Начало см. здесь.
Каково техзадание, таков и ум
«Или вот еще вопросик того же плана — почему это по железной дороге, куда ни езжай, всегда приедешь на станцию, и как правило — с буфетом?»
— иронизирует один из героев романа Василия Звягинцева «Одиссей покидает Итаку».
Сказанное напрямую относится и к эволюции — по какому эволюционному пути ни езжай, всегда приедешь к нервной системе, и как правило — с разумом. Независимые эволюционные пути с удивительным постоянством приходят к одним и тем же оптимальным для конкретных условий жизни эволюционным решениям. При этом эволюция находит множество способов решать похожие проблемы, но иногда повторяет одно и то же решение снова и снова. Самое инновационное из таких решений — нервная система, — также возникала в эволюционной истории многократно и независимо.
Идея снабдить живое существо нервной системой, была впервые опробована эволюцией где-то в районе 1 млрд лет назад на грибневиках. А через несколько сотен миллионов лет после этого, начиная с общего предка стрекающих и белатерий, нервная система превратилась для животных — потомков этих таксонов в стандартное «техническое решение» эволюции.
Новейшая версия эволюционного древа животных с двумя путями эволюции нервной системы. Рис. на основе https://elementy.ru/novosti_nauki/432577/Diskussiya_o_roli_grebnevikov_v_evolyutsii_prodolzhaetsya
Аналогичная история произошла и с крупным мозгом, необходимым для управления сложным поведением, — эволюции пришлось создавать его несколько раз. Причем, каждый раз на основе совершенно разных «техзаданий».
Принципиальность отличий этих техзаданий вытекала из среды обитания — одной из трёх стихий, в которых предстояло жить и эволюционировать биологическим живым существам: вода, земля и воздух.
Четвертая стихия — огонь, как среда жизни, не допускает существование биологических существ. Тем не менее, существует гипотеза, что небиологическая и даже нехимическая жизнь может существовать в виде способных к сохранению формы и самовоспроизведению (в определенных условиях) плазмоидов, возможным прототипом которых является шаровая молния. Но это всего лишь гипотеза, пока не имеющая под собой надежных научных оснований.
Что же касается трех остальных стихий, определивших разные «техзадания» эволюции на развитие крупного мозга, то таких техзаданий, в итоге, получилось даже не три, а четыре. И в соответствии с каждым из них, на Земле появились четыре разных реализации высшего разума:
✔️ разум осьминогов (представителей головоногих),
✔️ разум врановых и попугаев (представителей птиц),
✔️ разум дельфинов (представителей китообразных),
✔️ разум людей (представителей млекопитающих).
Первая эволюционная развилка, предопределившая последующее развитие разных конструкций крупного мозга и, соответственно, разума, произошла примерно 600 млн лет назад. Она разделила дальнейшую эволюционную траекторию позвоночных и траекторию, на которой потом возникли членистоногие и моллюски (в том числе, головоногие, давшие миру разум осьминогов).
На основе рис. из книги «Чужой разум» Питера Годфри-Смита
Вторая развилка произошла более 200 млн. лет назад. После нее началась независимая эволюция птиц и млекопитающих.
Источник: доклад З. А. Зориной «Когнитивные способности животных»
До примерно 50-ти млн лет назад на Земле эволюционировали три разных «проекта» высшего разума. Каждый из них оптимизировался эволюцией под одну из трех стихий и функционировал на основе трех различных конструкций мозга, отвечающих трём разным способам движения:
1. плавать — головоногие;
2. летать — птицы;
3. бегать — млекопитающие.
Около 50-ти млн лет назад млекопитающий парнокопытный предок китообразных начал менять свою земную стихию обитания на водную. Тем самым стартовала эволюционная траектория 4-го «проекта» высшего разума — разума, прошедшего в своей эволюции две адаптации к стихии.
Самое высокое значение коэффициента энцефализации EQ (7,0) у людей. Значения между 0,44 и 4,56 у больших обезьян, слонов и китообразных, означает, что обезьяны, слоны и китообразные имеют мозг меньшего размера по отношению к размеру тела, чем люди. Источник: https://www.amazon.com/Deep-Thinkers-Inside-Dolphins-Porpoises/dp/022638747X
Претерпев в течение последующих 50 млн лет огромные изменения, китообразные также предоставляют интригующие примеры конвергентной эволюции — когда признак эволюционировал более одного раза, чтобы служить подобным адаптивным функциям (напр. подкожный жир у китообразных и тюленей выполняет и функцию жировых запасов, и функцию теплоизоляции). Все китообразные развили приспособленность к новой водной среде. Подсистемы организма перестроились для уменьшения теплопотерь и поддержания температуры тела. Нос превратился в дырочку, которая мигрировала к макушке для легкого дыхания на поверхности. Для эффективного движения в воде произошел ряд физиологических изменений, включая выпадение волос и замену передних конечностей грудными плавниками для рулевого управления и задними конечностями с крепким хвостом и двуустками для движения вперед. Таз отделился от позвонков, чтобы облегчить движение. Кровь и мышцы были кардинально «перепроектированы» для удержания кислорода посредством большого объема крови, концентрированного гемоглобина и миоглобина, а также больших легких, которые сжимаются при погружении во избежание пузырьков газа в крови (декомпрессионная болезнь). Глаза китообразных получили анатомическую и молекулярную адаптацию к световым ограничениям водной среды, включая высоко сферическую линзу и конструкцию роговицы, обеспечивающей острое зрение как в воздухе, так и в воде. Китообразные потеряли внешние уши в пользу обтекаемого телосложения, но зато у них появились жировые подушечки в челюстях, чтобы улучшить слух (другие детали см. в моем посте «Назначение интеллекта — не думать. А облегчать жизнь тела в среде» и рекомендуемой там книге).
Вышеприведенный отнюдь не исчерпывающий, но чрезвычайно впечатляющий перечень эволюционных переадаптаций китообразных при смене стихии обитания, позволяет вообразить масштаб эволюционных переделок в мозге бывших парнокопытных.
Среди прочего, было минимизировано число нейронов и сведен к минимуму нейрогенез у взрослых. Теперь мозгу требовалось куда меньше энергии и можно было надолго нырять (простаку кашалоту аж на час, а интеллектуалу дельфину на 5–10 мин). Потом пришлось переделать мозг, чтобы он мог спать по-отдельности каждым из полушарий (чтобы случайно не утонуть во сне). Потом переделать восприятие с двумерного на трехмерное. И т.д. и т.п. На все это, напоминаю, хватило 50-ти млн лет повторной адаптации в ходе эволюции.
А что же тогда с мозгом птиц? Ведь независимый эволюционный путь птиц и млекопитающих продолжался минимум вчетверо дольше — более 200 млн лет.
Что же за инновации смогла придумать эволюция за столь солидный срок, выполняя «техзадание» на создание уникального разума птиц?
Разум птиц
Kак было сказано в предыдущем разделе, принципиальным требование «техзадания» была адаптация к воздушной стихии — нужно было оптимизировать живое существо для полетов.
В части изменений мозга, это означало, что было необходимо выполнить два весьма противоречивых требования.
1. Позволить мозгу обрести новые свойства, позволяющие ему максимально минимизировать вес (ведь надо летать).
2. Сохранить при этом «тактико-технические» характеристики мозга, позволяющие ему эволюционировать до уровня развитого разума обитателей суши и воды.
Для выполнения столь противоречивых требований потребовались принципиально новые решения.
Во-первых, как показало исследование клеточного состава мозга 28 пород птиц, эволюция ухитрилась найти такое универсальное решение, обеспечивающее выполнение пп. 1 и 2, как иная упаковка нейронов.
Мозг певчих птиц, врановых и попугаев содержат очень большое количество нейронов, при плотности нейронов значительно превышающей показатели млекопитающих.
В результате, мозг попугаев, воронов и певчих птиц содержит в два раза больше нейронов, чем такой же по массе мозг приматов, и в четыре раза больше, чем мозг грызунов. Количество нейронов в паллиуме у птиц оказалось таким же, как у приматов (а эта часть мозга отвечает за сложнейшие функции планирования и поиска закономерностей).
Источник: презентация А. А. Смирновой «Мышление животных»
Этот оригинальный способ упаковки нейронов далеко не единственная эволюционная инновация в мозге птиц. Эволюция также придумала совершенно иную нейроархитектуру — отличную от таковой у млекопитающих (приматы, слоны …) и, в том числе, вторично адаптированных млекопитающих (китообразные).
В конструкции мозга птиц эволюция отказалась от слоистой архитектуры — шестислойной новой коры (главного эволюционное преимущество мозга млекопитающих). Вместо этого, эволюция пошла на преобразование ядер стриатума, или полосатого тела. Стриатум древнее коры, и функции его проще, чем у неё. Из-за этого центральную нервную систему птиц раньше воспринимали как примитивную структуру, не предназначенную для осуществления высших когнитивных функций, которые выполняет новая кора млекопитающих. Но эволюция нашла путь кардинальной оптимизации механизмов обработки информации в мозге птиц. Это потребовало иного структурно-клеточного решения: вместо колончатой структуры, характерной для новой коры млекопитающих, у птиц развились шаровидные комплексы клеток. Такие комплексы стали важнейшими структурно-функциональными единицами мозга птиц, по эффективности не уступающими нейронным колонкам в мозге млекопитающих.
Результатом такой инновации в мозге птиц, паллий (паллиум) превратился не просто в аналог, а гомолог мозга млекопитающих. Что позволило выполнить оба противоречивых требования: снижения веса мозга при сохранении большого числа плотно упакованных нейронов.
В качестве иллюстрации эффективности найденного природой решения, сравните соотношение веса мозга и числа нейронов паллия птиц и млекопитающих. Например, как видно из рис. ниже:
• мозг свиньи (весьма умного животного с чрезвычайно развитым мышлением, эмоциями и индивидуальностью) при 307 млн нейронов паллия весит 65 грамм;
• тогда как мозг ворона, имея в 4 раза больше нейронов паллия, весит всего 14 грамм.
Соотношение веса мозга (по вертикали) и числа нейронов паллия (по горизонтали — в млн) птиц и млекопитающих. Источник: https://www.scientificamerican.com/article/birdbrain-turns-from-insult-to-praise/
Вышеописанные инновации в клеточном строении и архитектуре мозга птиц были предметом активного обсуждения и споров биологов в течение последнего десятилетия. Как всегда, точка была поставлена после экспериментального подтверждения найденных природой решений. Это стало возможным совсем недавно с появлением трехмерной визуализации в поляризованном свете, или сокращенно 3D PLI. Эта новая технология, способная отображать ориентацию отдельных нервных волокон, позволила на широкомасштабном эксперименте проанализировать мозг различных птиц.
Результаты проведенного анализа, опубликованы в сентябрьском номер журнала Science в публикации, озаглавленной «A cortex-like canonical circuit in the avian forebrain». Исследование экспериментально подтвердило организацию мозга птиц, аналогичную организации мозга млекопитающих: волокна в мозге птиц расположены горизонтально и вертикально так же, как и в новой коре (неокортексе) млекопитающих.
В дальнейших экспериментах, чтобы детально изучить взаимосвязь клеток в мозге птиц, исследователи использовали крошечные кристаллы, которые поглощаются нервными клетками в срезах мозга и транспортируются к мельчайшим дендритам.
«В эксперименте было показано, что структура состоит из колонн, в которых сигналы передаются сверху вниз и наоборот, и длинных горизонтальных волокон», — поясняет один из ведущих исследователей Онур Гюнтюркюн. «Однако эта структура встречается только в сенсорных областях головного мозга птиц. Другие области, такие как ассоциативные области, организованы иначе».
Таким образом, наука нашла ответ на вопрос о том, на что у эволюции ушло более 200 млн лет совершенствования мозга птиц. Выполняя «техзадание на проектирование» оптимального мозга летающих живых существ, эволюция справилась с блеском. Летные характеристики были достигнуты (среди прочих инноваций) кардинальным снижением веса мозга при сохранении потенциала формирования разума, не уступающего умным млекопитающим.
Вот каким получился итог «Эволюции 2.0» (если считать «Эволюцией 1.0» эволюцию мозга головоногих моллюсков, «Эволюцией 3.0» — эволюцию мозга млекопитающих, а «Эволюцией 4.0» — повторную адаптацию китообразных).
Сравнение разных птиц: доля переднего мозга, масса мозга, интеллектуальные способности и сложность поведения. Источник: https://www.nationalgeographic.com/magazine/2018/02/bird-brains-crows-cockatoos-songbirds-corvids/
И у кого теперь повернется язык, утверждать превосходство результатов «Эволюции 3.0» над результатами «Эволюции 2.0»?
Впрочем, со временем дойдет дело и до честного сравнения с «Эволюцией 1.0» . Но даже судя по тому, что уже известно о разуме осьминогов (см., напр., книгу Питера Годфри-Смита «Чужой разум. Осьминоги, море и глубинные истоки сознания»), — это полноправный член «Великолепной четверки» наиболее продвинутых классов умов, созданных в процессе земной эволюции.
Что в итоге
Tри вопроса, издавна волновали человечество.
1. Было ли предопределено появление жизни на Земле?
2. Насколько закономерно было появление разума?
3. Насколько вероятным было появление людей — как носителей наивысшего разума на Земле?
Сегодня, с позиций второго десятилетия 21 века, ответы видятся такими.
✔️ Весьма возможно, что появление жизни было предопределено.
Об этом в настоящем посте не сказано ничего. Но поверьте пока на слово, а там, может, и пост напишу.
Зато ответы на 2й и 3й вопросы, в свете изложенного, вполне определенные.
✔️ Появление разума — закономерное следствие эволюции жизни.
✔️ Появление людей, как носителей наивысшего разума, — вовсе не закономерность, а всего лишь один из возможных эволюционных вариантов.
Помимо разума людей, нам известны еще три варианта разума, демонстрирующего сложное поведение. Сколько еще их может быть, — неизвестно.
Так что надо бы людям быть поосторожней. Не дай бог, самоистребимся, а второго шанса может и не представиться. У эволюции хватает других вариантов — к тому же, не столь агрессивных и самонадеянных.
________________________________
Спасибо за просмотр! Ставьте лайки и подписывайтесь на канал. Всего доброго!
