Космонавт и робот
Без указателя тяжести
На Земле человек обычно не задумывается над тем, как отыскать «верх» или «низ». Это вещи само собой разумеющиеся. А в космосе? Уже К. Э. Циолковский предполагал, что состояние невесомости изменит восприятие окружающего пространства. В 1911 году он писал: «Верха и низа в ракете, собственно, нет, потому что нет относительной тяжести, и оставленное без опоры тело ни к какой стенке ракеты не стремится, но субъективные ощущения верха и низа все-таки останутся. Мы чувствуем верх и низ, только места их меняются с переменою направления нашего тела в пространстве. В стороне, где наша голова, мы видим верх, а где ноги — низ. Так, если мы обращены головой к нашей планете, она нам представляется в высоте; обращаемся к ней ногами, мы погружаем ее в бездну, потому что она кажется нам внизу. Картина грандиозная и на первый раз страшная; потом привыкаешь и на самом деле теряешь понятие о верхе и низе».
Чтобы понять, как будет ориентироваться космонавт в состоянии невесомости (хотя и кратковременной), ставили такой эксперимент. Космонавт сидел в задней кабине двухместного реактивного самолета, пристегнувшись ремнями к креслу. На участке полета, когда возникала невесомость, летчик накренял машину на 60–65 градусов, а космонавт по радиопереговорному устройству сообщал о своих впечатлениях. И оказалось, что, если глаза открыты, космонавты ориентируются безошибочно; при закрытых же глазах у всех возникали иллюзии: никто не мог точно определить, какой маневр выполнял самолет. Владимир Комаров, например, отмечал: «Пространственная ориентировка затруднялась при выполнении летчиком „горки“ с креном; мне казалось, что мы летим вертикально вверх».
Почему же это происходит?
О положении тела относительно плоскости Земли и о том, как располагаются различные предметы по отношению друг к другу и к самому человеку, сообщают органы чувств — «воспринимающие приборы», направленные как во внешний мир (экстерорецепторы), так и внутрь организма (интерорецепторы).
Зрение, мышцы, суставы, кожа, вестибулярный аппарат — все они передают информацию в мозг, который благодаря этому и позволяет правильно воспринимать пространство.
Одним из основных органов чувств, участвующих в ориентации, является вестибулярный анализатор. Это единая система, состоящая из периферийного воспринимающего аппарата, проводящих нервов и центральной части с ядрами в стволовом отделе мозга и участком клеток в коре полушарий. Воспринимающий аппарат, в свою очередь, подразделяется на полукружные каналы и отолитовый прибор, размещающиеся в височной кости. Три полукружных канала расположены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и заполнены жидкостью — эндолимфой. У начала каждого канальца имеются «кисточки» чувствительных окончаний вестибулярного нерва.
В 1878 году известный петербургский физиолог Е. П. Цион впервые объяснил значение полукружных каналов в формировании человеческих представлений о пространстве.
«Полукружные каналы, — писал он, — суть периферические органы пространственного чувства, то есть ощущения, вызываемые раздражением нервных окончаний в ампулах, служат для образования наших понятий о трех измерениях пространства».
Механизм этих раздражений связан с законами инерции. Когда голова неподвижна или вместе с телом перемещается прямолинейно и равномерно, эндолимфа остается относительно нее неподвижной. Но если голову повернуть или наклонить, жидкость в соответствующих канальцах начинает давить в сторону, противоположную повороту или наклону. Это вызывает раздражение окончаний вестибулярного нерва, и определенная информация поступает в мозг в виде нервных импульсов.
Отолитовый прибор — это, по существу, гравиторецептор, приспособленный для передачи в мозг информации в основном при изменении силы тяжести. Принцип его действия довольно прост. Дно небольшого мешочка покрыто нервными чувствительными клетками, снабженными волосками, на которых в студенистой жидкости как бы лежат кристаллики солей кальция — отолиты. Под действием силы тяжести они давят на окончания вестибулярного нерва. Естественно, при быстром подъеме или спуске давление это меняется. Какие при этом ощущения — хорошо известно людям, пользующимся скоростными лифтами.
Как отолитовый прибор помогает ориентироваться животным, когда меняется направление силы тяжести, показали следующие опыты. Из полости отолитового прибора маленького речного рачка извлекались песчинки — отолиты и заменялись железными опилками. Животное после этого сохраняло правильную ориентацию в пространстве и плавало, как всегда, спинкой вверх. Но стоило экспериментатору поднести магнит, моментально рачок изменял «позу» — в зависимости от силовых линий магнитного поля. Если магнит подносился сверху, рачок переворачивался спинкой вниз, а если сбоку — переворачивался на бок.
Вестибулярный анализатор тесно связан с органами зрения. Если долго кружиться на одном месте, а затем остановиться, человеку покажется в течение какого-то времени, что мир вращается вокруг него. В свою очередь, органы зрения тоже влияют на вестибулярный анализатор.
Однажды летчику предложили посмотреть панорамный кинофильм. Но усадили его в кресло с неустойчивой опорой, на котором до начала сеанса он свободно балансировал, не теряя равновесия. Начался просмотр, и «зритель» чувствовал себя уверенно и спокойно, когда появившийся на экране самолет летел в горизонтальном полете. Но едва самолет накренился и стал выполнять сложные маневры, равновесие летчика быстро нарушилось, и он «завалился» вместе с креслом. Известно также, что некоторые люди, увидев на киноэкране, как раскачивается корабль на волнах, начинают испытывать чувство укачивания, вплоть до тошноты.
Чтобы узнать, изменяется ли информация от полукружных каналов при невесомости, в самолете-лаборатории тоже установили вращающееся кресло. При горизонтальном полете космонавту завязывали глаза и предлагали определить, на сколько градусов повернется кресло, в котором он сидит. То же повторялось и при невесомости. В последнем случае ошибок было гораздо больше.
Сила земного притяжения сыграла определенную роль не только в формировании опорного скелета и мускулатуры живых существ, но и в развитии так называемого «мышечно-суставного чувства» (проприоцептивной чувствительности). Как показал И. М. Сеченов, выполнение любого строго направленного двигательного акта было бы невозможно при закрытых глазах без мышечно-суставных ощущений, или, говоря языком кибернетики, без обратной связи. Информация, поступающая от мышечно-суставного аппарата, который поддерживает тело в определенной позе, дает возможность человеку представить свое положение относительно плоскости Земли.
Немаловажную информацию дает и осязание. В вертикальном положении соответствующие сигналы идут от кожи ступней, в горизонтальном — от кожи спины, и т. д.
«Указателем» направления силы тяжести также являются рецепторы, находящиеся в стенках кровеносных сосудов и воспринимающие давление крови. Если, скажем, человек стоит, то кровь, стремясь вниз, вызывает большее напряжение стенок сосудов нижних конечностей. И тут же в мозг поступают соответствующие сведения.
В условиях невесомости ни один из органов чувств, кроме зрения, не дает полной и точной информации о положении тела в пространстве. Это и понятно: ведь все известные нам рецепторы формировались под воздействием лишь земных факторов, и только глаз развился под прямым влиянием космоса. С. И. Вавилов образно назвал человеческий глаз «солнечным» в том смысле, что он создан, помимо всего прочего, благодаря приспособлению организма к жизненно важным для него световым лучам, идущим из космоса. Именно зрительные ощущения и восприятия стали опорой теоретического мышления в исследованиях вселенной задолго до космических полетов.
Становится понятным, почему космонавты, закрывая глаза, неправильно представляли себе положение самолета. В условиях невесомости отолитовый аппарат либо вообще переставал давать нужную информацию, либо, что еще хуже, снабжал мозг ошибочными сведениями. И тогда у человека появлялись пространственные иллюзии.
