Феномен мозга. Тайны 100 миллиардов нейронов

Зачем нужен мозг?

Самые примитивные животные прекрасно обходятся без мозга. Не будем даже про одноклеточных, но вот медуза или земляной червь мозга вполне определенно не имеют. Какими были пятьсот миллионов лет назад, такими и остались. Для некоторых людей неизменность таких примитивных форм – огромное преимущество. Люди существуют совсем «недавно» – порядка полутора миллионов лет, и вон сколько с нами проблем! А эти живут и не тужат.

Но разберемся – так ли уж и не тужат? После шторма море выбрасывает на берег сотни тонн водорослей. Гибнут десятки миллионов крохотных безмозглых существ. Тот же самый шторм выбросит на берег 200–300 рыб: существ, у которых уже есть головной мозг и вовсе не такой уж примитивный. Одновременно погибает несколько морских птиц. Изредка и далеко не каждый шторм несет гибель 1–2 китам и дельфинам.

А люди? В прессе сообщается что-то типа: «трое людей получили легкие ранения». Даже самые жестокие циклоны редко приводят к гибели людей. А если приводят – гибнет буквально несколько человек. А водоросли и медузы (морские жители!) погибают сотнями миллионов.

Подводное землетрясение в Индийском океане, произошедшее 26 декабря 2004 года, стало причиной цунами, признанного самым смертоносным стихийным бедствием в современной истории. Это второе или третье по силе землетрясение за всю историю наблюдения.

Эпицентр землетрясения находился в Индийском океане, возле северо-западного берега острова Суматры (Индонезия). Высота волн, хлынувших на берега Индонезии, Шри-Ланки, юга Индии, Таиланда и других стран Индийского океана, превышала 15 метров.

По разным оценкам, погибло от 225 тыс. до 300 тыс. человек. Полностью число погибших вряд ли когда-либо станет известно, потому что множество тел было унесено водой в море. Треть погибших – дети до 15 лет.

Страшная катастрофа! Одна из самых страшных за всю историю человечества. Но эта же катастрофа погубила миллионы рыб, птиц, мелких морских и наземных зверюшек. Это при том, что цунами хлынуло на берега, плотно заселенные людьми, где животных осталось очень мало.

Если говорить об организмах, у которых вообще нет мозга, то число погубленных цунами высших растений исчисляется сотнями миллионов, а низших растений, водорослей – десятками миллиардов.

Вот очень наглядная цена и наличию мозга, и его сложности, и его отсутствию: чем больше и сложнее мозг, тем больше у организма независимости от окружающей среды, в том числе от любых трудностей, внезапностей и катастроф. Мозг дает организму шанс уцелеть даже там, где у безмозглого шансов нет совсем.

Мозг – это гарантия безопасности. Стоит ли удивляться, что всегда выигрывал тот, кто сумел приобрести этот ценнейший орган?

От нервных клеток – к мозгу

Нервные клетки появляются уже у медуз, кораллов, морских звезд. Они не сведены в единую систему и разбросаны по всему организму. Эта сеть нервных волокон возбуждается особо чувствительными клетками, расположенными на поверхности тела животного, и передает возбуждение на элементарные двигательные клетки. В результате осуществляются все функции живого организма.

У некоторых видов медуз нервные клетки объединяются в небольшие скопления. Но вообще-то, и у медуз, и у примитивных червей нет центральной нервной системы: органа, который мог бы анализировать поступающую информацию и принимать решения.

У более сложных морских червей в головной части имеется скопление нервных клеток, которые нередко имеют оболочку из соединительной ткани. Их называют «ганглиями» – от греческого «ганглиос» – «узел». Ганглии часто соединяются между собой, образуя различные структуры (нервные сплетения, цепочки и т. п.).

Головной ганглий – это уже зародыш центральной нервной системы. От такого головного «мозга» отходят продольные нервные тяжи, отдающие команды всей нервной цепочке – прообразу спинного мозга.

Такие же скопления-ганглии есть и у высших моллюсков – кальмаров и осьминогов. Некоторые ученые говорят о «мозге» моллюсков. Другие считают, что настоящий мозг есть только у позвоночных, у беспозвоночных – только ганглии. Называть их мозгом – слишком «вольно».

Но как ни называй, а у самых сложных червей и моллюсков есть глаза, поведение кальмаров очень сложное, различное у разных особей. Кальмары – интеллектуалы моря, их «головные ганглии» сложно устроены и позволяют им интересоваться окружающим, проявлять любопытство, учиться.

Возможно, не будь позвоночных, именно они заняли бы то же место в природе, вышли бы на сушу и породили разумных существ.

У пауков, раков и крабов есть по нескольку ганглиев в разных участках тела. У них есть центральный мозг из нескольких слившихся парных ганглиев. Головной мозг? Не совсем… Голова у раков, крабов и пауков не отделена от остального тела. Это головогрудь. Центральный мозг соединен с нервными цепочками, объединяющими более мелкие ганглии.

Нервная система насекомых еще сложнее. У многих из них голова отделена от остального тела и укреплена на подвижной шее. Особенно развитый и сложный мозг – у общественных насекомых (муравьев, пчел, термитов). Чем насекомое крупнее, активнее, подвижнее, тем более крупные у него центральные ганглии, более развитая нервная система и органы чувств. Опять же, не величина ганглий важна, а соотношение мозга-ганглий с остальным оранизмом. У рабочей пчелы, к примеру, мозг составляет 1/175 массы всего тела.

Первые носители «настоящего» мозга

Одни из самых примитивных хордовых – оболочники. Это животные с мешкообразным тельцем длиной от 0,3 до 50 см. Они примитивнее насекомых и высших моллюсков. Уровень развития их мозга практически как у червей и нервная система проще простого: единственный ганглий надо ртом, от него отходит нервный ствол. Органы чувств развиты слабо, глаз почти нет. Животное ведет образ жизни растения – прикреплено к одному месту и питается взвешенными в водной толще органическими остатками – детритом.

А вот личинки оболочников активны, имеют развитые органы чувств и нервную систему, мускулатуру и, самое главное, спинную скелетную ось – хорду.

Большинство ученых полагают, что мы и оболочники происходим от животных, очень похожих на личинки оболочников.

Самые простые из этих «произошедших» – целый класс «бесчерепных»: ланцетники. По форме эти маленькие, до 30 см, морские рыбообразные твари и правда напоминают хирургический ланцет.

20 видов ланцетников радостно втягивают в ротовое отверстие микроорганизмы и детрит с током воды. Если их пугают – стараются зарыться в песок мелководий почти всех теплых и умеренных морей от Норвегии до Южной Африки и Аргентины, а в Тихом океане – от Хоккайдо и Калифорнии до новой Зеландии и Чили.

Для того образа жизни, который ведет ланцетник, головной мозг ему особенно и не нужен. Мышечного сердца у него нет, и эту роль выполняет пульсирующий брюшной сосуд: почти как у насекомых. Слабое обоняние, почти полное отсутствие зрения. В хорде заключена вся его центральная нервная система, головной мозг не дифференцирован, и вокруг него нет никакого зачатка черепной коробки.

От этих животных произошли все позвоночные (Vertebrata) или черепные (Craniota) – наиболее высокоорганизованная группа животных. За счет развития мозга. Произошли и «захватили Землю».

К примеру, насекомых намного больше, чем позвоночных. Как по общему числу, так и по видовому разнообразию. Известно порядка 1,25 миллиона видов насекомых, а каждый год открывают все новые и новые. Нам известно, по разным данным, от 50 до 70 % форм Insecta.

А позвоночных «всего» около 50 тысяч видов. Из них рыб от 25 до 40 тысяч, земноводных – 2100, пресмыкающихся– 6000, птиц – 8600, млекопитающих – 4500.

Но, во-первых, эти виды более разнообразны: от крохотной землеройки весом в 20 граммов до бронтозавра в 40 тонн или синего кита до 100 тонн. От гепарда, мчащегося со скоростью 110 км в час, до малоподвижного ленивца.

Во-вторых, позвоночные – самые активные животные с самой интенсивной физиологией и биохимией.

В-третьих, и это главное, у позвоночных самая сложная нервная система. У них есть головной и спинной мозги, поэтому они способны к самым сложным формам поведения и психической деятельности.

Благодаря этим качествам позвоночные могут жить в самых разнообразных условиях. Они разделились на резко различающиеся систематические группы, и все эти группы замыкают пищевые цепочки.

Все позвоночные имеют позвоночник, внутренний скелет, обособленную голову с развитым головным мозгом, который защищен черепом. У них совершенные органы чувств, развитые кровеносная, пищеварительная, дыхательная, выделительная и половая системы.

Первые позвоночные появились в эпоху, которую с 1835 года называют палеозоем – эрой древней жизни. Первый период палеозоя называется кембрийским: так назвал его английский исследователь А. Седжвик от римского наименования Уэльса – Cambria.

Начался период около 542±1 млн лет назад, закончился 488±2 млн лет назад и продолжался, таким образом, примерно 51–57 млн лет.

Среди самых древних позвоночных были существа с внешним или наружным скелетом в виде или сплошного панциря, или отдельных крупных костных пластин-щитков. Щитковые и панцирные рыбы вымерли уже в палеозое. Их вытеснили существа с внутренним скелетом: более подвижные, с более совершенным мозгом.

8 классов позвоночных объединяют в 2 надкласса: бесчелюстные и челюстноротые. О бесчелюстных легко судить хотя бы по миноге – этих червеобразных или змееобразных полурыб охотно едят одни, ими брезгуют другие. У миноги червеобразное голое тело: уже не червяк, но еще не рыба.

Размножаются миноги с помощью личинок. Из яиц (икринок), отложенных в пресной воде с илистым или песчаным дном, выходят пескоройки. Долгое время их никак не связывали с миногами, а относили к червям. Подобно последним, пескоройки вкапываются в ил, который добровольно не покидают почти никогда, а пускают в дело свои плавники, только когда хотят вновь спрятаться в ил или другое подобное место. Питаются они детритом и микроскопическими организмами, втягивая их через ротовое отверстие вместе с водой.

Вырастая, пескоройки становятся взрослыми миногами и выходят в море. Там они и живут, пока не придет время откладывать икру – первый и последний раз в жизни.

У взрослой миноги есть глаза, но зрение скверное, зато хорошее обоняние.

Рот без челюстей, в виде присасывательной воронки. Вместо губ – кольцевидный хрящ. Животное впивается в добычу, пуская в ход буравящий язык с хрящевыми выростами и роговые зубы. Оно буквально всасывает и перемалывает все, что имеет неосторожность ему попасться. Лопают миноги только что вылупившихся молодых рыбок, червей, насекомых в разных стадиях их развития. Но в основном они питаются падалью, а также мясом и кровью живых и в особенности рыб. Настигнув подходящую крупную рыбу, минога крепко присасывается своим круглым ртом к ее наружной оболочке и начинает работать своими пилообразными зубами, пробуравливая кожу насквозь и проникая все глубже во внутренности своей жертвы. Миноги проглатывают соскобленные частицы и проедают глубокие отверстия в теле рыбы, будь она живая или мертвая. Эти примитивные позвоночные процветали в древних морях 500–300 миллионов лет назад. С тех пор на месте существовавших когда-то сотен видов миног – активных хищников, остались нынешние 35 видов – частичных паразитов[1].

А из числа хищников миног вытеснили более сложные существа – рыбы. Те самые, на которых пережившим свой век миногам «приходится» паразитировать.

Это при том, что центральная нервная система миног отчетливо разделяется на головной и спинной мозг. Головной мозг ее очень мал, считаные граммы веса животного, которое целиком может потянуть и на 2–3, и даже 4 кг.

Головной мозг миноги уже имеет отделы, характерные для всех позвоночных животных: передний, промежуточный, средний, продолговатый и мозжечок. Но сразу два важных признака говорят о примитивности мозга миноги: первое, все его отделы лежат в одной плоскости и не налегают друг на друга. И второе, передний мозг относительно других отделов очень невелик.

Даже у простейших челюстных рыб передний мозг крупнее, а отделы мозга налегают друг на друга, образуя единый орган[2].

Эволюционно более продвинутыми оказались челюстноротые: панцирные, хрящевые и костные рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие. Вся борьба за господство в животном мире Земли пошла между этими видами. Основным направлением развития стало увеличение и усложнение мозга, развитие органов чувств. Это взаимосвязанные явления! Ведь чем сильнее развиты органы чувств, тем больше информации поступает в мозг. А чем сложнее мозг, тем больше информации он способен переработать.

Начало соревнования

Примерно 540 миллионов лет назад в окаменелостях кембрийского периода палеозойской эры появляются отложения окаменелостей представителей почти всех подразделений животного царства. Раньше не было почти ничего. Практически полное отсутствие многоклеточных, сложных животных. И «вдруг», за считаные миллионы, может быть, даже сотни тысяч лет – «кембрийский взрыв биологического разнообразия».

Начиная с Уильяма Баклэнда (1784–1856) геологам было известно о существовании границы отложений, ниже которой ископаемые останки не обнаруживаются. Это очень огорчало Чарльза Дарвина: он считал «почти полное, насколько теперь известно, отсутствие под кембрийскими слоями формаций, богатых ископаемыми» сильным аргументом против его теории эволюции. Дарвин даже посвятил отдельную главу своей работы «Происхождение видов» обсуждению этой проблемы. Его собственная гипотеза состояла в том, что в докембрии нынешние континенты могли находиться на океанском дне, на глубинах, где не могли формироваться ископаемые останки[3], но в целом получалось как-то безнадежно: если жизни долгое время не было, а потом она появилась – это же «работает» не на теорию эволюции, а на теорию Божественного Творения!

Огорчался Дарвин напрасно: с тех пор найдено немало доказательство того, что и до кембрия существовали многоклеточные организмы. Сегодня спорят в основном о том, что это за организмы: прямые предки кембрийских или это организмы, принципиально отличные от любых ныне существующих животных. Если предков у «кембрийцев» не было, это более загадочно. Кстати, популярная книга С. Гулда так и называется: «Удивительная жизнь»[4].

В любом случае богатство кембрийских отложений поражает. В них сохранились не только остатки организмов с твердыми, кремнистыми телами, как губки, но и полные карбоната кальция оболочки двустворчатых, брюхоногих моллюсков и аммонитов, внешние скелеты ракообразных, полные фосфата кальция кости позвоночных… Наряду с окаменелостями, кембрийские отложения содержат необычно высокое число месторождений, сохранивших отпечатки мягких частей тел различных организмов. В наше время ученые насчитывают более 30 типов различных животных. Представители двух третей из них никогда не обнаруживались в ископаемых останках. Наверняка и фауну кембрия мы знаем далеко не во всей полноте.

Такие отпечатки позволяют детально изучить животных, которые не сохраняются в виде окаменелостей, а также внутреннее устройство и функционирование организмов, которые обычно представлены только раковинами, шипами, когтями и т. д. А тут еще окаменелые следы, оставленные живыми организмами: дорожки и норки на морском дне.

Долго, очень долго длилась протерозойская эра – «эра древнейшей жизни». И вдруг – «взрыв». Причем ведь дело не в том, что кончилась одна геологическая эра и началась другая, более благоприятная для жизни. Сами границы эр определяют по появлению новых форм жизни. Произошел «взрыв», он-то и является границей эр геологической истории. Начинается палеозой, «эра древней жизни».

Почему же начался палеозой? В чем причина «кембрийского взрыва»? Причины называли разные. И конец ледниковой эпохи. И изменение атмосферы. И изменение химического состава вод океанов. Но никаких признаков всех этих геологических перемен на рубеже палеозоя нет. О них делают далеко идущие выводы на основании изменений животных. Но долгое время считалось, что живые организмы абсолютно зависят от среды обитания. Среда может формировать животных, а они – никак нет. Среда может провоцировать рост многообразия, но никак не сами животные.

Сравнительно недавно, лет 30 назад, послышались первые робкие голоса, называвшие причиной роста разнообразия фауны самих животных.

Во-первых, животные занимают разные экологические ниши. Начинается борьба за них – то есть за пищу, удобные места для обитания, энергию. Эти животные по-разному устроены, они – разные побеги дерева эволюции, и все они сражаются между собой за место под солнцем. При этом более сложно устроенные получают преимущество и не пускают в те же экологические ниши более примитивные организмы.

А кто имеет преимущество в этой борьбе? Тот, у кого лучше устроен мозг и более совершенные органы чувств. Тот, кто лучше умеет собирать и перерабатывать информацию.

Причем у кого совершеннее мозг – у того и тело имеет преимущества, чей мозг и чье тело лучше подходят для добывания пропитания, тот и не сидит голодным!

«Более умные» могут кормиться там, где трудно прокормиться более «глупым»: и хищники, и растительноядные находят пищу там, где более примитивные животные не находят. Чем умнее вид, тем более бедные кормовые угодья ему нужны. А в богатых угодьях «умные» животные распространяются в таком количестве, что более «глупым» пищи начинает не хватать, и они вымирают или откочевывают. В конечном счете и откочевывать становится некуда.

Во-вторых, началась своего рода «гонка вооружений» между хищниками и жертвами. У жертв – защита, у хищников – вооружение. Хищничество по определению становится сильнейшим фактором и ускорителем естественного отбора. Хищнику необходимо регулярно ловить жертв, он просто вынужден «умнеть».

Жертвы еще сильнее обречены изменяться: ведь если хищник не поймает жертву, это грозит ему только необходимостью повторять попытку. Для добычи тут вопрос жизни и смерти. Американские биологи давно говорят об «асимметрии последствий» по принципу «жизнь против обеда»[5]. Хочешь не хочешь, а эволюционировать придется[6].

В-третьих, и это главное, разные группы животных развивались с разной скоростью[7]. Медузы и черви мало изменились за сотни миллионов лет. А вот позвоночные изменялись кардинально, порождая совершенно новые формы жизни.

Шла борьба за само существование и за место в иерархии жизни. За право господствовать в древних морях. Возникали самые невероятные животные. Рассказ об одном из них, опабании, всегда вызывал смех в аудитории и специалистов, и студентов: слишком нелепым было животное. Это мягкотелое существо с узким, сегментированным телом, парой ластоподобных конечностей на каждом сегменте, с ножками под плавниками, кроме трех сегментов, формировавших хвост. У опабании было пять глаз на стебельках, как у рака или краба, рот под головой, длинный гибкий хобот, растущий из-под головы и заканчивающийся шипастым «когтем».

Опабанию относят к особому типу лопастеногих – это родственники или даже предки членистоногих[8].

А наряду с такими химерами одновременно жили многие современно выглядящие животные[9]. Кембрий оказался своего рода «лабораторией», в которой «производились» самые различные организмы. Все они конкурировали друг с другом, развивались с разной скоростью, занимали экологические ниши и вытесняли из них друг друга.

В этой борьбе все время побеждали позвоночные. Причина проста: самый могучий мозг, самые совершенные органы чувств, самое сложное и разнообразное поведение. Важным фактором стало то, что у позвоночных появился скелет и череп. Следствием этого стало и появление головы…

Цефализация

Само слово «цефализация» происходит от греческого kephale, то есть кефале – голова. Чаще всего этим термином называют процесс обособления головы, включение в ее состав органов, которые до того располагались у предков в других частях тела. Цефализация важна потому, что передний конец тела, несущий ротовое отверстие и органы захватывания пищи (челюсти и рот), первым вступает в контакт с новыми объектами среды. Поэтому в нем концентрируются органы чувств, а также передние отделы центральной нервной системы, регулирующие функционирование этих органов и составляющие головной мозг.