I. КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА

Некоторые новые идеи в биологических науках

Проктор Л. Д. (Lome D. Proctor)

Моя тема - новые идеи в биологических науках - довольно широка. С тех самых пор, как человек появился на Земле, основу его исследовательского, изыскательского подхода к окружающему составляли биологические науки; ведь даже в человеческом инстинкте заложено стремление к поиску средств выживания. Современные биологические идеи базируются на открытиях многих исследователей прошлого, в особенности же на результатах, полученных учеными, которые работают в наш век - век освоения подводного и аэрокосмического пространств. Это они заложили фундамент тех областей экологии, которые ставят своей целью поддержание жизни в космосе, под водой и в пределах земной атмосферы. Далее я часто буду ссылаться на работы именно этих ученых.

Круг интересующих нас вопросов включает экологию - науку о взаимоотношениях организма с окружающей его средой; в настоящее время основным направлением экологии является исследование возможностей создания пригодной для человека атмосферы в таких неблагоприятных условиях, которые существуют на Луне, Марсе, в океанских глубинах и т. д. Наиболее важную проблему представляют кислород, углекислый газ и инертные газы, и вопрос о смеси этих газов наиболее эффективного состава в соответствующим образом изолированной экологической системе привлекал и продолжает привлекать особое внимание исследователей. Несомненно, к концу этого столетия будут найдены эффективные методы получения кислорода, обеспечивающие снабжение им экологической системы космонавта, а также способы удаления накапливающегося углекислого газа, так что эта проблема применительно к космическим полетам будет успешно решена.

К 2001 г. мы должны будем решить проблемы, связанные с присутствием в атмосфере примесей малой концентрации или их следов (например, проблему смога), ибо уже сейчас известно, какие коварные последствия может иметь их воздействие на физиологические процессы. Недавно Шеффер из ВМС США сообщил об интересном исследовании влияния 5%-ной примеси углекислого газа в замкнутой атмосфере: уже через несколько дней после начала опыта значительно изменялся баланс электролитов испытуемых, причем восстановить этот баланс удавалось лишь после того, как они были возвращены в нормальные атмосферные условия на уровне моря и оставались там в течение нескольких недель. При содержании углекислого газа в атмосфере до 1 % нарушений баланса электролитов не наблюдалось. Изменения баланса электролитов во времени были незначительны, и тем не менее результаты подобных исследований еще больше подчеркивают важность обеспечения "идеального воздуха" для человека. Очевидно, в течение ближайших 35 лет биологические науки позволят "оздоровить" атмосферу и создать для космонавта замкнутую систему, которая, несомненно, обеспечит ему даже более благоприятные условия, чем условия жизни обитателей современных городов с улучшенной атмосферой. Такая замкнутая система обслуживания космонавта уже сегодня обладает определенной способностью к регенерации и предусматривает использование "отработанных" продуктов. В течение ближайших 5 - 10 лет подобные процессы удастся сделать намного более эффективными, и к 2001 г. наш дыхательный цикл удовлетворит самого придирчивого инженера.

Системы ассенизации и удаления различных отходов к тому времени вряд ли будут иметь что-либо общее с современными весьма примитивными и неэффективными процессами очистки. Моча будет подвергаться специальной переработке, конечный продукт которой по качеству будет превосходить обычную городскую водопроводную воду, а твердые отходы и мусор не будут занимать столь заметное место в космической капсуле. Я полагаю, эти чудесные превращения будут осуществлены за счет затрат энергии; технические детали относятся к компетенции наших инженеров.

Что касается невесомости, то вплоть до сегодняшнего дня она не представляла неразрешимой проблемы.

Наши коллеги терапевты уже сейчас обладают совершенными средствами получения ежеминутной информации о характеристиках дыхания, частоте пульса, электрокардиограмме, артериальном давлении космонавтов и т. д. Я убежден, что еще до конца этого столетия станет осуществимым автоматический анализ выдыхаемого воздуха, а также мочи и крови и результаты этого анализа будут передаваться на наземные станции, где будет производиться немедленная их обработка совместно с данными о работе сердечно-сосудистой и дыхательной систем для определения состояния здоровья космонавта.

Чтобы сузить тему и вернуться к неврологии, в которой я наиболее компетентен, упомяну о надвигающейся эре системного подхода в биологических науках. В устах представителя медицинской профессии даже намек на то, что мы нуждаемся в помощи инженеров, звучит почти как ересь, но такая помощь нам действительно необходима. В свете идей системного подхода многие явления из области нейрофизиологии и нейрохимии (пионерами в этих областях можно считать, например, Эйди, МакКаллока, Раймонда, Грейбайла, Хайдена и др.) наверняка должны найти свое место в биологических науках.

Сначала - о самом важном. Первостепенное значение, очевидно, имеет вопрос о воздействии на сознание наших космонавтов. Необходимы оценка этого состояния и управление им. Для оценки состояния сознания космонавта, несомненно, будут использованы интракраниальные или экстракраниальные измерения потенциалов и (или) импеданса тканей мозга. Наша сегодняшняя "примитивная" электроэнцефалографическая методика будет казаться "доисторической" в 2001 г. Отведения с электродами, устанавливаемыми на коже головы, которые, без сомнения, причинили много беспокойства экипажу космического корабля "Джемини", будут заменены эффективными "контактными поверхностями", непосредственно связанными с телеметрическим блоком "вафельного" типа. Аналоговые выходные сигналы этого блока будут передаваться на вход специальной вычислительной машины или блока аналого-цифрового преобразователя и вычислительной машины, которые обеспечат надежный анализ "сигналов мозга" в реальном масштабе времени с запаздыванием выдачи результатов всего на несколько минут; таким образом, система позволит определять состояние сознания космонавта и предсказывать его потенциальные способности к выполнению задания в данный Момент и в течение следующего часа или нескольких часов полета.

Методы электрической и фармакологической стимуляции достигнут к 2001 г. такого совершенства, что обеспечат возможность поддержания состояния сознания, требуемого для выполнения определенных функций. С другой стороны, с помощью информации, поступающей от мозга космонавта, можно управлять отдыхом, сном или даже переходом к состоянию гибернации определенного типа - ведь в планируемом полете к Марсу продолжительность полета в прямом и обратном направлении составит более 400 суток! По-видимому, к тому времени психо-фармакологические препараты или методы электрической стимуляции центров мозга предоставят нам возможность управлять сознанием в широком диапазоне его состояний: от одного крайнего состояния - гибернации, или длительной дисассоциации (нарушение ассоциативной деятельности мозга), для предотвращения скуки (это состояние может продолжаться сутками или неделями, причем космонавт сохраняет способность принимать пищу и воду, отправлять естественные потребности и т.д.), до другого крайнего состояния, когда в результате стимуляции космонавт приобретает способности, превышающие обычный уровень.

Высказанные идеи, возможно, звучат фантастически, однако многочисленные результаты электрической стимуляции или инъекций биохимических веществ в область ретикулярной и лимбической систем, а также в гипоталамус приматов свидетельствуют о том, что уже в настоящее время эти методы позволяют в значительной степени управлять поведением животных. Дельгадо, Френч, Грин, Хис, Клейн, Маклин, Олдс, Проктор и многие другие показали на приматах и других животных, что стимуляцией соответствующих центров в мозгу можно вызвать различные изменения в поведении. Стимуляция соответствующего центра мозга обезьяны приводит ее в состояние дисассоциации, так что обезьяна совершенно перестает обращать внимание на своего смертельного врага - змею. Стимуляция других центров мозга вызывает обычное сексуальное поведение или же какие-либо странные отклонения от него; известны также центры, стимуляция которых заставляет животное выполнять задание, которому оно обучено (например, нажимать на педаль), до полного изнеможения, если стимуляция вызывает чувство удовольствия, или, наоборот, избегать прикосновений к педали, если стимулируется центр "наказания". Стимуляция ретикулярной системы среднего мозга обезьяны при определенных параметрах приводит к нарушению ее способности выполнять действие, которому она была обучена, а изменение параметров воздействия (например, только частоты) вызывает непроизвольную двигательную активность. При стимуляции лимбической системы этого же животного возникает явление апраксии, когда животное может взять пищу в рот, но не в состоянии проглотить ее. Стимуляция определенных областей гипоталамуса или ретикулярной формации повергает животное в состояние чрезвычайно сильного страха, причем животное так страдает, что начинает грызть свои передние лапы, если его не удерживать от этого. Соответствующая стимуляция ретикулярной системы среднего мозга или гипоталамуса вызывает ступор или сон, а при изменении параметров стимула сон переходит в кому. Электронаркоз, применяемый в психиатрии в течение последних 15 лет, представляет собой простейшую форму этой процедуры. Я указал лишь некоторые из возможных вариантов изменения поведения, которые были уже осуществлены путем стимуляции соответствующих центров мозга. Усовершенствование этих методов в течение следующих 35 лет может вооружить нас мощными средствами управления поведением человека.

Мне хотелось бы подчеркнуть, что управление сознанием нельзя рассматривать как монополию нейрофизиологов и нейрохимиков; в изучение этой сложной системы обязательно должны внести свой вклад и эндокринологи, ибо метаболизм является неотъемлемой частью физиологических процессов в живом организме. Вряд ли удастся без вреда для здоровья поддерживать в течение длительного времени состояние деформированного сознания без обеспечения соответствующего эндокринного баланса. Я уверен, что к 2001 г. наши эндокринологи будут идти в ногу со специалистами в других отраслях биологических наук. Что касается метаболизма, то к 2001 г. мы должны будем отыскать способы воздействия на наши биологические часы (циркадный ритм). В настоящее время этой проблеме придают весьма большое значение в деловых кругах: после трансокеанского путешествия бизнесменам предоставляют по крайней мере 48 часов отдыха, прежде чем привлечь их к участию в важных совещаниях. Некоторым людям этого времени едва хватает на перенастройку биологических часов. Нет нужды напоминать, что правительственные должностные лица постоянно бывают переутомлены на почве расстройства циркадного ритма вследствие частых и длительных поездок.

Механизм, управляющий сознанием, состоит из нескольких систем. В нормальных условиях мы имеем идеальный пример автоматически регулируемого биологического механизма с обратной связью, сохраняющей ясное и ненарушенное сознание, и можем надеяться, что любой способ управления, который мы будем использовать для поддержания жизни, обеспечит сохранение свойств автоматического регулирования, присущих этой системе. Таким образом, делая прогноз развития биологических наук к 2001 г., приходится признать необходимость глубокого осмысления биокибернетического аспекта сознания и способностей к решению поставленных задач.

Как было указано выше, в опытах на обезьянах стимуляция ретикулярной системы мозга (имеющей как возбуждающие, так и тормозные компоненты) приводила к состоянию заторможенности или оцепенения. При других условиях стимуляции, определяемых типом стимула и размерами стимулируемой области ретикулярной формации, можно вызвать различную степень "настороженности", вплоть до панического состояния. Следовательно, нетрудно представить себе соответствующую стимуляцию ретикулярной формации космонавта, вызывающую "сверхнастороженность", когда такое состояние потребуется для выполнения специальных заданий. По-видимому, имеются возможности такой стимуляции областей лимбической системы, при которой повышается способность человека решать совокупность стоящих перед ним задач эффективнее и с более устойчивыми качественными характеристиками, чем при так называемых нормальных условиях. Подобным же образом можно будет оказывать помощь кандидатам в космонавты при выполнении ими учебных программ, активизируя их систему памяти (согласно исследованиям Эйди она находится в височных долях мозга) электрическими или фармакологическими воздействиями, так чтобы они могли запоминать необходимые образы (обучение) и быстро извлекать эти энграмы из памяти при выполнении сложного задания или при необходимости принять решение в какой-либо сложной ситуации.

Другое важное направление в интересующей нас области - использование двигательного устройства с автоматическим управлением для воспроизведения движений космонавта в незнакомых условиях невесомости или изучения других сложных двигательных задач. Сейчас уже созданы автоматические искусственные конечности, приводимые в действие миогенными импульсами, и осталось сделать не очень большой шаг для разработки программной механической системы, которая имитировала бы движения, необходимые для наиболее эффективной ходьбы на Луне. Эту механическую систему можно было бы запрограммировать таким образом, чтобы она корректировала неудачные удары при игре в гольф. Будучи прикрепленным к телу, это приспособление (с соответствующей обратной связью) будет направлять движения при ударе. Можно надеяться, что в будущем наши профессиональные игроки в гольф охотно примут участие в программировании такого устройства.

Сейчас перед нами стоит нерешенная проблема стимуляции мозговых центров человека без проникновения в полость черепа, но, несомненно, к концу столетия или несколько раньше мы будем располагать источником энергии в легко концентрируемой и хорошо поддающейся управлению форме, например некоторой разновидностью лазерного луча, а также надежным стереотаксическим прибором для фокусировки соответствующего импульса на требуемом участке мозга.

Другая область нейрофизиологии, заслуживающая рассмотрения и представляющая собой типичное биокибернетическое явление, - изучение ориентации в пространстве, которая связана с деятельностью вестибулярного аппарата и мозжечка, со зрением и синхронизированными движениями глаз, с работой слуховой и других сенсорных систем и т. д. Можно предположить, что к 2001 г. при помощи фармакологических или иных воздействий на вестибулярный аппарат человека, либо специальных ингибиторных воздействий на элементы этого аппарата мы научимся устранять двигательные расстройства еще эффективнее, чем сегодня излечивать слабую головную боль. Наше представление о положении тела в пространстве - собственно ориентации - более сложная проблема, но и она поддается решению методами биокибернетики. Вероятно, при помощи этих методов в течение следующих 35 лет удастся решить эту проблему, подавая на вход системы ориентации человека сигналы управления от электронного "гироскопа". Такой "гироскоп" мог бы осуществлять модуляцию совокупности импульсов, поступающих в ретикулярную формацию мозга, предотвращая тем самым влияние помех на этот сканирующий механизм и работу высших центров мозга, например таламуса, лимбической системы, четверохолмия и коры. В этой области предстоит еще многое исследовать, и идеальным средством для решения указанной проблемы является моделирование нейронных сетей с использованием элементов вычислительных машин.

Перейдем теперь к фундаментальным элементам ЖИВЫХ организмов: к клеткам и наконец к молекулярным структурам. За последние несколько лет Хайден, Шмитт и другие ученые пополнили наши знания о функциях клеток центральной нервной системы, так что все яснее становится действие электрических и фармакологических стимулов с точки зрения их влияния на кортикальные, интрацеребральные и интерстициальные клеточные области мозга. Таким образом, к 2001 г. у нас будет гораздо больше сведений о том, как управлять работой элементов центральной нервной системы, и мы получим возможность при помощи специфических режимов стимуляции (электрической или фармакологической) интегрировать их и создавать системы, используемые для поддержания жизни космонавта.

Ученые продолжают углубляться в эти более фундаментальные области исследования и с помощью нейрохимии разгадывают тайны функционирования физиологических систем на молекулярном уровне. Примером могут служить замечательные успехи, достигнутые в изучении роли РНК (рибонуклеиновой кислоты) и ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) в наследственности, в работе механизмов запоминания и обучения, а также в изучении молекулярных механизмов вирусной инфекции (выяснена как структура вирусов, так и структура антител к ним).

Дезоксирибонуклеиновая кислота - чрезвычайно сложное высокомолекулярное вещество, выполняющее в организме роль матрицы. При помощи особого фермента - полимеразы рибонуклеиновой кислоты - на ДНК-матрице синтезируется информационная рибонуклеиновая кислота, переносящая информацию, необходимую для синтеза белка, к рибосомам, т.е. к тем органеллам клетки, которые этот синтез осуществляют. Функция ДНК и РНК может изменяться под влиянием некоторых белков и других макромолекулярных веществ. Как указывает Шмитт [1], клетка может синтезировать белок, обладающий сродством к ее собственной ДНК, что служит прекрасным примером "регуляторного механизма с отрицательной обратной связью, с помощью которого при необходимости подавляется дальнейшее считывание информации с определенных участков ДНК".

Итак, нам известен тот биологический инструмент, который играет основную роль в наследственности. Остается только найти средства для специфического изменения ДНК и РНК; возможно, путем присоединения других макромолекулярных белков либо путем метилирования, ацетилирования и других методов изменения отдельных частей этих сложных биохимических структур удастся детерминировать различные физические и психологические аспекты личности. Очевидно, многое предстоит еще сделать для того, чтобы выяснить точное местоположение генов, ответственных за многочисленные физические и психологические признаки организмов.

Недавно [2] был поднят вопрос о возможности передачи результатов обучения путем инъекции РНК, меченной Р³², от обученных животных необученным (опыты проводились на мышах). Имеется уже большой материал, полученный в опытах с плоскими червями, который свидетельствует о возможности передачи способности выполнять определенное задание, если необученных червей кормить кусками обученных.

Изменения в структуре РНК височных долей мозга, возникающие при запоминании энграм по сравнению с ее структурой при извлечении этих энграм из памяти, наряду с продемонстрированным Эди изменением направления электрического тока в этих мозговых тканях при переходе от одного из указанных режимов работы к другому подсказывает нам возможность управления процессами запоминания информации и извлечения ее из памяти. Представим себе то огромное количество комбинаций и перестановок, которые возможны для макромолекул типа ДНК с их сложной структурой! Число возможных вариантов исчисляется миллиардами; поэтому не приходится удивляться тому, что их переносчик - информационная РНК - может служить многочисленным целям.

Недавно полученные данные [3] говорят о том, что ДНК играет определенную роль в возникновении метастазов. Вообразите себе те преимущества, которые мы получили бы, если бы смогли тем или иным способом создавать молекулы РНК со специфической структурой, так чтобы эта РНК могла воздействовать на центры синтеза гетерогенных дегенерировавших нейронов, активируя нейрон (нервную клетку) и обеспечивая образование макромолекулярных белков, необходимых для восстановления его нормальной функции. Вот уж действительно - у нас в руках настоящий джин, но нам нужно только суметь стать его хозяевами!

На протяжении последующих 35 лет мы, очевидно, столкнемся с проблемой, насколько желательно участие инженеров в решении вопроса о том, каков должен быть новый тип человека. После 2001 г. космонавт станет превращаться в человека, сделанного на заказ как по своим физическим, так и психическим свойствам; однако для завершения этого процесса может потребоваться время, равное продолжительности жизни нескольких поколений. Единственные инфекционные заболевания, которые в наше время действительно представляют угрозу для человечества, - это болезни, вызываемые вирусными инфекциями; несомненно, в будущем химическое строение вирусов будет изменено путем присоединения к их сложной структуре соответствующих "хвостов" и при помощи "изготовленных на заказ" антител, так что вирусы станут сравнительно безвредными.

Да, мы действительно получили привилегию жить в такой век, когда результаты технического прогресса за последние 50 лет превосходят достижения в развитии техники за всю предшествующую ее историю. Но любая привилегия сопряжена с ответственностью, поэтому задумаемся о возможностях, которыми мы будем располагать в области биологических наук к 2001 г. Мы научимся генетическим путем воздействовать на физическое и психическое развитие наших кандидатов в космонавты, а также повышать их способности в решении таких двигательных и психологических задач, которые в настоящее время находятся за пределами нормальных человеческих возможностей. В условиях, когда один человек осуществляет такое управление поведением себе подобного, совершенно необходимы какие-то новые концепции человеческих взаимоотношений. Сегодня у большинства из нас не слишком большую симпатию вызывают "богоподобные" личности. Но я искренне надеюсь, что в течение последующих 35 лет нам удастся установить некое адекватное соотношение между техникой и философией, что позволит воспользоваться открывающимися перед нами возможностями управления "качеством" человека при помощи новых мощных средств. Перед человечеством откроется возможность совершать межпланетные путешествия; у него появится больше средств для разрушения собственной цивилизации, но вместе с тем впервые за всю свою историю человечество, быть может, найдет силы использовать новые знания для укрепления самодисциплины, так что нас не постигнет участь Древнего Египта, Греции или Рима, пришедших в упадок из-за несоответствия между уровнями их техники и философии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Schmitt F. О., The Physical Basis of Life and Learning, ' Science, 149, 932. 1965.

2. Luttges M. et al., An Examination of Transfer of Learning by Nucleic Acid, Science, 151, 834, 1966.

3. Bendich A., Wilczok Т., Borenfreund E., Circulating DNA as a Possible Factor in Oncogenesis, Science, 148, 374, 1965.

Далее...