти и многие другие участки как бы навечно закреплены за
соответствующими органами чувств, нервными путями,
частями тела.
Но весь ли мозг представляет собой систему, состоящую
только из высокоспециализированных структур? И у всех ли
людей и всегда ли нервные сети, выполняющие одну и ту же
функцию, совершенно похожи и совершенно неизменны?
Мы знаем, что в случае некоторых мозговых заболеваний
или повреждений мозга многие функции организма
восстанавливаются благодаря тому, что работу разрушенного
участка мозга берет на себя другой сохранившийся в целости
участок. Мы знаем также, что если повреждения мозга
возникают на самых ранних этапах развития, еще во
младенчестве, пораженные нервные центры могут подменяться нозораз-
зизающимися центрами того же назначения. Эти данные хотя
бы отчасти подтверждают, что абсолютной специализации в
мозгу нет. Но это аварийные примеры, они относятся к тем
случаям, когда у мозга есть выбор только между гибелью и
жизнью. Что же касается здорового мозга, то в этом смысле
у науки пока еще слишком мало данных, чтобы сделать
окончательные выводы.
По мнению одних ученых, мозг действительно является
системой, все части которой имеют очень узкую
специализацию, причем специализация эта врожденная. Другие ученые
(их большинство) придерживаются противоположного
взгляда. По их представлениям, мозг человека не весь состоит из
высокоспециализированных областей и его большая часть не
предназначена от рождения к выполнению каких-то строго
определенных функций. Врожденным свойством мозга, по их
мнению, является лишь умение вырабатывать определенные
связи. И поэтому, за исключением тех разделов мозга,
которые природой предназначены для выполнения строго
определенных функций, мозг новорожденного можно уподобить
контурной карте, на которой нанесены лишь круги
полушарий да градусная сетка. И только жизнь, только опыт и
обучение наносят на эту карту во всех тончайших оттенках океа-
268
ны знаний, материки опыта, цветущие оазисы культуры,
пустыни лени и скудоумия.
Вторая точка зрения многим покажется более
привлекательной. Куда приятнее считать, что мы сами создаем карту
собственного мозга, что она не предначертана нам богом. Но,
может быть, даже являясь целиком
высокоспециализированной системой, наш мозг каким-то образом позволяет
каждому из нас оставаться самим собой? Рано или поздно мы
узнаем об этом важном, с научной, инженерной и философской
точек зрения, свойстве вселенной внутри нас.
И, наконец, еще одна тема, необыкновенно интересная и
бионикам и кибернетикам. Что же касается философов, то
для них, вероятно, вообще не существует более важной
темы. Смысл ее вот в чем.
Мы ставим перед собой определенную цель.
Благородную, важную для всего человечества или маленькую, даже не
очень важную для нас самих. Но какова бы ни была цель, она
часто без всякой подсказки, без чьего-либо совета возникает
в нашем мозгу. Она родится как бы сама собой. На пути к
этой цели мы совершаем различные действия. Но почему
именно эти действия, а не другие? Как мы определяем, что
действовать надо именно так, а не иначе? Как мы определяедл
самую выгодную тактику? И в то же время мы никогда не
идем к одной и той же цели одинаковыми путями, мы всегда
сообразуем свои действия с конкретными обстоятельствами
и всякий раз выбираем наилучший образ действия,
наилучшую тактику. Иными словами, мы приспосабливаем наши
действия к данной обстановке, хотя цель действий может вовсе
не зависеть от обстановки. Подобное приспособление к
окружающим условиям в науке называется адаптацией.
Так вот: как мы ставим цели, каким образом мы
адаптируемся?
Религия говорит: цели указывает бог, пути к цели
назначает он же. Но науку данный ответ не может удовлетворить,
сна борется с подобной точкой зрения. Психику человека
изучает психология, она дает свои научные ответы. К
сожалению, ее ответы носят чисто качественный характер и
совершенно не касаются ни физической природы, ни механизмов
процессов мышления, постановки цели и выбора пути к ней.
Такие ответы не могут удовлетворять кибернетиков и
биоников. Они хотят иметь точное количественное описание этих
процессов, знать их физическую сущность. Тогда их можно
будет моделировать, а значит, и строить истинно разумные
автоматы.
Но важно и другое. Вопросы о постановке цели и выборе
путей являются последними и наиболее неприступными кре-
269
постами религии, Ей уже давно пришлось убрать бога с небес
и переселить его в нашу внутреннюю вселенную. Она —
последнее прибежище бога. Когда мы изучим мозг и поймем,
как он ставит цели и выбирает лути к ним, богу не останется
места нигде, И человечество навсегда освободится от него.
ЭЛЕКТРОННОЕ БОЖЕСТВО
Впрочем, многие люди, сами того не подозревая,
предрекают неминуемое пришествие нового бога. И, если верить им,
это случится именно после того, как наука сумеет найти
ответы на перечисленные в предыдущей главе вопросы. Ибо
новым богом станет .некая совершеннейшая электронная
вычислительная машина, разум которой намного превзойдет
человеческий.
Эти люди, конечно, не называют электронную машину
богом. Они просто утверждают, что машина окажется
несравненно умнее всех людей. Однако в случае создания такой
машины она неминуемо займет место бога, ибо, лризнав
машину умнее себя, люди должны будут безоговорочно
подчиняться ей. Разум человеческий окажется не в силах проверять
решения, рекомендации, приказы машины, поскольку будет
признано, что она умнее любого из смертных. Ведь и
библейскому богу велено слепо подчиняться именно потому, что
он, как говорит святое писание, «совершеннейший в знании»
или, выражаясь языком спортивных обозревателей, «всегалак-
тический абсолютный чемпион по разуму».
Идея построения разумной машины далеко не нова. Она
гораздо старше нынешних электронных кандидатов на эту
роль. Попытки машин подобного рода предпринимались еще
задолго до нжших дней. Потом о них забыли. И вспомнили
лишь в сороковые годы нашего столетия, когда были
построены поразившие даже самих создателей электронные машины.
Возможности электронных машин далеко превосходили все,
о чем даже не дерзали мечтать те, кто некогда первыми
заговорили о разумных машинах. И все же ни одна из них не
идет в сравнение не только с человеком, но и со значительно
более примитивными животными, Современная электронная
вычислительная машина может с колоссальной скоростью
выполнять серии элементарных арифметических или логических
действий, производить очень сложные цифровые расчеты и
даже доказывать новые математические теоремы. Но она не
мыслит.
Что же касается электронных вычислительных машин, ко-
270
тсрые появятся в начале
XXI века, то прежде чем
говорить о том, окажутся
ли они разумными,
хочется рассказать об
одной очень важной
способности, которой
инженеры надеются одарить
вычислительные машины
даже самого ближайшего
будущего.
Редко кому из вас не
доводилось слышать о
самообучающихся
кибернетических игрушках: о
«мыши Шеннона»,
которая в поисках «пищи»
плутала по лабиринту и после каждой удачной попытки
находила все более короткий путь, о многочисленных
«черепахах» и многих других устройствах подобного рода. Немало
говорилось и о вычислительных машинах, способных
самостоятельно улучшать программу своей работы, с тем чтобы
быстрее производить вычисления или логические операции.
Все эти устройства изобрели и^ основе гипотез о нервной
деятельности живых организмов. Хотя по своей физической
сути и по внутренним процессам эти устройства отличаются
от живых существ, они все же воспроизводят с известной
долей сходства некоторые виды нервной деятельности. Сейчас
от игрушек инженеры уже переходят к разработке машин
нового типа, которые способны самообучаться и отличаются
чрезвычайной гибкостью работы. План построения и
обучения новых машин основывается на второй гипотезе о строении
мозга — на предположении, что не весь мозг является от
рождения высокоспециализированной структурой. Эти
машины получили название самоприспосабливающихся,
самоорганизующихся или адаптивных машин, потому что они могут
приспосабливаться к изменяющимся условиям. При
изменении воздействий на адаптивную машину она сможет менять
метод решения задачи и свой образ действий. Такая машина
в состоянии быстро приспосабливаться к решению новых для
нее задач. Значит, в этом она будет более похожа на
человека, чем нынешние электронные вычислительные машины.
В зависимости от условий, от вида поставленной задачи она
будет предпринимать действия, которые наиболее
рациональны в данных условиях и при решении данной задачи.
Обучаются такие машины следующим образом. На на-
271
чальном этапе личный опыт машины равен нулю. Ее
врожденный опыт (иными словами, ее организация и конструкция, ее
«рефлексы» и «инстинкты») состоит лишь в том, что она либо
сама при помощи учителя может запоминать и отличать
полезные действия от вредных примерно так, как различает
ребенок больно и небольно, горько и сладко, приятно и
неприятно...
После включения машине разрешается устанавливать
самые произвольные связи между отдельными частями ее
логической или вычислительной схемы. При этом всегда будут
возникать только два варианта соединения частей схемы:
связи случайно оказались полезными и связи случайно оказались
вредными для выполнения требуемой работы.
Обучение машины можно производить по методу
академика И. П. Павлова — наказанием и поощрением.
Если машина установила полезные связи, учитель
«поощряет» ее. Разумеется, не крабом, как осьминога. Просто он
не запрещает и в дальнейшем образовываться данному
сочетанию связей. Если же сочетание связей оказалось вредным,
в запоминающее устройство машины вводится
соответствующая команда, запрещающая установление подобных связей
в будущем,— это и есть наказание.
Работая таким образом и далее, машина все время будет
образовывать то вредные, то полезные связи. И каждый раз
связи будут сопровождаться либо поощрением, либо
наказанием. Так, пробуя и ошибаясь, машина постепенно отбросит
все те варианты логических связей, которые вредны при
решении данной задачи, и дальше начнет работать только
наилучшим образом. Но стоит измениться условиям, в которых
выполняется задача, или самой задаче, как машина, вновь
пробуя и ошибаясь, начнет искать новые логические связи,
наилучшим образом соответствующие изменившимся
условиям или новой задаче.
Что напоминает вам это коротенькое описание принципа
действия адаптивной машины?
Конечно — перцептрон. Он действительно построен по
такому принципу и, как мы знаем, способен к обучению. Способ,
которым обучали перцептрон распознаванию букв, равно
пригоден для обучения перцептрона решению других задач,
например распознаванию геометрических фигур, а при
замене мозаики фотоэлементов искусственной улиткой —
распознаванию слуховых образов.
Долго ли длится обучение машины? Это зависит от того,
чему она должна обучаться, Уже несколько лет назад было
создано устройство, представляющее собой не что иное, как
многоконтактный переключатель, с помощью которого мож-
272
но устанавливать более шестнадцати миллионов различных
вариантов логических связей, Чтобы методом Павлова
обучить это устройство устанавливать один определенный
вариант из шестнадцати миллионов возможных, понадобится
всего пятьдесят попыток. При том быстродействии, которым
обладают электронные вычислительные машины, на обучение
уйдет очень небольшое время.
ААного это или мало — шестнадцать миллионов вариантов?
Для машины не столь уж мало.
А для человека?
Предположим, что каждому варианту логических связей
соответствует какой-то вполне определенный зрительный
образ, и, следовательно, устройство в состоянии
распознавать шестнадцать миллионов зрительных образов. В
сравнении с тем, на что способно человеческое зрение, это —
ничтожная капля. Если к тому же учесть, что каждый из нас
распознает не только зрительные образы, но и слуховые, и
обонятельные, и осязательные, и прочие чувственные образы,
если к этому добавить, что человек распознает устную и
письменную речь, а многие хорошо знают по нескольку языков,
то станет ясно, что количество образов, которые распознает
человек, с трудом исчислимо.
А каково оно точно, никто не знает. Потому что никому
сегодня не известно даже приблизительно, на что вообще
способен мозг, где пролегают границы его возможностей.
Поэтому гозорить нынче о том, может ли быть машина
умнее человека, с точки зрения инженерной практики,
вообще не имеет смысла. Боюсь, что и для тех моих читателей,
кто через тридцать лет, на рубеже века и тысячелетия, будет
конструировать новые бионные вычислительные машины,
разговор этот окажется всего лишь чуточку менее отвлеченным,
чем теперь, хотя наука, несомненно, узнает к тому времени
очень много нового о мозге. И все-таки осмелюсь сказать (и
это единственный прогноз, который я берусь сделать), что
машины конца XX века не будут разумными, они наверняка
не смогут равняться с человеческим мозгом.
Но хотя спор о разумных машинах еще не скоро
приобретет практический смысл, он уже сегодня имеет важное
философское значение.
Он гораздо шире, чем кажется с первого взгляда. Спор
идет не только о том, может ли быть машина умнее челозе-
ка. Он включает в себя значительно более широкий круг
вопросов, а формулировка, упоминающая мозг и машину,—
всего лишь удобное короткое заглавие.
В этом она подобна одной из самых известных
формулировок закона сохранения энергии. В те времена, когда закон
773
этот был еще не открыт, многие верили в практическую
осуществимость, а многие пытались и строить машины-двигатели,
работающие, не расходуя ни топлива, ни силы падающей
воды, ни напора ветра—словом, работающие вечно: способные
вечно откачивать воду из шахт, поднимать грузы, приводить
в действие прядильные и ткацкие станки. Только после
открытия закона сохранения энергии стало ясно, что создавать
энергию из ничего невозможно. Но роль закона сохранения
энергии не исчерпывается решением спора о вечном
двигателе. Это один из самых важных законов природы, его смысл
бездонно глубок, его значение необычайно велико для всех
наук, для всех видов человеческой деятельности. И все же
в дань старым спорам о вечном двигателе закон этот и по
сию пору часто формулируется так: «Создать вечный
двигатель невозможно».
Спор о мозге и вычислительной машине в этом смысле
похож на спор о вечном двигателе. И если вдуматься, он
ведется не просто о разуме человеческом, а о разуме вообще:
машинном ли, или разуме жителей некоей планеты,
затерянной в безбрежном космосе; спор идет о возможностях
разума вообще, о том, беспредельны они или же законы природы
устанавливают границы разума; о том, каковы должны быть
границы разума (если они существуют) и где они пролегают.
Очень важную роль в решении этого важнейшего спора
суждено сыграть бионике \
Ученым наших дней мысль о пределах, о границах уже
привычна и кажется более естественной, чем мысль об
отсутствии каких-либо пределов. Ученым известно
множество границ и пределов. Им известно, что коэффициент
полезного действия любой машины не может быть больше
единицы, что скорость ни при каких условиях не может превысить
скорости света в пустоте, что не может быть температуры
ниже предела, называемого абсолютным нулем, что имеет
предел увеличение микроскопа, чувствительность
радиоприемных устройств, чувствительность слуха и зрения, что имеет
1 В споре о вечном двигателе решающее слово тоже было сказано
бионикой, хотя... ее тогда еще не было. Однако сейчас вам станет ясно,
в чем дело. Закон сохранения энергии открыл знаменитый немецкий
физик Юлиус Роберт Майер (1814—1878). Он был врачом по образованию,
а к физикам его причисляют главным образом потому, что он открыл
закон сохранения энергии, который называют физическим законом, хотя это
универсальный закон природы, равно справедливый и в химии, и в
биологии. К мысли о сохранении энергии Майера привели измерения тепла,
выделяемого и поглощаемого живым организмом. Следовательно,
изучение живой природы подарило физике не только оптику, электричество, на
и энергетику.
274
предел срок жизни звезд, и многое другое; по существу,
почти все имеет те или иные пределы.
Однако пределы разума сегодня никому не известны,
потому что современные знания не позволяют не только
исчислить границы разума, но и доказать существование таких
границ экспериментально и теоретически. И все-таки интуиция
подсказывает, что и разум не миновала всеобщая судьба,
что и ему природа положила пределы. Попробуем
поговорить об этом на основе самых общих соображений и,
пользуясь методом «от противного», представим себе на миг,
что разум может безгранично совершенствоваться, что он
может постигнуть и узнать абсолютно все. Чем или кем стал
бы такой разум? Каково бы ни было его происхождение,
разум, достигший абсолютного знания, неизбежно стал бы
богом. И хотя, подобно всему во Вселенной, он подчинялся бы
всеобщим законам природы, его могущество от этого
нисколько не уменьшилось бы. Пользуясь этими же законами
природы, абсолютный разум мог бы сделать себя
бессмертным, мог бы творить новые звезды, планеты, живых существ...
В один прекрасный день, то ли ради шутки, то ли ради
эксперимента, он мог бы создать планету, подобную Земле, а
затем сотворить на ней людей.
Итак, чисто логически мы пришли к выводу, что разум
должен иметь пределы. И следовательно, любое существо,
любая сверхмашина не могут обладать абсолютным разумом.
Но это еще не значит, что никакая машина, никакой житель
планеты Wf звезды Х7 созвездия ¥, галактики Z не может
оказаться умнее человека. Вопрос в том, насколько умнее
человека они могут оказаться.
Давайте сперва попробуем рассудить, хотя бы очень
приблизительно, умен ли человек или глуп в земных масштабах;
и может ли на Земле появиться когда-либо существо,
превосходящее разумом человека.
Хочу предупредить заранее, что ценность этих
рассуждений будет не особенно велика; ведь мы еще не в состоянии
дать точного определения таким, казалось бы, простым
понятиям, как «разум», «мышление». Единственно, что s\b\
можем точно сказать о разуме, что он есть одно из свойств
живого, одно из свойств мозга, возникшее и
совершенствовавшееся в борьбе за существование. Правда, в этой
беспощадной борьбе можно выжить и процветать, вовсе не
имея разума, примером чему являются микроорганизмы,
насекомые, рыбы. Но, судя по положению, какое занял на
Земле человеческий род, по его успехам в покорении всех стихий
и даже космоса, можно уверенно сказать, что разум есть
самое совершенное, высшее средство борьбы за существование.
275
Чтобы рассуждать дальше, мы должны запомнить и не
путать двух понятий — высокоразвитого мозга и разума.
Высокоразвитый мозг не есть разум. Он лишь физическая
структура, физическая система, в которой при определенных
условиях, включая трудовую деятельность, возникает и
развивается разум. Ведь на свете нет безмозглых людей, а неумные
есть. Наука определенно указывает, что строение
человеческого мозга совершенно не изменилось за много тысяч лет.
Но мы знаем, что на протяжении этих тысячелетий разум
человеческий непрерывно совершенствовался. И хотя мы
можем совершать очень неразумные поступки, придерживаться
неразумных взглядов, высказывать мысли, которых вскоре же
начинаем стыдиться, разум наш несравненно выше, чем у
далеких предков.
Подведем первый итог: человеческий мозг — носитель
разума; этот мозг оставался неизменным в течение
тысячелетий, а разум за этот же срок значительно
усовершенствовался. Заметьте, здесь уже нет никаких предположений, а только
факты.
Какой же из этого следует вывод?
Очень интересный! Факты эти говорят, что природа
конструировала человеческий мозг с огромным запасом. Иными
словами, конструкция человеческого мозга такова, что,
оставаясь неизменной уже тысячелетия, она не препятствует все
более быстрому совершенствованию разума. И у нас нет
никаких сведений о том, что совершенствование близко к
завершению, что конструкция мозга вскоре будет использована
на все сто процентов и дальнейшее развитие разума окажется
невозможным. Напротив, сейчас все считают, что разуму
еще предстоит огромное развитие, хотя, конечно, никто не
знает, когда и на каком уровне оно остановится, достигнув
предела.
Природа, как всегда, оказалась великим инженером. Она
создала такую конструкцию человеческого мозга, которая в
течение долгих тысячелетий не препятствует развитию
разума. Но на Земле подобную конструкцию, видимо, имеет
только человеческий мозг. Что же касается мозга других
животных, даже ближайших родственников человека — шимпанзе,
то их мозг, скорее всего, вообще не позволяет возникнуть и
развиваться разуму, сколько-нибудь близкому к
человеческому. Остаются дельфины. Когда-нибудь мы узнаем, достиг
ли их мозг такого совершенства, какое допускает
возникновение и совершенствование разума. А пока мы можем
считать, что в земных масштабах человек не просто самое
умное, но и единственно разумное существо.
Однако этими итогами нам не следует ограничивать рас-
276
суждений о разуме земного существа, о возможности его
совершенствования. Нам надо, насколько это в наших силах,
разобраться еще в одном важнейшем вопросе. Возможно, вы
уже подумали о нем и возразили мне так: «Конечно, приятно
убедиться в высоких качествах конструкции нашего мозга.
Но разве природа не могла бы создать какой-то совершенно
иной конструкции мозга, еще лучшей и более совершенной,
способствующей разуму развиваться еще быстрее и
достигать более высокого совершенства?»
Мне было бы приятно узнать, что вы опередили меня
подобным вопросом. Значит, вы не зря потрудились, прочитав
книгу. И вам, вдумчивый читатель, мне хотелось бы ответить
прямо и четко. К сожалению, это невозможно. Мы еще
слишком мало знаем о мозге, о законах, которым была
вынуждена повиноваться природа, создавая свое величайшее
творение. Мы знаем одно: на нашей планете нет ничего более
совершенного, чем мозг человека. А почеллу, это никому не
известно- То ли природа еще не успела, то ли не было
необходимости создавать что-то лучшее, то ли человеческий
мозг — венец инженерного творчества природы, и на большее
она не способна.
Но как бы то ни было, конструкция такого сложнейшего
органа, как мозг, не может быть случайной. Ведь чем
сложнее любая машина, тем большим количеством законов
природы определяется ее действие, тем меньше остается
возможных вариантов конструкции, тем меньше может быть
случайностей. И поэтому вполне может оказаться, что
конструкция нашего мозга одна из немногочисленных или даже
единственно возможная, и никакой другой природа создать
не могла.
Это, однако, доведенное до крайности предположение.
Согласно ему, не только на Земле, но и нигде во Вселенной
не может быть мозга со значительно более совершенной
конструкцией (не забывайте, что мозг и разум не одно и то
же). Многие ученые, рассматривая пути возникновения
высокоорганизованных форм жизни на других мирах, чаще всего
приходят к выводу, что такие формы могут развиваться
только на основе углеродных органических соединений и в
условиях, не очень сильно отличающихся от земных. А это
означает, что развитие жизни на других мирах должно происходить
по тем же законам, что и на Земле. Сейчас ученые
единодушно считают, что все законы природы — физические,
химические и даже информационные — одинаковы во всей
Вселенной. И следовательно, мозг обитателя планеты W, звезды X,
созвездия Y, галактики Z должен развиваться по тем же
законам, что и наш. Но если это так, то почему мы должны
277
считать, что возможности совершенствования внеземного
мозга окажутся совсем иными?
Сегодня у нас нет фактов ни «за» ни «против» данного
предположения, а само оно не противоречит логике. Поэтому
сбрасывать его со счетов пока не стоит, хотя шансов, что оно
окажется истинным, очень мало; естествоиспытатели хорошо
знают, что природа вдребезги разбивала множество и более
правдоподобных гипотез, что она значительно богаче на
выдумки, чем ее исследователи.
Но вернемся на Землю, к конструкции человеческого
мозга. Мы ведь еще не решили, смогла бы природа создать в
земных условиях мозг более совершенный, чем наш.
Как и во всех рассуждениях о мозге, надо помнить, что мы
не располагаем никакими прямыми фактами, позволяющими
делать решающие выводы. Поэтому и в данном случае
ограничимся только предположениями, хотя и основанными на
косвенных фактах.
Вы уже хорошо представляете себе устройство органов
слуха и зрения человека и знаете, что науке известно о них
очень много. Вы уже знаете, что улитка внутреннего уха и
особенно сетчатка глаза — не просто некие «детали» органов
чувств. Они теснейшим образом связаны с мозгом и, по
существу, являются участками мозга. И вот, результаты
новейших исследований показывают, что устройство этих
органов почти достигло пределов совершенства. Эти органы
выполняют свою главную задачу — переработку зрительной и
слуховой информации —почти идеально. И в этом природа
уже не в состоянии создать что-то лучшее, а инженеры —
обогнать природу.
Но если слух и зрение усовершенствованы почти до
предела, почему нельзя предположить того же и о мозге?
Современная наука не может ни утверждать, ни
опровергать и этого предположения. Нужны факты. А пока исключать
возможность предельного развития человеческого мозга (но
не разума), к сожалению, нельзя.
Вот что пишет по этому поводу Винер:
«...человеческий мозг, вероятно, уже слишком велик,
чтобы он мог использовать эффективно все возможности,
которые кажутся наличными анатомически... Выигрыш,
достигнутый человеком благодаря большему размеру и большей
сложности мозга, частично сводится на нет тем, что за один
раз можно использовать лишь часть мозга. Возникает
любопытная мысль, что мы, возможно, стоим перед одним из
природных ограничений, когда высокоспециализированные
органы достигают такого урозня, что их эффективность начинает
уменьшаться».
273
Мысль действительно любопытная. Я хочу, однако, чтобы
вы не поняли ее, будто Винер и сам уверен в ней. Нет, он
не утверждает, что дело и вправду обстоит так. Просто он
делает одно из логически возможных предположений; он не
утверждает наверняка, а лишь предполагает и эту
возможность.
Но надо помнить, что подобное предположение о
пределе развития конструкции мозга вполне научно и не
противоречит известным фактам.
Итак, в земных масштабах человек — единственное
существо, обладающее подлинным разумом, а конструкция
человеческого мозга достигла высокой степени совершенства.
И даже было высказано предположение, что дальнейшее ее
усложнение не принесло бы пользы разуму.
Следовательно, нельзя полностью исключить и то, что на
Земле, и даже, может быть, во всей Вселенной, природа уже
вряд ли сумеет создать мозг с конструкцией более
совершенной, чем у человека.
И, наконец, последнее. Может ли человек сам,
собственными силами, изобрести, сконструировать и построить некую
мыслящую машину, устройство которой оказалось бы
совершеннее устройства мозга, а разум превзошел бы
человеческий?
В этом, как мы теперь знаем, нет согласия даже между
специалистами. Одни отвечают на этот вопрос
безоговорочным «да», другие — не менее решительным «нет».
Мне думается, что истина находится где-то посередине.
Ведь, следуя идеям павловского учения и кибернетики, было
бы нелогично отказывать животным и автоматам хотя бы в
зачатках мышления, в зачатках разума. Говоря о разуме
автоматов, я имею в виду не сегодняшние примитивные
электронные машины, а те автоматы, которые будут созданы на
рубеже второго и третьего тысячелетий. Скорее всего, это
будут бионные автоматы, наделенные способностью
выполнять те процессы, которые сегодня мы относим к категории
мыслительных. Но в целом с мозгом человека и они не смогут
равняться.
Мы говорим: мозг познаваем. И мы не сомневаемся, что
движение к истине бесконечно, что бесконечно познание
Вселенной, окружающей нас, и вселенной внутри нас. Истина
беспредельна, а разум имеет границы. Это, конечно, не
означает, что мы никогда и ничего не сможем узнать достаточно
полно и точно. Весь опыт науки и техники доказывает, что
мы все дальше, глубже и вернее познаем природу. Но мы
никогда не должны забывать, что научные достижения
сегодняшнего дня завтра будут перекрыты новыми. Чтобы пояс-
279
нить свою мысль, приведу некоторые примеры истории
научных взглядов на природу мозга.
С самых давних времен люди сравнивали мозг с
какой-либо машиной. Во времена Декарта люди еще не умели строить
сколько-нибудь сложных машин. Тем не менее, Декарт
уподоблял мозг и нервную систему самой сложной из известных
тогда машин. Он считал, что мозг представляет собой
механический насос, перекачивающий по трубочкам-нервам
«животные духи». Декарт не выдумал этого насоса и разветвленной
системы трубочек. Он уподоблял мозг и нервные пути сердцу
и системе кровообращения, открытой незадолго до того
Уильямом Гарвеем. Если бы Декарту была известна какая-то
еще более сложная машина, он, вероятно, сравнивал бы мозг
с ней.
Так оно и случилось позже. Когда наука выяснила роль
некоторых других органов и узнала о химических процессах
в них, мозг стали уподоблять им, и иные естествоиспытатели
даже утверждали, что мозг выделяет мысли, подобно тому
как печень выделяет желчь. И не мудрено. Сравнения мозга
со сложнейшей химической машиной, какой является печень,
делались как раз в те годы, когда химия вышла на передний
край и добилась первых замечательных успехов; когда все
увлекались этой наукой. А потом мир постиг замечательные
качества электрической энергии, и нервную систему
незамедлительно истолковали как некую сложнейшую электрическую
систему и даже стали забывать, что в ней происходят
тончайшие химические процессы. Двадцать лет назад появились
первые электронные вычислительные машины, и вам
известно, что теперь мозг уподобляют сложнейшей электронной
вычислительной машине.
Это уподобление, если к нему относиться сознательно и
осторожно, всегда приносит пользу. Оно, как лоток в руках
золотоискателя, смывает все случайное и наносное, оставляя
драгоценные крупицы истинного знания. Даже наивное
сравнение мозга с насосом помогло Декарту высказать очень
важные догадки о работе мозга и нервной системы. Роль
химических и электрических процессов в мозге и нервной
системе тоже несомненна. И, разумеется, много пользы приносит
науке сравнение мозга с электронной вычислительной
машиной. Но в этом сравнении далеко не вся истина. И когда люди
изобретут еще более совершенные устройства, обязательно
будут проводиться параллели с мозгом. И новые параллели
будут наверняка полезны. Важно лишь не забывать, что наука
никогда не кончается сегодняшним днем, что на смену
сегодняшним знаниям и открытиям приходят новые, каких ни
предсказать, ни представить заранее невоздложно.
280
Часто, однако, забывают о границах, в которых можно
проводить параллели, забывают о завтрашнем дне. Даже
многие ученые грешат этим. Им хочется объяснить все уже
сегодня, не оставляя ничего на завтра. И тогда случается самое
досадное. Забывается золотое правило науки — проверять
любое умозаключение опытом, фактами. И невольно
повторяются ошибки древних во главе с Аристотелем, считавшим,
что мир во всем его многообразии можно постигнуть и
объяснить при помощи одних только рассуждений, чисто
умозрительно.
Об опасности этого подхода к нервным процессам, к
работе мозга недавно предупреждал изобретатель перцептро-
на американец Розенблат. По его мнению, сейчас многие
ученые, рассуждая о физических процессах, лежащих в основе
поведения и психической деятельности животных,
предлагают и отстаивают самые различные модели мозга, но все они
схожи в том, что основаны на оторванных от опыта и фактов
абстрактных предположениях.
Ученые такого рода не сомневаются, что близки к истине,
забыв, что отказ от проверки гипотез и теорий опытом
никогда не приносил пользы. Бесполезны будут и попытки
объяснить работу мозга только на основании закономерностей,
выявленных при создании электронных вычислительных машин.
Эти машины — далеко не последнее слово науки и техники, и
будут созданы еще более сложные и совершенные, но пока
неведомые никому машины. Мы еще очень мало знаем о
мозге, чтобы достоверно объяснить, как мы мыслим и что
такое разум. А это, в свою очередь, означает, что у нас еще
недостаточно оснований утверждать возможность создания
машины разумнее человека.
Вот почему я не считаю, что в обозримые сроки люди
сумеют изобрести, сконструировать и построить мыслящую
машину, превосходящую разумом человека. А бионика
подсказывает вот какую мысль: чем сложнее и совершеннее
будут думающие машины, тем больше они станут походить на
живые организмы. Но вряд ли дойдет до того, чтобы роду
человеческому оказалось выгодным выращивать в колбочках
искусственные разумные организмы.
Если люди на это согласятся, то спор будет уже не
между человеком и машиной, а между двумя
биологическими видами мыслящих существ. Впрочем, на тему о
выращивании разумных существ в колбах уже фантазировал
известный английский писатель Хаксли. А мы воздерживаемся это
делать. Подобные фантазии выходят за пределы бионики.
Что же касается машины, превосходящей разумом своего
создателя, то не могу не привести слов Норберта Винера, ска-
231
занных им за несколько дней до смерти. На вопрос
корреспондента одной из газет, могут ли появиться машины,
превосходящие умом людей, Винер ответил: «Могут. Если люди
станут глупыми».
В этих словах много горького юмора и много смысла.
И хотя они сказаны как бы в шутку, их стоит запомнить и
отнестись к ним серьезно. Потому что Винер неплохо
разбирался не только в кибернетике, но и в людях.
НА ПРОЩАНИЕ
Вот и все, дорогой читатель. Здесь, на дороге, у начала
которой было написано «Бионика», мы и распростимся. И
хотя нет у этой дороги конца, хотя мы вместе прошли совсем
немного и я не успел рассказать вам о множестве
интереснейших вещей, пришла пора расстаться.
Те, кому понравилась эта дорога, пойдут по ней дальше.
Сначала путь им будут указывать книги и профессора, а
потом и самим придется расставлять на ней новые указатели и
знаки. Но большинство из вас выберут другие пути. Ведь,
кроме бионики, кроме науки и техники, есть искусство,
медицина, педагогика, журналистика и множество других прекрасных
профессий.
Но кем бы ни пришлось вам стать, где бы ни пришлось
работать, помните о природе.
Ваше вступление в жизнь совпало с переломной и опасной
для природы порой. Все быстрее и быстрее сводятся леса,
все меньше зверей и птиц остается, все больше загрязняются
малые и большие реки и даже океаны. Человек одержал
полную победу над земной природой. Но часто продолжает вести
себя как неразумный и жестокий завоеватель. Правда, победа
далась нелегко, порой мы бессознательно относимся к
природе, как и в те времена, когда она властвовала над человеком.
Но уже настало время совсем иное. Теперь природа
нуждается в нашей защите. И чем скорее мы это поймем, тем будет
лучше для нас самих, тем больше мы сохраним земной
красоты и богатств.
До последних лет деятельность инженеров почти не имела
никакого отношения к защите природы. Наоборот, многое из
того, что делали инженеры, наносило ей ущерб. Но инжене-
283
ры или не знали, или не задумывались об этом. Бионика —
первая наука, связавшая инженера с природой. Она не только
учит его новым техническим методам, она открывает перед
ним мудрость и красоту живого мира. И я верю, что эта
наука побудит новых инженеров, инженеров-биоников, любить
и сохранять природу. И в этом, может быть, главное
достоинство бионики.
♦
СОДЕРЖАНИЕ
Сколько наук на свете? 5
Что такое бионика? 7
Спор, в котором все оказались правы 15
Ода электричеству 19
Животное электричество . 22
Автоматы металлические и автоматы животные .... 28
Понять друг друга 38
Посвящение . . . . 41
Человек и машина 46
Мир, в котором живут инженеры 51
Экономия и еще раз экономия . 58
«КВН» 63
Вечные студенты 66
Радиолокатор и летучая мышь 70
Проблема Спалланцани 75
Ультразвуковое «зрение» 79
Бабочка, летучая мышь, сова 84
Вторая стихия 88
Поиски «Трешера» 93
Цепь открытий 96
Вторая сигнальная система? 108
Наш слух 121
В поисках одиннадцатого знака 130
Мир волн 132
Снова звуколокация? 140
Один раз увидеть или сто раз услышать 152
285
Начало начал 156
Рефлексы и фотоаппарат , 165
Палочки и колбочки 169
В лаборатории 131
Карета короля 197
Привычные чудеса 215
Шестое чувство . . , 223
Шестиногий балет 236
Адрес на конверте 245
Вселенная внутри нас 253
Электронное божество . . 270
На прощание . 283
Для среднего и старшего возраста
Штейнгауз Александр Израилееич
ИНЖЕНЕР И ПРИРОДА
Ответственный редактор
Г. А. Иванова.
Художественный редактор
Л. Д. Бирюков.
Технический редактор
Т. Д. Ю р х а н о в а.
Корректоры
Л. М. Агафонова
и Г. В. Русакова.
Сдано в набор 27-XI 1967 г.
Подписано к печати 25-VII 1968 г.
Формат 60 X 90'/|6. Печ. л. 19.
(Уч.-изд. л. 17,66+8 вкл. = 18,54.)
Тираж 75 000 экз. ТП 1968 № 549.
А05730. Цена 69 коп. на бум. № 2.
Издательство ,,Детская
литература4'. Москва, М. Черкасский
пер., 1. Ордена Трудового
Красного Знамени фабрика ,,Детская
книга" № 1 Росглавполиграфпро-
ма Комитета по печати при
Совете Министров РСФСР. Москва,
Сущевский вал,49. Заказ №1688.
К ЧИТАТЕЛЯМ
Издательство просит отзывы
об этой книге присылать
по адресу: Москва, А-47,
ул. Горького, 43. Дом
детской книги.
♦
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ДЕТСКАЯ ЛИТЕРАТОРА"
В 1968 году выйдут следующие научно-популярные и научно-
художественные книги:
Ввбвр Ю. ♦ ВТОРНИК. 7 МАЯ
Как родилось одно из величайших изобретений — радио?
Вместе с самим изобретателем А. С. Поповым читатель будет
разгадывать новое явление природы, вместе с изобретателем
будет переживать его надежды и радости
Губер май И. ♦ ЧУДЕСА И ТРАГЕДИИ ЧЕРНОГО ЯЩИКА.
Книга о физиологии мозга, о работах советских и зарубежных
исследователей в этой области, о лабораториях и институтах,
занимающихся сложнейшими проблемами медицины и
техники
Полканов Ф. ♦ МЫ И ЕЕ ВЕЛИЧЕСТВО ДНК.
Автор книги — биолог, увлекательно рассказывает о
новейших открытиях в генетике и ее завоеваниях в медицине и
сельском хозяйстве.
Эти нниги по мере выхода их в свет вы сможете приобрести в магазинах
Иниготорга и потребительской кооперации. Нниги высылаются танте по почте
наложенным платежом отделом „Ннига — почтой" областных, краевых и рес-
публинансних нниготоргов.
На этом старинном рисунке вы видите весь нехитрый арсенал научных
приборов, которыми пользовался Гальвани.
Пилоты пассажирского лайнера довольно свободно чувствуют
себя в своей кабине. Но сколько перед ними, над ними и
с боков всяких кнопок, рукояток и приборов!
А сколько приборов у штурмана пассажирского лайнера и
бортинженера!
Осьминог охотится на краба. Увидев краба, он выходит из
своего домика и приближается к жертве. Когда краб
оказывается достаточно близко, осьминог выбрасывает вперед
переднее щупальце и хватает краба. Затем он возвращается
в домик, где убивает краба своей ядовитой слюной и
съедает его.
Увидев краба, необученный осьминог приближается к нему,
не боясь белого квадрата. Но тут же квадратом прикасаются
к осьминогу, и он получает болезненный электрический y,qap.
Обученный осьминог при виде квадрата уже не решается
полакомиться крабом и отступает в свой домик. Если же
квадрат приближается к осьминогу, он меняет свою окраску,
старается сделаться незаметным. Когда и это не помогает,
осьминог пускает в квадрат сильную струю воды, пытаясь его
отогнать.
Вычислительная машина «БЭСМ-2». Она создана не так уж давно, но все
же занимает много места и потребляет немало электроэнергии.
Современная
вычислительная машина
«Раздан». Она невелика по
размеру. Но пройдет
несколько лет, и она
покажется громоздкой и
неэкономичной.
Уменьшение размеров
радиоаппаратуры позволило
укрепить достаточно
мощный радиопередатчик на
панцире морской черепахи.
Это поможет следить за ее
странствиями с помощью
радиопеленгаторов.
Размеры электронных
устройств становятся все
меньше. Но и те, которые вы
видите на снимке, кажутся
инженерам слишком
большими. Теперь созданы
электронные устройства в
десятки и сотни раз
меньших размеров.
Очень упрощенный макет сетчатки глаза лягушки. В нем всего 361
светочувствительная «клетка», всего 361 фотоэлемент. В глазу лягушки
светочувствительных клеток во много тысяч раз больше. Для сравнения на
снимке показана лягушка. Как видите, по экономии места и веса природа
далеко опередила технику.
Это перцептрон. Сейчас его обучают распознавать букву С.
Эта машина среди десятков тысяч
здоровых кровяных телец, видимых
в поле зрения микроскопа, может
отыскать одно больное, распознать
его по внешнему виду и тем самым
сообщить врачам о ранних
симптомах одного очень опасного
заболевания. Делает она это в сотни раз
быстрее, чем человек,
Обработка
электроэнцефалограмм с
помощью
вычислительной машины. Слева
вверху — обычная
энцефалограмма,
отыскать на ней
интересующий ученых
импульс невозможно.
Справа вверху —
энцефалограмма,
усредненная по двум
измерениям, на ней
импульс тоже еще не
виден. Слева в
среднем ряду импульс
обозначился довольно
отчетливо, для этого
пришлось провести
усреднение по 32
измерениям. Далее идут
энцефалограммы,
усредненные по 64, 128
и 512 измерениям. На
последней (справа
внизу) виден только
импульс, а все помехи
исчезли.
Опытный образец ультразвукового поводыря. Если после
проведения испытаний он хорошо зарекомендует себя, инженеры
переконструируют его так, чтобы он стал очень небольшим и
удобным для слепых.
На «операционном столе» — усыпленная акула. Сейчас ее глаза
закроют пластмассовыми колпачками и снова пустят в бассейн.
Ей и без помощи глаз удавалось удачно охотиться.
Нильский голохвост
охотится. Как эта рыба
отличается своими формами
от привычных нам
карпов, карасей и прочих
обитателей наших рек!
Клюнув в световое пятнышко, голубь получает право на несколько
зернышек из автоматической кормушки.
Электрические сигналы в
волокнах зрительного нерва лягушки.
Глаз с контактной линзой. На
стеклянном стерженьке, приваренном к
линзе, укреплена крохотная
электрическая лампочка.
Стадии развития
личинки угря.
Внизу — молодой
угорь.
Дельфин в лаборатории. Как видите, человек и дельфин довольно
дружественно «беседуют». В руках ученого микрофон.
Безэховая камера. В таких камерах звук совершенно не отражается от
стен, в них изучают различные акустические приборы, а также слух
человека и животных.
На лабораторном стенде — би-
онные протезы кисти руки.
Пальцы протезов повинуются
биотокам.
У этого человека
парализованы руки. Бионика пытается
помочь ему. Правда, это лишь
одна из самых ранних
попыток — бионные устройства,
заставляющие двигаться
парализованные руки, громоздки и
не пригодны в повседневной
жизни. Но, может быть,
пройдет не так уж много лет, и
бионика возвратит
трудоспособность людям с
парализованными конечностями.
Фотография слоев сетчатки
(в разрезе), сделанная с
помощью оптического
микроскопа. Свет на сетчатку падает
сверху и, перед тем как
попасть в палочки и колбочки —
вытянутые веретенообразные
тела, проходит через
несколько слоев специальных нервных
клеток.
Фотографии сегментов
палочки и колбочки, в
которых содержится
зрительный пигмент,
сделанные с помощью
электронного микроскопа.
Увеличение на этих
фотографиях очень
большое — десятки тысяч
раз.