Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

• Название: Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
• Автор: Гэвин Претор-Пинни
• Издательство: Лайвбук
• Жанр: Физика
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-904584-33-7

Приготовьтесь: вас ждет кругосветное путешествие по всевозможным волнам: от серферских океанических до мозговых, радио-, микро-, инфракрасных, акустических, световых и многих прочих.

Претор-Пинни предлагает нам заново взглянуть на наш постоянно взволнованный мир.

---

Движение напоминает скручивание в трех плоскостях, совмещаемое со «змейкой». В то время как змея совершает боковые волнообразные движения, само ее тело извивается мелкими волнами вверх-вниз. Сочетая вертикальные и горизонтальные волны, змея грациозно передвигается, уподобляясь ввинчивающемуся штопору. В любой момент движения она касается поверхности только в двух-трех точках, что бывает очень кстати, когда песок сильно нагревается. Змея, перемещающаяся таким способом, двигается под непрямым углом по отношению к направлению своего движения; при этом она оставляет на песке отчетливый след — косые параллельные полосы с крючками на конце. Из всех движений змеи это — самое примечательное. Такое проявление поперечных волн в животном мире можно отнести к наиболее вычурным.

Многие виды змей умеют еще и плавать, хотя в воде им вроде бы и отталкиваться-то не от чего. Но они одновременно с боковой «змейкой» прибегают к другому виду скручивания — так плавают угреобразные. Водный способ передвижения имеет несколько важных отличий от способа наземного. К примеру, волновые колебания расширяются к хвосту змеи. Другими словами, амплитуда волн возрастает по мере того, как они проходят через змеиное тело — получается, что хвост извивается гораздо быстрее, чем голова. Поскольку змее в воде не от чего отталкиваться, волны проходят через ее тело со скоростью, заметно превышающую скорость продвижения змеи вперед.

Морские змеи, живущие в теплой воде прибрежных районов Индийского и Тихого океанов, отлично плавают. Если вам доведется наткнуться на такую змею во время купания, лучше изменить направление движения на прямо противоположное, улепетывая любым доступным вам способом, потому как морские змеи — одни из самых ядовитых. Поначалу обитая на суше, они затем приспособились к жизни в воде. У всех морских змей плоский хвост, некоторые змеи — например двухцветная пеламида — обладают туловищем, высота которого чуть больше ширины. Такие особенности строения способствуют лучшему передвижению в воде. Морские змеи — единственный вид змей, замеченный в исполнении эффектного маневра, напоминающего танцевальное движение Майкла Джексона — они поворачивают в воде вспять, совершая туловищем волнообразные движения от хвоста к голове. Но в каком бы направлении эти волновые колебания ни шли, они принимают форму поперечных волн.

Кстати, не только змеи находят такой способ плавания удобным. Угри, миноги и миксины передвигаются в воде так же — через их тела, от головы к хвосту, проходят волны, толкающие их вперед. Скаты совершают волнообразные движения крыльями: иногда это изящные, широкие взмахи, в других случаях — серии быстро пробегающей волновой ряби.

Скат волнообразно двигает крыльями вверх-вниз, а не из стороны в сторону, но, тем не менее, это все те же поперечные волны. Рыбы же в большинстве своем производят волнообразные движения из стороны в сторону при помощи мышечных сокращений хвоста, за счет чего и плывут. Водные млекопитающие — киты, дельфины, морские котики — обычно молотят хвостом вверх-вниз; русалки наверняка тоже.

Независимо от типа волновых движений — из стороны в сторону или вверх-вниз — волны остаются поперечными, поскольку перпендикулярны направлению распространения волны.

* * *

Итак, волны в теле человека распространяются без его над ними сознательного контроля. Но что можно сказать о самом сознательном контроле? Участвуют ли волны в работе не только тела, но и разума (эти две категории — тело и разум — Рене Декарт четко разделял), играют ли какую-либо роль в мыслительном процессе?

Безусловно — работа вашего мозга не обходится без участия волн. Но это не волновые сокращения мышц, а крошечные, длящиеся всего долю секунды электрохимические реакции — импульсация нейронов.

Хорошо известно, что информация от органов чувств в мозг передается проходящими по нервной системе электрическими импульсами. Однако движение это двустороннее — мозг, в свою очередь, посылает сигналы через нервную систему, контролируя деятельность мышц и желез. Нервная система состоит из групп особых клеток, называемых нейронами; каждый нейрон обладает длинным отростком — аксоном, который с одной стороны связан с телом клетки, а с другой разветвляется на дендриты. Каждое ответвление ведет к соседнему нейрону или другой клетке; место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал иной клеткой называется синапсом. Чаще всего аксоны не достигают в длину и миллиметра, однако порой могут довольно сильно вытягиваться, например, в седалищном нерве, который задействуется при вытягивании ноги. Сигналы передаются от нейрона к нейрону в виде электрохимической волны.

Представьте проходящий через нейрон импульс как волну от всплеска на воде, двигающуюся по узкому руслу ручья. И стенки аксона, и берега ручья выступают в качестве волноводов — направляют импульсы по заданному маршруту. Может показаться, что волны этих двух типов ничем друг от друга не отличаются. Однако импульсы, без которых невозможно распространение сигналов по всему телу, представляют собой не физические колебания, а изменение напряжения в результате химических реакций в нейронах.

Но эти электрические волны характеризуют действие не только нейронов нервной системы, посылающих импульсы мозгу и получающих его команды, но и нейронов самого мозга. Ваш мозг, будучи средоточием центральной нервной системы, представляет собой сложную сеть нейронов, каждый из которых является волноводом, проводящим электрохимические импульсы из одного конца в другой.

Правда, существуют и гораздо менее осязаемые мозговые волны. Это не связи между нейронами, а полосы активности, проходящие через широкие области мозга — точь-в-точь волны, бегущие по пшеничному полю в ветреный день. Полосы активности представляют собой не импульсацию нейронов, а ее предварительную фазу.

Когда нейрон деполяризуется, вероятность его импульсации увеличивается. Возникает ассоциация с перевозбужденным человеком, который вот-вот сорвется на крик. В ходе исследований возникло предположение: работа мозга млекопитающих в определенной мере зависит от проходящих через мозг волн возбуждения.{21} Волны проходят через участок мозга, приводя нейроны этого участка в состояние, близкое к импульсации. Можно сравнить это с волнами оживления, пробегающими среди публики в концертном зале перед появлением на сцене музыкальной группы: каждый готов крикнуть музыкантам слова приветствия, выбросить в воздух руку, задвигаться в танце…

Но почему волны деполяризации возникают в мозгу животных? И как испускаемые возбужденными нейронами волны выглядят?

* * *

Поразительный факт: нейробиологи могут наблюдать эти волны, которые, проходя через совсем небольшие участки мозга при вскрытом черепе подопытного животного под анестезией, вызывают изменение цвета. Волны становятся видимыми благодаря контрастному веществу. Контрастное вещество вступает в связь с нейронами и меняет оттенок в зависимости от потенциала поля — электрической величины, демонстрирующей степень готовности нейронов к импульсации. Это контрастное вещество и делает видимыми волны возбуждения, распространяющиеся по поверхности мозга. Высокая скорость волн фиксируется цифровой камерой, которая регистрирует изменение оттенка контрастного вещества на области мозга шириной около 3 мм (череп животного при этом вскрыт). Само контрастное вещество используют уже более тридцати лет, однако фотографическое оборудование только недавно достигло такого уровня чувствительности, при котором стало возможным изучение движения волн. Оказывается, волны, распространяясь через мозговую ткань, принимают уже знакомые нам формы.

«В результате наблюдений мы пришли к выводу, что по своей форме волны делятся на два основных типа», — пояснил профессор У Цзяньюн из Медицинского центра Джорджтаунского университета в Вашингтоне. Он использовал контрастное вещество для изучения мозговых волн крыс. «Первый тип — круговая волна, второй — вращающаяся, или спиральная, волна».

Погодите! Разве не эти же волны, распространяясь по мышечной ткани сердца, вызывали аритмию? Похоже, в случае с мозговой тканью они не представляют опасности, уж слишком они слабы. Более того, профессор У считает, что волны этих двух типов лежат в основе мозговой деятельности млекопитающих. Волны были замечены на поверхности многих областей неокортекса — внешнего слоя мозга животных. Неокортекс участвует в высшей деятельности головного мозга, например в обработке информации, поступающей от органов чувств, в движении тела, мышлении и, если речь идет о человеке, в использовании языка.

«Волны наблюдались в ходе реализации почти всех корковых процессов, что было выявлено посредством картирования с использованием потенциалчувствительных меток», — рассказал мне профессор У. Эти волны могут распространяться по поверхности неокортекса самых разных животных: черепах, морских свинок, саламандр, обезьян… Они проявляются у высших животных при воздействии на органы обоняния, слуха, зрения или при соприкосновении с вибриссами.