Федеральне державне освітня установа вищої професійної освіти "Омський державний аграрний університет"
Інститут економіки і фінансів
РЕФЕРАТ
з дисципліни: "Концепції сучасного природознавства"
на тему: "Пристрій пам'яті. Відтворення і передачі інформації в організмі"
Виконала:
студентка групи 15
Оспанова С. С.
Перевірив: викладач КСЕ
Сказалова М. М.
Омськ 2010
ЗМІСТ
Пристрій пам'яті. Відтворення і передачі інформації в організмі
Фізичні процеси передачі інформаційного сигналу в живому організмі
Фізична основа пам'яті
Людський мозок і комп'ютер
Використана література
1. ПРИСТРІЙ ПАМ'ЯТІ. ВІДТВОРЕННЯ І ПЕРЕДАЧА ІНФОРМАЦІЇ В ОРГАНІЗМІ
Якщо якусь із наших здібностей можна вважати найбільш вражаючою, я назвала б пам'ять. У її могутність, провалів, сталості є щось відверто незбагненне, ніж у будь-якому з наших дарів. Пам'ять іноді така чіпка, послужлива, слухняна, а інший раз така плутана і слабка, а ще в іншу пору така деспотична, нам не підвладна! Ми, звичайно, у всіх відносинах диво, але право ж, наша здатність згадувати й забувати здається мені зовсім незрозумілою.
Джейн Остін
Природа пам'яті є однією з найзагадковіших і найважливіших проблем сучасної біології і з нею тісно пов'язані проблеми діяльності мозку, будови нервової системи, збереження і передачі інформації в живому організмі, а також проблеми навчання.
Пам'ять - найдовговічніша з наших здібностей, вона визначає нашу індивідуальність і змушує діяти тим чи іншим способом в більшій мірі, ніж будь-яка інша особливість нашої особистості. Для кожного з нас пам'ять унікальна. Вона дозволяє усвідомлювати людині себе та інших людей особистостями. Тому, втративши пом'яти, людина втрачає своє "я" і перестає існувати саме як людина. По суті, наше життя є шлях від пережитого минулого до невідомого майбутнього через сьогодення. Наше існування в цьому пов'язане з минулим, це продовження минулого і формується ним завдяки наявності пам'яті. Як зазначав С. Роуз, "саме пам'ять рятує минуле від забуття, не дає йому стати таким же незбагненним, як майбутнє". Тому пам'ять визначається "стрілою часу", додає спрямованість ходу часу і в цьому сенсі пов'язана і з фізикою, синергетикою, історією, геологією, біологією, навіть з розвитком людської мови і в цілому з еволюцією життя.
2. ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЙНОГО СИГНАЛУ В ЖИВОМУ ОРГАНІЗМІ
Розглянемо трохи докладніше нервову систему людини у зв'язку з проблемою пам'яті. Головна функція нервової системи полягає в переробці і передачі інформації від рецепторів органів чуття через центральну нервову систему до органів-виконавців - ефекторами. Вона складається з нейронів, синапсів і нервів. Синапси - це з'єднання між нейронами, а нерви - це пучки відростків багатьох нейронів, свого роду багатожильні кабелі, які здійснюють координацію функцій організму і опосередковує його реакцію на різноманітні впливи. Кожен нейрон має тіло і відростки - аксони й дендрити.
Аксон - це довгий відросток, який проводить сигнали від тіла нервової клітини, а дендрит - у напрямку до нейрона, тобто аксони передають вихідні сигнали, а дендрити - вхідні. У кожного нейрона є один аксон. Функціональною одиницею нервової системи є моносинаптичних рефлекторна дуга - нервова ланцюг, утворена двома нейронами. Стимул у вигляді електричного імпульсу передається за такою дузі і дає однозначну рефлективний ("автоматичний") відповідь. Проте одна рефлекторна дуга може взаємодіяти з іншого, що призводить до великої різноманітності відповідей. Схема такої дуги проста: рецептор - нейрон - ефектор (наприклад, м'яз). Вся система працює як дверний дзвінок: натискаємо на кнопку, і лунає дзвінок. Однак більш реальна інша аналогія - спочатку сигнал потрапить на пульт (мозок), і там вирішується питання, кому той сигнал призначений.
Як же здійснюється освіта і проходження нервового імпульсу по нейронах і синапсах? Цей процес зумовлений наявністю електричних зарядів на зовнішніх клітинних мембранах, що є загальною особливістю живих клітин. Нервовий імпульс являє собою хвилю деполяризації, що поширюється по аксону від тіла клітини до нервового закінчення. У кожній клітці збудженому мембрани аксона до того, як до неї дійде хвиля деполяризації, є потенціал (~ 70 мВ). Такий заряд, що створює мембранний потенціал спокою, обумовлений присутністю у внутрішньо-та позаклітинної рідини різних заряджених іонів, зокрема 
, , Їх нерівномірним розподілом по різних сторонах мембрани і виборчої проникністю мембрани. Коли з зовнішнього середовища потрапляють іони натрію, відбувається швидке (близько 1 мкс) стрибок мембранного потенціалу від -70 до + (20-40) мВ.
Такий стрибок називається потенціалом дії. Зміна потенціалу від -70 мВ до нуля призводить до повної деполяризації, і потім виникає зворотна за знаком поляризація мембрани. Позитивні іони переходять у клітку, і потенціал мембрани стає біля +40 мВ в максимумі. Таким чином, надходження в клітину іонів натрію призводить до деполяризації мембрани і виникнення потенціалу дії, який і поширюється по аксону у вигляді хвилі від тіла клітини до її вихідної синапсу. Потенціал дії, у свою чергу, служить сигналом для вивільнення в синаптичну щілину нейромедіатора, що викликає реакцію іншого нейрона. Коли надходження іонів натрію припиняється, вони виводяться назовні і встановлюється початкова різниця потенціалів. Здатність генерувати потенціал дії - унікальна властивість таких збудливих клітин, як нейрони. Причому це може бути електрична, хімічна і механічна стимуляція, в результаті чого властивості мембрани в місці подразнення швидко змінюються.
Нервова система хребетних складається з центральної (ЦНС) і периферичної (ПНС). У ЦНС відбувається переробка сигналів, і вона складається з головного і спинного мозку. ПНС, як випливає з її назви, здійснює передачу сигналів на периферії, від органів почуттів до залоз, м'язам і т.д. У тварин в основному ПНС.
Нервова система у вищих тварин розвинулася поступово із дифузійної нервової системи, де в певних ділянках нейрони стали концентруватися і врешті-решт утворили центральну нервову систему - головний і спинний мозок. Первісна структура ЦНС - нервовий тяж, що йде уздовж тіла. Передня частина його розширюється, утворюючи головний мозок (цей процес називається цефалізаціей, від грецького "Кефалос" - голова), а задня частина стає спинним мозком. Найважливіша частина головного мозку - два великих півкулі, праве і ліве. Серед найважливіших функцій мозку - його здатність до переробки сенсорних даних, здатність до формування загальних абстрактних понять, тобто категоризація і пам'ять.
3. ФІЗИЧНА ОСНОВА ПАМ'ЯТІ
Фізичною основою пам'яті і здатністю до навчання служать зміни ефективності нейронів і синаптичних зв'язків між ними при повторній стимуляції. Однак система пам'яті людського мозку відрізняється від двійкової системи пам'яті комп'ютера: елементи інформації витягуються не за допомогою звернення до постійного адресою їх зберігання - адресу можна змінювати в залежності від асоціації ідей, які є свого роду голограмами інформації. У комп'ютері кожна зберігається в його пам'яті одиниця інформації має свій певний адресу - код, який потрібно знати для її вилучення.
Біологічна пам'ять теж використовує адреси, але варіює їх залежно від асоціацій думок, мінливих у різних людей в різний час. Отже, зміни в мозку при отриманні і переробці інформації в процесі навчання або запам'ятовування, "сліди пам'яті", або, як їх назвав канадський психолог Д. Хебб, енграми, носять не локалізований, а розподілений характер. Вони - не в окремих "комірках пам'яті", а представлені у вигляді деяких станів системи мозку. Тому при пошкодженнях або руйнування окремих ділянок мозку зберігається в пам'яті інформація зазвичай не втрачається зовсім, хоча і витяг її стає менш ефективним.
Таким чином, людська пам'ять не представима моделлю комп'ютера. Вона закодована в 10 млрд. нервових клітин, що утворюють наш мозок, і трильйонах зв'язків між ними - синапсів. Число нейронів в мозку будь-якої людини втричі більше, ніж число жителів Землі, а якщо врахувати кількість синапсів (близько ), То їх більше в 100 тис. разів, в порівнянні з чисельністю населення в усьому світі. Припустивши освіту одного синапсу в секунду, можна порахувати, що буде потрібно від 3 до 30 млн. років, щоб закінчити підрахунок. Як сказав С. Роуз, "цього цілком достатньо, щоб зберігати спогади про всього минулого життя ...".
Структурні зміни в нервовій системі (зростання відростків в нейронах, виникнення нових зв'язків і лавинний характер передачі інформації через нейрони) дають можливість навчання та зберігання "слідів пам'яті". Зміни в поведінці, що виникають в результаті досвіду, розвиваються на основі навчання і запам'ятовування і можуть бути закріплені на структурному рівні. Відзначимо також, що й на цьому рівні реалізується принцип оптимальності інформації в умовах дефіциту енергії шляхом самоорганізації.
Повертаючись до процесів утворення слідів в пам'яті, можна припустити, що вони є живими процесами, які змінюються і наповнюються новим змістом кожен раз, коли ми їх оживляємо. Ефективність цього процесу виникнення енграм визначається "посиленням" роботи синапсів. Схематично це виглядає так: якщо два нейрони, з'єднані синапсом, схильні до одночасної стимуляції, то синапс стає "сильніший за" і легше передає сигнал від одного нейрона до іншого. Якщо синапс стане більш сильним, стимуляція тільки одного нейрона викличе розряд і в іншому, між ними встановиться асоціативний зв'язок. Таке спрощене уявлення, тим не менше, дозволяє зрозуміти, чому активація якимось стимулом одного нейрона може викликати в пам'яті щось інше, представлене активністю іншого нейрона.
Зараз встановлено, що існують дві форми пам'яті - лабільна короткочасна пам'ять і постійна довготривала пам'ять. Короткочасна - це така пам'ять, в якій сліди з'являються відразу ж, вона залежить від електричної активності нейронів мозку, і якщо активність переривається, то сліди зникають. Через деякий час сліди можуть перейти в довгострокову пам'ять, відділ, так би мовити, тривалого зберігання. Тут вже інформація не втрачається після припинення електричної активності нейронів. Вона тепер закріплена в нервових зв'язках і може зберігатися довго, іноді все життя. "Спогади - це інформація, закодована в нейронах" (К. Баулс).
Існує ще поділ на ейдетичних (образну), зрілу, словесну, зорову пам'ять про недавньому і давно минулому, процеси впізнавання і спогади. Але залишимо це психологам і нейробіологам.
Можна провести поділ пам'яті ще на дві форми, що дозволяють розрізнити пам'ять людини і тварин. Із повсякденного життя нам добре відомо, що наші домашні тварини, собаки і кішки, ведуть себе так, як ніби мають пам'ять. Собаки дізнаються своїх господарів і відрізняють від незнайомих людей. Кішки, навчившись відкривати двері, "запам'ятовують" це на все життя і постійно користуються своїм вмінням. Це - пам'ять, пов'язана з придбанням навичок, умовних рефлексів, що запам'ятовуються реакцій на навколишнє середовище і вимагають відповідної дії, так би мовити, пам'ять дії, моторна пам'ять. Вона називається процедурної пам'яттю і виявляється у людини у вигляді навичок руху (біг, плавання, лижі, велосипед і т.д.).
Проте людині властива і декларативна абстрактна пам'ять, пам'ять на назву, якої немає у тварин. Це розходження пов'язане з відмінностями пристроїв мозку тварин і людини. Мозок тварин не здатний до утворення абстрактних понять і відтворення у своїй голові ідеально відсутньої ситуації. Є, тим не менш, деякі експериментальні спостереження, що свідчать про зачатки пам'яті у тварин, схожою на пам'ять людини. Так, вовк, що біжить по один бік паркану і хто хоче схопити зайця, тікає від нього по інший бік паркану, не намагається пролізти в щілини паркану, а "розуміє", що можна піймати зайця, коли паркан закінчиться, і біжить саме до кінця паркану. Інакше влаштований мозок людини, здатний до узагальнення зовнішніх даних, утворення абстрактних понять і відтворення ідеальних ситуацій, а не просто прямому сприйняттю навколишньої ситуації. Зауважимо також, що чим ближче перебувають організми за рівнем свого розвитку, тим повніше може бути передача станів від одного до іншого. Саме з цієї причини утруднена передача станів за допомогою мови між людиною і тваринами.
З фізичної ж точки зору можливість передачі станів через код по нервовій системі - це важливий фактор, який об'єднує компоненти високоорганізованих систем, і на вищих рівнях організації, відіграє ту ж роль, що хімічний зв'язок на атомному рівні. Розкриття механізмів пам'яті ще далеко не закінчено. Можна, наприклад, виділити ще три форми біологічної пам'яті: генетичну, відкриття та розшифровку якої здійснила молекулярна біологія; звичайну, яка є функцією мозку; імунологічну.
Що стосується "звичайної" пам'яті, то вона виявляється у топографічній схемі зв'язків між нейронами і в динаміці нейронної системи. "Освоєння" мозком отриманої інформації має супроводжуватися зміною електричної активності нейронів, з'єднаних зміненими синапсами. Розуміння пам'яті можливо на шляху дослідження мозку як цілої системи, що само, в якій поступово відбуваються організація порядку з хаосу і зворотні переходи від порядку до хаосу. Для цього розуміння необхідно об'єднати в холістичного підходу різні методи пізнання людського організму: морфологію, що описує зміни в просторі; біохімію, що описує склад на молекулярному рівні; фізіологію, динамічно описує зміни в часі.
4. ЛЮДСЬКИЙ МОЗОК І КОМП'ЮТЕР
Порівняння людського мозку з електронним комп'ютером неспроможне ще по двом обставинам. По-перше, мозок у порівнянні з детермінованою пам'яттю комп'ютера не є закритою системою. Мозок людини, як і його організм у цілому, являє собою відкриту систему, сформовану власною історією і що знаходиться в безперервній взаємодії з природної та громадської навколишнім середовищем, яка змінює її, а й сама система при цьому піддається зміні. Мозок має здатність змінювати свою структуру, фізичні, хімічні та фізіологічні процеси, свою реакцію в результаті набуття досвіду і випадкових обставин у процесі розвитку. Недетермінірованності на рівні нейронів і синапсів людського мозку в порівнянні з комп'ютером показує, що розуміння роботи мозку і розуму лежить не в аналізі роботи окремих його елементів, реакції яких непередбачувані за своєю природою, а в сприйнятті їх на рівні цілого. Свідомість, розум, пам'ять виникають як властивості мозку в цілому, а не як властивості окремих його компонентів.
По-друге, ми вже знаємо, що в процесі життя кожна клітина багаторазово замінюється, одні гинуть, народжуються нові, рвуться старі зв'язки між ними і встановлюються нові, причому це відбувається мільйони разів. І при цьому всеосяжну самоорганізованих процесів, який і складає істота біологічного життя, пам'ять зберігається. Хіба можна уявити комп'ютерну пам'ять при постійній зміні людиною деталей комп'ютера? Людська ж пам'ять, пов'язана зі структурами його мозку і що відбуваються в ньому процесами, зберігається так само, як зберігаються форми тіла, незважаючи на безперервний кругообіг його молекулярних компонентів.
На закінчення наведемо ще один приклад відмінності комп'ютерної пам'яті від людської. Комп'ютер пам'ятає інформацію у вигляді дискретної цифрової послідовності. Людина ж запам'ятовує інформацію за змістом. Причому сенс увазі динамічну взаємодію між мозком людини та інформацією. Це процес, який не зводиться до кількості інформації. Виходить, що мозок людини працює не з інформацією в комп'ютерному розумінні цього слова, а зі змістом або значенням. А значення - це історично сформоване поняття, воно знаходить вираження в процесі взаємодії людини з природним і соціальним середовищем. Комп'ютер же просто (і швидко) перебирає всілякі логічні варіанти, але не розуміє і не оцінює їх за змістом.
5. Використана література
Горбачов В.В. Концепції сучасного природознавства. У 2 ч.: Навчальний посібник. - М.: Видавництво МГУП, 2000