Энергетический подход к эволюции мозга. RealProJoe – вся правда об истории развития человека Эволюционные изменения головного мозга человека

Если фрукты для лазящих животных легкодоступны, то получение белковой пищи дается приматам с большим трудом. В погоне за мясом современные обезьяны охотятся даже на других обезьян. А вот в «африканском раю», сложившемся 15 млн лет назад, с высококачественной белковой пищей у тогдашних приматов не было никаких проблем: икра и птичьи яйца находились почти на расстоянии вытянутой руки. Все это привело к формированию группы животных, практически выпавших из системы отбора: зачем меняться, если условия среды близки к райским? Однако, как известно, при избытке пищи животных вообще ничего не интересует, кроме размножения. Обилие еды, таким образом, усилило конкуренцию при размножении и, как следствие, стало причиной гонки за доминантность.

Мысль изреченная есть ложь

Одним из последствий сложившейся ситуации стала речь, которая, по‑видимому, зародилась как раз в «райский» период. Речь могла возникнуть как способ организации совместных действий, а начиналась, возможно, с простых звуков или, например, пения, как у современных гиббонов. Кстати, у гиббонов в мозге есть такие же поля, как и в мозге человека, и именно там у нас локализуется речь. Далее на этой базе уже возникла речь, используемая не как средство общения, а как средство имитации. Можно было впечатлить самку реальными успехами на охоте и обильной добычей, что добавляло самцу привлекательности, увеличивая шансы на передачу своего генома будущим поколениям. А можно было ей об этом просто рассказать и заполучить в ее глазах те же лавры победителя, не прилагая реальных усилий. В биологическом мире все поддерживается именно в такой пропорции: чем меньше действий и больше биологического результата — тем эффективней событие. Поэтому имитация действия с помощью речи стала бесценным качеством у архаичных антропоидов. Речь стала выгодным продуктом, и на нее начал действовать интенсивный отбор, поскольку она позволяла достигать результата в размножении. По сути дела, речь возникла как форма обмана, а обман был эффективен и тогда, и в наши дни.

На схеме отчетливо видно, что мозг австралопитека, считающегося непосредственным предком человека разумного, заметно уступал по весу и объему мозгу современной гориллы. Но уже homo erectus значительно опередил по объему мозга человекообразных обезьян: 900−1200 см 3 против 600 см 3 .

Итак, пока в райских условиях пищи хватало с лихвой, естественный отбор практически не действовал, работал разве что половой отбор, о котором говорил Дарвин. Все изменилось тогда, когда изменились места нереста водных животных, сформировавших эту переходную среду. И примерно 5 млн лет назад бедные антропоиды остались у разбитого корыта. Пища исчезла. Что унаших предков было в активе? Зубы, которые уже стали почти человеческими? Этими зубами даже ничего толком откусить нельзя. Они были гиперспециализированы под качественную и легко пережевываемую белковую пищу. Есть и другие объяснения возникновению человеческих зубов — некоторые антропологи считают, что они трансформировались тогда, когда антропоиды слезли с деревьев и ушли в полубуш, чтобы вырывать из земли и поедать корешки. Но мало того что на зубах человека нет никаких следов их якобы использования для перетирания корешков — не понятно и то, зачем было слезать с деревьев и отказываться от плодов в пользу корнеплодов.

«Халява» как наркотик

Вопреки распространенным взглядам, интеллект сам по себе в современном обществе никаких особых преимуществ не дает. Любая умственная деятельность лишь тогда приносит результаты, когда имеет под собой биологическую «подложку», три главных стимула — еда, размножение, доминантность. Без стимулов мозгу работается тяжело. Мозг является энергозависимой системой, и он настроен на то, чтобы ничего не делать. Ведь даже пока человек расслаблен, мозг, составляющий 1/50 веса тела, потребляет 9% энергии организма. Как только мы задумываемся, энергопотребление повышается до 25% энергии. Четверть от всего, что мы вдохнули, съели и выпили. Поэтому мозг поощряет безделье и получение благ без умственных затрат. Неожиданно свалившиеся деньги, ужин в ресторане за чужой счет, приятный подарок — все это наполняет нас светлой радостью. Это мозг насытил кровь серотонином — «гормоном счастья», лишь на одну аминогруппу отличающимся по химическому составу от ЛСД. Но если мы решили заработать честным интеллектуальным трудом и напрягли мозг, он проявляет недовольство и начинает вырабатывать совсем другие вещества. Они вызывают в нас раздражение, преждевременную усталость, желание срочно попить, поесть, сходить в туалет. Лень мозга может стать причиной реального расстройства кишечника. Мозг как бы говорит нам: бросай работу и займись поиском бесплатных благ.

Что там зубы — у вышедших из «рая» предков человека не было ни когтей, ни быстрых ловких ног, ни шерсти, которая исчезла, видимо, благодаря полуводной среде обитания. С таким печальным наследством большая часть антропоидов, конечно же, вымерла, но остальные стали использовать единственный свой ресурс, на который не действовал отбор, — мозг. Тут-то и началась биологическая эволюция человека.

Ишь ты какой умник!

И она пошла по очень интересному пути. Когда разные группы австралопитеков занялись поиском пищи, на них впервые стал действовать биологический отбор. И тогда они стали объединяться в большие группы и утрачивать те биологические качества, которые позволяют выживать отдельным животным. Теперь отбор благоприятствовал лишь тем, кто мог существовать в группе. Они-то и выживали, размножались и переносили геном в следующие поколения. А кто не мог — из такой группы элиминировался. Мы и сейчас видим это на примерах человеческих общностей, которые ради сохранения среднего уровня отношений отбрасывают как «корешки», так и «вершки», то есть избавляются как от социопатов, так и от самых способных и талантливых. В общностях австралопитеков этот процесс шел полным ходом, и принудительная элиминация самых буйных и самых умных привела к миграциям с прародины человечества — Африки.

Если разложить по этапам историю миграции человека из Африки, то получается следующая картинка: асоциальные и наиболее интеллектуальные особи мигрировали, создавали новую оседлую группу, и в этой оседлой группе мозг оказывался в среднем больше, чем у членов исходной группы. Затем новая группа становилась более социально стабильной, а всех, кто разрушал стабильность, — опять «вышибали», они опять мигрировали и образовывали за счет высокого полиморфизма новую группу. И при каждой следующей миграции мозг чуть-чуть увеличивался. Сначала группы «изгоев» путешествовали по Африке. Представители homo erectus уже заселили Евразию. Все это время мозг продолжал расти. Если мы посмотрим на антропогенез в той его части, где он хорошо палеонтологически и археологически представлен, то окажется, что на протяжении эволюции каждого вида гоминид мозг непрерывно увеличивался. В частности, у homo erectus он первоначально весил около 900 г, но постепенно вырос до 1200 г.

Альтруистический интеллект

Получается, что в стабильной социальной группе любых ранних и поздних гоминид действовал непреложный закон искусственного отбора. И именно в этом заключена квинтэссенция эволюции мозга человека.

Никакой эволюции и естественного отбора не хватило бы, чтобы всего за 4,5 млн лет наш мозг проделал путь от мозга шимпанзе к мозгу homo sapiens. Но если происходит селекция по социальному принципу, эволюция невероятно ускоряется. Благодаря жесточайшему внутреннему искусственному отбору.

Вот вопрос: что трудно отнять даже у любимой собаки? Конечно, вкусную еду — кусок колбасы или косточку. В животном мире пищей не принято делиться — наоборот, животные стараются отнять еду друг у друга любым способом. Украл — значит, наелся, наелся — значит, получил преимущество в размножении. В человеческом же социуме едой принято делиться. И вот, как выяснилось, нижняя часть лобной области человеческого мозга потребовалась нам для того, чтобы мы могли отказаться от пищи. Иными словами, лобная область, считающаяся морфологической основой интеллекта, исторически развивалась не для того, чтобы думать о высоком или играть в шахматы. Не было в те далекие времена ни «высокого», ни шахмат. Главной задачей этой части мозга стало торможение животных инстинктов. Ибо только делясь едой, можно было поддержать взаимодействие и общение в группе.

Зачем людям такой сложный орган как мозг и как он нам достался? Почему нам нужно так много нейронов? Разве нам не хватит, например, двадцати тысяч нервных клеток, имеющихся у улитки, которая уже много миллионов лет прекрасно выживает и адаптируется в своей среде. 6-7 миллионов лет, назад засушливый климат Земли, значительно сократил территории тропических лесов, где в основном и обитали древние приматы. Им пришлось приспосабливаться к новым условиям, к жизни в саванне. Перебежки между деревьями и кустарниками все чаще древние приматы делали на задних конечностях, чтобы осматриваться, видеть соплеменников, источники пищи или своих врагов. Около трех миллионов лет назад – это были первые шаги наших далеких предков. Скорее всего, это произошло на территории современной восточной Африки.

Примерно 500-600 тысяч лет назад они разделились на несколько линий. Одна из которых привела к неандертальскому человеку, а другая – к человеку разумному. В то же время от Африки и Европы до Месопотамии и Сибири, близкие родственники Homo Sapiens – гейдельбергский человек, Денисовский человек, Родезийский человек и другие. Каждый из них превосходил наших предков по физической силе и объему головного мозга. Чтобы выжить человеку разумному, нужно было меняться, развивать новые качества тела и психики.

Есть такие понятия – эволюция поведения и эволюция структуры мозга. Они идут в параллели. Чем сложнее , тем сложнее поведение. Если что и заставляет животных эволюционировать, так это соревнование между видами. Чтобы выжить в этой конкуренции, им нужно было отличаться как-то от других видов. И не исключено, что позволили нашему виду выжить и оккупировать планету, истребив всех остальных конкурентов.

Люди постоянно задаются одним и тем же вопросом: ? Каждый отвечает по своему, но у природы есть один простой ответ – продолжение рода. Все на что мы биологически запрограммированы – это передача генетической информации следующему поколению. Как бы мы о себе не думали, но в этом мы не отличаемся от той же улитки. Любой на земле вынужден решать три важнейшие задачи: размножение, питание и доминирование.

Если с размножением и питанием все очевидно, то, что означает доминантность? Любая особь вынуждена доказывать свое превосходство над соплеменниками, иначе соплеменники затопчут. Это возвращает нас к тому, с чего мы и начинали – к соревнованию, конкуренции. Мозг решает эти три биологические задачи на автопилоте, без нашего волевого участия. Мозг контролирует уровень гормонов в крови, которые, таким образом, реализуют наши потребности в сексе, питании и стремлении побеждать.

Например, есть области мозга, которые отвечают за совершенно конкретную ситуацию. Эти нейроны реагируют на уровень глюкозы в крови и посылают сигнал мозгу, например: нужно добыть еду. И это делается бессознательно, естественным образом, как движение руки или ноги. И этим мы похожи на современных приматов. Но почему же их предки так и остались обезьянами – мы ?

Мозг человека и мозг шимпанзе

Если бы не разница в размерах, то их почти невозможно различить. Значительная часть мозга – это структуры, так называемой, лимбической системы. Это одна из самых древних частей мозга, которая появилась еще у первых позвоночных. Лимбическая практически ни чем не отличается от своего аналога у обезьян. Зона ее ответственности – это те самые животные инстинкты: размножение, питание, доминантность. Потом появились эмоции и память.

Тонкий слой серого вещества покрывает все извилины и борозды больших полушарий головного мозга. Это новая кора – неокортекс, которая появилась еще у низших млекопитающих. У шимпанзе она уже достаточно развита, но только у человека новая кора не просто покрывает большие полушария мозга, но и значительно усложняется. Именно с развитием новой коры ученые связывают появление творческого мышления и сознания.

Гипноз и человеческий мозг

– это своего рода инструмент, который позволит нам рассмотреть механизмы некоторых психических функций человека. Как правило, эти функции связаны с работой коры больших полушарий головного мозга. Вы точно знаете, как выглядят ваши родители, друзья, коллеги по работе или просто знакомые люди. Пусть даже знаете вы их просто по фотографиям или кино. А теперь представьте, если такие знакомые лица при помощи гипноза станут вдруг для вас абсолютно чужими. Утратив даже такую способность как распознавание лиц, мы теряем и часть себя. И эта способность – заслуга нашего неокортекса.

Или, например, мы можем решать большое количество задач: логические, на пространственное и т.д. Но лиши нас этой возможности и мы не сможем разобрать даже простую головоломку.

В любой момент времени мы можем представить, что будем делать через час или через день, то есть планировать свою жизнь. Знаем как выглядит знакомый нам человек. Мы способны среди десятков предметов выбрать тот, который принадлежит нам. И это лишь малая часть того, чем мы обязаны нашему неокортексу. Что же заставило эту часть мозга увеличиться в размерах и дать нам неоспоримое преимущество пред остальными приматами?

Возможные причины увеличения человеческого мозга

Основная происходила в кронах деревьев, когда происходило развитие сенсомоторной чувствительности; наши предки воспользовались свободным обонянием и сформировали кору головного мозга. Наша кора, которой мы думаем, то есть все, что покрыто бороздами и извилинами – это как раз то место, которое произошло в прошлом из полового обоняния. Именно поэтому все наши поступки, одежда, слова, проходят через фильтр половых отношений. Это наше и наказание, и преимущество, позволяющее писать красивые стихи, но с другой стороны, не позволяющее детям учиться, замыкая их поведение на половые процессы.

До сих пор не совсем понятно, что послужило причиной резкого увеличения объемов мозга в новой коре и когда это случилось, потому что по данным палеонтологии даже у очень древних людей мозг уже довольно велик. Тем не менее, похоже, что это было какое-то достаточно взрывное изменение.

Наши наиболее продвинутые предки, очевидно жившие в условиях непростой конкуренции, вынуждены были научиться думать. Те из них, кто это делал лучше, получил шанс занять более высокое положение в сообществе и в итоге, оставить больше потомства.

Ленивый работяга мозг

Но за увеличение мозга пришлось заплатить. Наш мозг самый энергозатратный орган. При интенсивной умственной деятельности он потребляет до 25% всей энергии, хотя его масса составляет лишь два процента от общей массы тела.

Даже небольшое перенапряжение грозило организму настоящим энергетическим кризисом. Позволив себе такой дорогой мозг, организм вынужден был изменяться, избавляться от всего лишнего, чтобы потом мозг никогда не испытывал перебоев с питанием.

И думает-то только лишь для того, чтобы ничего не делать. Наш мозг устроен таким образом, что он готов напрячься на некоторое время, а потом ничего не делать, понизив энергетические расходы. Возникла задача – быстро ее решить и тут же отключиться. Для этого и создавался мозг.

Наш мозг постоянно находится в работе. Неважно спим мы или смотрим телевизор, или играем в компьютерные игры, или на экзамене пытаемся решить какую-то очень сложную задачу. Потребление энергии нашим мозгом практически постоянно. Он постоянно нуждается в потоке глюкозы и кислорода, чтобы эту глюкозу окислять. И это очень важно для мозга, когда в него постоянно поступают глюкоза и кислород. Например, есть некоторые виды других животных, в мозг которых глюкоза не поступает и они без нее и кислорода могут обойтись достаточно долгое время. А у нас нет.

Мы знаем, что если нам чуть-чуть не хватает кислорода или у нас чуть-чуть низкий уровень глюкозы, то мы можем легко потерять сознание. То есть мозг при кислородном голодании либо нехватки глюкозы практически отключается. Человеческий мозг не может голодать в отличие от других органов, которые могут накапливать и тратить ее по мере необходимости. А мозг расходует энергию прямо при ее поступлении. Любое ухудшение кровоснабжения, остановка сердца и через пять-семь минут наступают структурные изменения и мозг умирает.

Всем известно про серое и белое вещество мозга. Серое вещество мозга – это нервные клетки, нейроны. А белое – их отростки. В головном мозге серое вещество – это кора. В спинном – его сердцевина. Это то, что обеспечивает процессы восприятия, памяти, мышления и управления мышцами.

Мозг человека как главный отражатель объективного мира, как живое зеркало, является сложнейшим органом, который прошел длительный путь эволюции.

У людей мозг устроен значительно сложнее, чем у животных и его масса тоже больше. Так, если мозг обезьяны достигает 400-500 грамм, то у человека вес мозга (в среднем) - 1400 грамм. Насколько сложны функции мозга в жизнедеятельности организма, видно из того, что мозг, составляя около 2% веса тела, потребляет свыше 18% поступающего в организм кислорода. Чем выше уровень развития животного, тем большую часть веса тела составляет его мозг. Так, у кита он занимает по весу всего 1/20 000 часть тела, у слона -1/400, у обезьяны-1/100, а у человека- 1/46.

Особое значение в жизни организма имеет кора больших полушарий мозга. У человека сна состоит в среднем из 14 - 15 миллиардов нейронов. Наиболее важную роль выполняют лобные доли коры. Чем более развито животное, тем большую часть коры занимают лобные доли. Например, лобные доли кошки занимают 3%, человека - 29%.

Сравнивая строение и функции мозга животных и человека, мы можем задать вопрос: в чем же заключается особенность мозга человека? Действительно, человек не имеет такого острого зрения, как у орла, не умеем бегать так быстро, как гепард, не умеем летать, как птицы. Но крылья, зоркие глаза, быстрые ноги - это дар природы. Человеку же дано другое, гораздо большее - разум, который восполняет все, недоданное природой. Нет особой зоркости, но есть бинокль, телескоп и микроскоп, нет особой резвости - есть поезда, автомашины, мотоциклы и велосипеды, нет крыльев - есть дельтапланы, самолеты и космические корабли. Разум человека компенсирут отсутствие любых природных приспособлений, имеющихся у других животных.

Одним из наиболее интересных показателей нервной системы человека является ее изменчивость. В частности, это характерно для головного мозга человека. (Савельев С. В., 1998). Установлено, что головной мозг различается у мужчин и женщин, у различных рас, этнических групп и даже внутри одной семьи. Эти различия весьма устойчивы. Они сохраняются из поколения в поколение и могут быть важной характеристикой изменчивости мозга человека как биологического вида.

Так, вес мозга у новорожденных составляет примерно 350 г, у взрослых мужчин он равен в среднем 1400 г, а у женщин - около 1250 г. Мозг достигает максимального веса между 18 и 30 годами. Удельный вес мозга с сосудами у человека равен приблизительно 1,03.

Исследователи собрали колоссальный материал и обнаружили, что каждая раса имеет «свой» средний вес мозга: европеоидная - 1375 г, монголоидная - 1332 г, негроидная - 1244 г, австралоидная - 1185 г. Существует устойчивая весовая и анатомическая разница между мужским и женским мозгом. Вот средние показатели веса мозга характерные для Европы: мужчины - 1375 г, женщины - 1245 г.

Масса головного мозга человека непостоянна. Она меняется на протяжении всей жизни. Сразу после рождения головной мозг постепенно увеличивается. У европейцев начала XX века он достигал максимальной массы к 20-летнему возрасту. Между 20 и 50 годами масса мозга остается постоянной, а после 50 лет начинает постепенно уменьшаться. Это уменьшение составляет примерно 30 г на каждые последующие десять лет жизни. Между 50 и 85-90 годами оно может составлять 100-200 г. В настоящее время наибольшая масса головного мозга у большинства европейских народов и американцев отмечается в 25 лет. Интересно, что у японцев мозг достигает максимальной массы в период от 30 до 40 лет.

Хотя объем и вес мозга имеют некоторое значение в психической жизни индивида, но особенно важна структура мозга. Поэтому по весу мозга еще нельзя, например, судить об умственных способностях человека. Мозг некоторых выдающихся людей был значительно больше среднего веса. Так, у И. С. Тургенева он весил 2120 г, у И. П. Павлова-1653 г), а у других талантливых людей - меньше (например, у писателя Анатоля Франса мозг весил всего 1170 г).

Мозг человека прошел длительный путь эволюции и в настоящее время психологической науке известно:

о Человеческий организм является в высшей степени самоорганизующийся и саморегулирующейся системой.

о Мозг человека за свою эволюцию приобрел особое свойство - высочайшую пластичность, состоящую в умении приспосабливаться к самым разнообразным и неожиданным условиям существования,

о Благодаря высочайшей пластичности мозга истинные возможности психики, ее резервы в саморегуляции организма и состояний тела огромны.

Начиная от простейшей физиологической раздражимости , свойственной растительному миру, через способность реагировать на внешние воздействия из-за необходимости в чем-либо, в мозгу человека с помощью биохимической и генетической памяти закреплялись многочисленные связи. При эволюции человека эти связи обусловили специфическое психическое отражение, в результате которого головной мозг вначале получил свойство субъективного переживания, а затем и субъективного познания внешних воздействий.

По оценке ученых, самыми ранними переживаниями были негативные переживания организма, сигнализирующие о признаках возможной гибели организма, и позитивные, когда шли сигналы об устранении опасности. Так возникла такая форма отражения, которая сегодня называется эмоциями. Эмоция это уже не только физиологическое отражение (оно в ней непременно имеется), это уже переживание, т.е. субъективное явление.

В дальнейшем развитии с усложнением данного специфического отражения в мозгу человека появляется способность отражать мир в виде простейших образов, которые могли сигнализировать о жизненно важных явлениях внешнего мира. Так, по мнению ученых, и возникли ощущения как "субъективный образ объективного мира".

Позже у человека наряду с непосредственным отражением появляется опосредованное отражение с помощью понятий, выражаемых словами. Появляется и оперирование этими понятиями, т.е. появляется мышление.

Условно сравнивая мозг человека с достижения научно-технического прогресса можно отметить следующее. По современным данным мозг человека представляет собой сложнейшую, самообучающуюся вычислительную и одновременно аналоговую машину, работающую по генотипически обусловленным и прижизненно приобретенным программам, которые непрерывно совершенствуются под влиянием поступающей информации. Перерабатывая эту информацию, мозг человека принимает решения, дает команды и контролирует их выполнение.

Таким образом, эволюция привела к возникновению чисто человеческой формы отражения объективного мира - человеческого восприятия, чувств, памяти и воли. Ученые давно стремятся к разгадке мозга - этого удивительного феномена природы. В России существует Институт мозга, который был создан В.М.Бехтеревым. В США 90-е гг. были объявлены десятилетием мозга. Однако деятельность головного мозга еще недостаточно изучена и в настоящее время продолжаются обширные исследования по его изучению.

Нервная система живых существ в процессе эволюции прошла долгий путь от совокупности примитивных рефлексов у простейших до сложной системы анализа и синтеза информации у высших приматов. Что послужило стимулом к формированию и развитию мозга? Статья известного ученого и популяризатора науки Сергея Вячеславовича Савельева, автора книги «Происхождение мозга» (М.: ВЕДИ, 2005), представляет оригинальную теорию адаптивной эволюции нервной системы.

Растения прекрасно обходятся без нервной системы, но тем не менее их клетки могут воспринимать химические, физические и электромагнитные воздействия.

Борьба за существование между растениями в дождевом лесу Цейлона напоминает борьбу в животном мире. насекомоядные растения быстро закрывают листья при прикосновении.

От реакции одной клетки — к многоклеточному организму

Наиболее древнее свойство нервной системы простейших живых существ - способность распространять информацию о контакте с внешним миром с одной клетки на весь многоклеточный организм. Самое первое преимущество, которое дала такая примитивная нервная система многоклеточным, - это способность реагировать на внешние воздействия так же быстро, как простейшие одноклеточные.

У животных, прикрепленных к конкретному месту, - актиний, асцидий, малоподвижных моллюсков с крупными раковинами, коралловых полипов - несложные задачи: фильтрация воды и захват проплывающей мимо пищи. Поэтому нервная система таких малоподвижных организмов по сравнению с нервной системой активных животных устроена очень просто. Она в основном представляет собой небольшое окологлоточное нервное кольцо с совокупностью примитивных рефлексов. Тем не менее даже эти простые реакции протекают на несколько порядков быстрее, чем у растений такого же размера.

Свободноживущим кишечнополостным требуется более обширная нервная сеть. У них нервная система распределена почти равномерно по всему телу или по большей его части (исключение составляют скопления нервных клеток у подошвы и в области окологлоточного кольца), что обеспечивает быструю согласованную реакцию всего организма на раздражители. Равномерно распределенную нервную систему обычно называют диффузной. На различные воздействия организм таких живых существ откликается быстро, но неспецифически, то есть однотипно. Например, пресноводная гидра при любых информационных сигналах - если качнуть лист, на котором она сидит, прикоснуться к ней щетинкой или вызвать движение воды - реагирует одинаковым образом - сжимается.

Появление органов чувств

Следующим этапом в эволюции нервной системы стало появление нового качества - упреждающей адаптации. Это означает, что организм успевает подготовиться к изменению окружающей среды заранее, до непосредственного контакта с раздражителем. Для этого природа создала огромное разнообразие органов чувств, в основе работы которых лежат три механизма: химическая, физическая и электромагнитная чувствительность мембраны нервной клетки. Химическая чувствительность может быть представлена обонянием и контактным органом вкуса, осморецептором и рецептором парциального давления кислорода. Механочувствительность реализуется в виде слуха, органов боковой линии, грави- и терморецепторов. Чувствительность к электромагнитным волнам обусловлена наличием рецепторов внешних или собственных полей, светочувствительностью либо способностью воспринимать магнитные поля планеты и Солнца.

Три типа чувствительности в процессе эволюции выделились в специализированные органы, что неизбежно привело к повышению направленной чувствительности организма. Рецепторы сенсорных органов приобрели возможность воспринимать различные воздействия на расстоянии. В процессе эволюции органы чувств возникли у нематод, свободноживущих плоских и круглых червей, кишечнополостных, иглокожих и многих других примитивных живых существ. Такая организация нервной системы в стабильной среде вполне оправдывает себя. Животное недорогой ценой приобретает высокие адаптивные возможности. До тех пор, пока нет внешнего стимула, нервная система «молчит» и не требует особых расходов на свое содержание. Как только ситуация меняется, она воспринимает это органами чувств и отвечает направленной активностью эффекторных органов.

Однако с появлением упреждающей адаптации у живых существ возникли проблемы.

Во-первых, одни сигналы идут от фоторецепторов, другие - от хеморецепторов, а третьи - от рецепторов электромагнитного излучения. Как сравнить столь разнородную информацию? Сопоставить сигналы можно только при их однотипной кодировке. Универсальным кодом, позволяющим сравнивать сигналы из разных органов чувств, стал электрохимический импульс, генерирующийся в нейронах в ответ на информацию, полученную от органов чувств. Он передается с одной нервной клетки на другую за счет изменения концентрации заряженных ионов по обе стороны клеточной мембраны. Такой электрический импульс характеризуется частотой, амплитудой, модуляцией, интенсивностью, повторяемостью и некоторыми другими параметрами.

Во-вторых, сигналы от разных органов чувств должны прийти в одно и то же место, где их можно было бы сравнить, и не просто сравнить, а выбрать самый важный на данный момент, который и станет побуждением к действию. Это реально осуществить в таком устройстве, где были бы представлены все органы чувств. Для сравнения сигналов от разных органов чувств необходимо скопление тел нервных клеток, которые отвечают за восприятие информации различной природы. Такие скопления, называемые ганглиями или узлами, появляются у беспозвоночных. В узлах располагаются чувствительные нейроны или их отростки, что позволяет клеткам получать информацию с периферии тела.

Но вся эта система бесполезна без управления ответами на сигналы - сокращением или расслаблением мышц, выбросом различных физиологически активных веществ. Для осуществления функций как сравнения, так и управления у хордовых возникает головной и спинной мозг.

Формирование памяти

В постоянно меняющихся условиях окружающей среды простых адаптивных реакций становится недостаточно. К счастью, изменения среды подчиняются неким физическим и планетарным законам. Сделать адекватный поведенческий выбор в нестабильной среде можно, только сравнивая разнородные сигналы с аналогичными сигналами, полученными ранее. Поэтому в процессе эволюции организм вынужден был приобрести еще одно важное преимущество - возможность сравнивать информацию во времени, как бы оценивая опыт предыдущей жизни. Это новое свойство нервной системы называется памятью.

В нервной системе объем памяти определяется числом нервных клеток, вовлекаемых в процесс запоминания. Чтобы запомнить хоть что-то, надо иметь примерно 100 компактно расположенных нейронов, как у актиний. Их память краткосрочна, неустойчива, но эффективна. Если собрать актиний и поместить в аквариум, то все они воспроизведут предыдущую природную ориентацию. Следовательно, каждая особь помнит, в каком направлении «смотрело» ее ротовое отверстие. Еще более сложное поведение актинии обнаружили в экспериментах по обучению. К одним и тем же щупальцам этих животных в течение 5 дней прикладывали несъедобные кусочки бумаги. Актинии сначала отправляли их в рот, проглатывали, а потом выбрасывали. Через 5 дней они перестали есть бумагу. Затем исследователи стали прикладывать бумажки к другим щупальцам. На этот раз животные прекратили поедание бумаги значительно быстрее, чем в первом эксперименте. Этот навык сохранялся в течение 6-10 дней. Такие эксперименты демонстрируют принципиальные отличия животных, обладающих памятью, от существ, не имеющих никаких способов сохранять информацию о внешнем мире и о себе.

Нервная система после выхода позвоночных на сушу

Роль нервной системы стала особенно значительной после выхода позвоночных на сушу, который поставил бывших первичноводных в крайне сложную ситуацию. Они прекрасно приспособились к жизни в водной среде, которая мало походила на наземные условия обитания. Новые требования к нервной системе были продиктованы низким сопротивлением среды, увеличением массы тела, хорошим распространением в воздухе запахов, звуков и электромагнитных волн. Гравитационное поле предъявило крайне жесткие требования к системе соматических рецепторов и к вестибулярному аппарату. Если в воде упасть невозможно, то на поверхности Земли такие неприятности неизбежны. На границе сред сформировались специфические органы движения - конечности. Резкое повышение требований к координации работы мускулатуры тела привело к интенсивному развитию сенсомоторных отделов спинного, заднего и продолговатого мозга. Дыхание в воздушной среде, изменение водно-солевого баланса и механизмов пищеварения обусловили развитие специфических систем контроля этих функций со стороны мозга и периферической нервной системы.

Важные эволюционные события, приводящие к смене среды обитания, требовали качественных изменений в нервной системе.

Первым событием такого рода стало возникновение хордовых, вторым — выход позвоночных на сушу, третьим — формирование ассоциативного отдела мозга у архаичных рептилий.

Возникновение мозга птиц нельзя считать принципиальным эволюционным событием, а вот млекопитающие пошли намного дальше рептилий — ассоциативный центр стал выполнять функции контроля за работой сенсорных систем. Способность к прогнозированию событий стала для млекопитающих инструментом доминирования на планете.

А-Г — происхождение хордовых в илистых мелководьях;
Д-Ж — выход на сушу;
З,П — возникновение амфибий и рептилий;
К-Н — формирование птиц в водной среде;
П-Т — появление млекопитающих в кронах деревьев;
И-О — специализация рептилий.

В результате возросла общая масса периферической нервной системы за счет иннервации конечностей, формирования кожной чувствительности и черепно-мозговых нервов, контроля над органами дыхания. Кроме того, произошло увеличение размеров управляющего центра периферической нервной системы - спинного мозга. Сформировались специальные спинномозговые утолщения и специализированные центры управления движениями конечностей в заднем и продолговатом мозге. У крупных динозавров эти отделы превысили размеры головного мозга. Важно и то, что сам головной мозг стал крупнее. Увеличение его размеров вызвано повышением представительства в мозге анализаторов различных типов. В первую очередь это моторные, сенсомоторные, зрительные, слуховые и обонятельные центры. Дальнейшее развитие получила система связей между различными отделами мозга. Они стали основой для быстрого сравнения информации, поступающей от специализированных анализаторов. Параллельно развились внутренний рецепторный комплекс и сложный эффекторный аппарат. Для синхронизации управления рецепторами, сложной мускулатурой и внутренними органами в процессе эволюции на базе различных отделов мозга возникли ассоциативные центры.

Энергопотребление нервной системы

Насколько новые функции нервной системы окупают затраты на ее содержание? Этот вопрос является ключевым в понимании направления и основных путей эволюции нервной системы животных.

Обладатели развитой нервной системы столкнулись с неожиданными проблемами. Память обременительна. Ее надо поддерживать, «бесполезно» тратя энергию организма. Ведь воспоминание о каком-либо явлении может пригодиться, а может и никогда не понадобиться. Следовательно, роскошная возможность что-либо запоминать - удел энергетически состоятельных животных, животных с высокой скоростью обмена веществ. Но обойтись без нее нельзя - она нужна существам, активно адаптирующимся к внешней среде, использующим разные органы чувств, хранящим и сравнивающим свой индивидуальный опыт.

С появлением теплокровности требования к нервной системе еще более возросли. Любое повышение скорости метаболизма приводит к увеличению потребления пищи. Совершенствование приемов добывания пищи и постоянная экономия энергии - актуальные условия выживания животного с высоким метаболизмом. Для этого необходим мозг с развитой памятью и механизмами принятия быстрых и адекватных решений. Активная жизнь должна регулироваться еще более активным мозгом. Мозгу необходимо работать с заметным опережением складывающейся ситуации, от этого зависят выживание и успех конкретного вида. Однако повышение метаболизма мозга приводит к неизбежному возрастанию затрат на его содержание. Возникает замкнутый круг: теплокровность требует усиления обмена веществ, которое может быть достигнуто только повышением метаболизма нервной системы.

Энергетические издержки большого мозга

По устоявшейся, но необъяснимой традиции под размерами нервной системы понимают массу головного мозга. Относительную его массу вычисляют как отношение массы мозга к массе тела. «Рекордсменом» по величине относительного размера мозга считается колибри. Масса ее мозга составляет 1/12 массы тела. Для птиц и млекопитающих это рекордное отношение. Оно выше только у новорожденного ребенка - 1/7. Относительные массы головных ганглиев пчелы и муравья сопоставимы с относительными размерами головного мозга оленя, а одиночной осы - с мозгом льва... Следовательно, несмотря на общепринятые представления, относительную массу мозга нельзя рассматривать в качестве параметра для оценки интеллекта.

Исходя из величины относительной массы мозга обычно определяют и долю энергетических затрат, приходящуюся на «содержание» нервной системы. Однако в этих подсчетах, как правило, остается неучтенной масса спинного мозга, периферических ганглиев и нервов. Тем не менее все эти компоненты нервной системы, так же как и мозг, потребляют кислород и питательные вещества, а общая масса спинного мозга и периферической нервной системы может существенно превышать массу головного мозга.

На самом деле общий баланс энергетических затрат на функционирование нервной системы складывается из нескольких компонентов. Помимо мозга постоянно в активном состоянии находятся все периферические отделы, поддерживающие тонус мускулатуры, контролирующие дыхание, пищеварение, кровообращение и т. д. Понятно, что отключение одной из таких систем приведет к гибели организма. Нагрузка на эти системы постоянна, но нестабильна. Она меняется в зависимости от поведения. Если животное потребляет пищу, то активность пищеварительной системы возрастает и расходы на содержание ее нервного аппарата увеличиваются. Аналогично повышаются расходы на иннервацию и контроль за скелетной мускулатурой, если животное находится в активном движении. Однако различие между этими энергозатратами в активном состоянии и состоянии покоя относительно невелико, так как тонус мускулатуры или активность кишечника организм вынужден поддерживать постоянно.

Головной мозг тоже активен всегда. Память - это динамический процесс передачи нервного импульса с одного нейрона на другой. Поддержание как наследуемой (видоспецифической), так и приобретенной памяти крайне энергозатратно. Многие органы чувств работают, постоянно воспринимая и обрабатывая проходящий сигнал из внешней среды, что тоже требует непрерывного расходования энергии. Но все же потребление энергии мозгом в разных физиологических состояниях сильно различается. Если животное находится в состоянии относительного покоя, то мозг потребляет минимальное количество энергии. Если животное активно добывает пищу, пытается избежать опасности или находится в брачном периоде, затраты организма на содержание мозга существенно увеличиваются. Сытая и сонная львица затрачивает на содержание своего мозга намного меньше энергии, чем голодная во время охоты.

Энергетические затраты на содержание мозга различаются у животных разных систематических групп. Например, для первичноводных позвоночных характерны относительно небольшой головной, но высокоразвитый спинной мозг и периферическая нервная система. У ланцетника головной мозг не имеет четкой анатомической границы со спинным и идентифицируется только по топологическому положению и цитологическим особенностям строения. У круглоротых, хрящевых, лопастеперых, лучеперых и костистых рыб головной мозг невелик по сравнению с размерами тела. В этих группах доминирует периферическая нервная система. Она, как правило, в несколько десятков, а то и в сотни раз больше головного и спинного мозга вместе взятого. Например, у акул-нянек при массе тела около 20 кг головной мозг весит только 7-9 г, спинной - 15-20 г, а вся периферическая нервная система, по приблизительным оценкам, весит около 250-300 г, то есть головной мозг составляет только 3% массы всей нервной системы. Такой маленький мозг даже в состоянии высокой активности не может существенно повлиять на изменение энергетических затрат. Следовательно, бo"льшую часть энергетических расходов в нервной системе рыб можно считать постоянной. За счет этого они легко осуществляют мобилизацию организма при смене форм поведения. Избегание опасности, поиск добычи, преследование конкурирующей особи происходят в любой последовательности, прекращаются и начинаются почти мгновенно. Все, кто содержал аквариумных рыбок, много раз наблюдали подобные ситуации.

Для теплокровных животных с относительно большим мозгом становится критичным размер тела. Маленьким «головастикам» без высококалорийного интенсивного питания просто не обойтись. Мелкие насекомоядные съедают ежедневно огромное количество пищи. Бурозубка ежедневно потребляет в несколько раз больше массы собственного тела. Обильно питание мелких летучих мышей и птиц. У более крупных млекопитающих отношение масса нервной системы /масса тела увеличивается в пользу тела.Вместе с уменьшением относительных размеров нервной системы снижается и доля потребляемой ею энергии. В связи с этим крупное животное с большим мозгом находится в более благоприятном положении, чем небольшое.

Энергетические затраты на содержание мозга становятся ограничителем интеллектуальной активности для мелких животных. Допустим, что американский крот-скалепус решил попользоваться своим мозгом так же интенсивно, как приматы или человек. Крот массой 40 г обладает головным мозгом массой 1,2 г и спинным мозгом вместе с периферической нервной системой массой примерно 0,9 г. Имея нервную систему, составляющую более 5% массы тела, крот затрачивает на ее содержание около 30% всех энергетических ресурсов организма. Если он задумается над решением шахматной задачи, то расходы его организма на содержание мозга удвоятся, а сам крот моментально погибнет от голода. Мозгу крота потребуется столько энергии, что возникнут неразрешимые проблемы со скоростью получения кислорода и доставки компонентов обмена веществ из желудочно-кишечного тракта. Появятся трудности с выведением продуктов метаболизма нервной системы и ее охлаждением. Таким образом, мелким насекомоядным и грызунам не суждено стать шахматистами.

Однако даже при небольшом увеличении размеров тела возникает качественно иная ситуация. Серая крыса (Rattus rattus ) обладает нервной системой массой примерно 1/60 массы тела. Этого уже достаточно, чтобы достигнуть заметного снижения относительного метаболизма мозга. И активность, основанная на опыте животного, для крыс несопоставима с таковой у кротов и землероек.

У многих небольших животных с относительно большим мозгом возник механизм защиты организма от перерасхода энергии - торпидность, или впадание на несколько часов в спячку. Мелкие теплокровные вообще могут находиться в двух основных состояниях: гиперактивности и спячки. Промежуточное состояние малоэффективно, поскольку энергетические расходы не компенсируются поступающей пищей.

В физиологии крупных млекопитающих торпидность невозможна, но все же крупные теплокровные тоже различными способами защищают себя от повышенных энергозатрат. Всем известна длительная зимняя псевдоспячка медведей, которая позволяет не расходовать энергию во время неблагоприятного для добычи пищи периода. В отношении экономии энергии еще более показательно поведение кошачьих. Львы, гепарды, тигры и пантеры, как и домашние кошки, основное время проводят в полудреме. Подсчитано, что кошачьи около 80% времени неактивны, а 20% тратят на поиск добычи, размножение и выяснение внутривидовых отношений. Но у них даже спячка не означает почти полной остановки жизненных процессов, как у небольших млекопитающих, амфибий и рептилий.

Питание и развитие мозга

Из каких источников берет энергию мозг? Если у любого млекопитающего потребление кислорода мозгом становится меньше 12,6 л/(кг·ч), наступает смерть. При уменьшении количества кислорода мозг может сохранять активность только 10-15 секунд. Через 30-120 секунд угасает рефлекторная активность, а спустя 5-6 минут начинается гибель нейронов. Собственных кислородных ресурсов у нервной ткани практически нет. Тем не менее совершенно неверно связывать интенсивность метаболизма мозга с общим потреблением кислорода. Энергетические затраты на содержание мозга складываются еще и из потребления питательных веществ, а также из поддержания водно-солевого баланса. Мозг получает кислород, воду с растворами электролитов и питательные вещества по законам, не имеющим никакого отношения к интенсивности метаболизма других органов. К примеру, у землеройки потребление кислорода составляет 7,4 л/ч, а у слона - 0,07 л/ч на 1 кг массы тела. Тем не менее величины потребления всех «расходных» компонентов не могут быть ниже определенного уровня, который обеспечивает функциональную активность мозга.

Стабильное снабжение мозга кислородом достигается в разных систематических группах за счет различий в скорости кровотока. Скорость кровотока зависит от частоты сердечных сокращений, интенсивности дыхания и потребления пищи. Чем меньше плотность капиллярной сети в ткани, тем выше должна быть скорость кровотока для обеспечения необходимого притока в мозг кислорода и питательных веществ.

Сведения о плотности расположения капилляров в головном мозге животных весьма отрывочны. Однако существует общая тенденция, показывающая эволюционное развитие капиллярной сети мозга. У прудовой лягушки длина капилляров в 1 мм 3 ткани мозга составляет около 160 мм, у цельноголовой хрящевой рыбы - 500, у акулы - 100, у амбистомы - 90, у черепахи - 350, у гаттерии - 100, у землеройки - 400, у мыши - 700, у крысы - 900, у кролика - 600, у кошки и собаки - 900, а у приматов - 1200-1400 мм. Надо учесть, что при сокращении длины капилляров площадь их контакта с нервной тканью уменьшается в геометрической прогрессии. Поэтому для сохранения минимального уровня снабжения мозга кислородом у землеройки сердце должно сокращаться в несколько раз чаще, чем у приматов: у человека эта величина составляет 60-90, а у землеройки - 130-450 ударов в минуту. Кроме того, масса сердца человека составляет около 4%, а землеройки - 14% массы всего тела.

Итак, нервная система млекопитающих в процессе эволюции стала крайне «дорогим» органом. Расходы на содержание мозга млекопитающих сопоставимы с расходами на содержание мозга человека, на которые в неактивном состоянии приходится примерно 8-10% энергетических затрат всего организма. Мозг человека составляет 1/50 массы тела, а потребляет 1/10 всей энергии - в 5 раз больше, чем любой другой орган. Прибавим расходы на содержание спинного мозга и периферической системы и получим: около 15% энергии всего организма в соcтоянии покоя расходуется на поддержание активности нервной системы. По самым скромным оценкам, энергетические затраты только головного мозга в активном состоянии возрастают более чем в 2 раза. Учитывая общее повышение активности периферической нервной системы и спинного мозга, можно уверенно сказать, что около 25-30% всех расходов организма человека приходится на содержание нервной системы.

Чем меньше времени мозг работает в интенсивном режиме, тем дешевле обходится его содержание. Минимизация времени интенсивного режима работы нервной системы в основном достигается большим набором врожденных, инстинктивных программ поведения, которые хранятся в мозге как набор инструкций. В целях экономии энергии мозг почти не используется для принятия решений, основанных на личном опыте животного. Парадокс заключается в том, что в результате эволюции был создан инструмент для реализации самых сложных механизмов поведения, но энергоемкость такой суперсовершенной нервной системы оказалась очень высокой, поэтому все млекопитающие инстинктивно стараются использовать мозг как можно реже.