Энергетические издержки большого мозга. Информация. Научные статьи. Журнал «Наука и жизнь». Энергетический подход к эволюции 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 компенсируют ся 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 показатель но 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.

Журнал «Наука и жизнь»  №11, 2006 год

Rambler's Top100