Информация. Научные статьи. Журнал «Наука и жизнь». Энергетический подход к эволюции 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 мм³ 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 ^[1] 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 ^[2], 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 ^[3], которые хранятся в мозге как набор инструкций. В целях экономии энергии мозг почти не используется для принятия решений, основанных на личном опыте ^[4] животного. Парадокс ^[5] заключается в том, что в результате эволюции был создан инструмент для реализации самых сложных механизмов поведения ^[6], но энергоемкость такой суперсовершенной нервной системы оказалась очень высокой, поэтому все млекопитающие инстинктивно стараются использовать мозг как можно реже.

Читатели журнала “Наука ^[7] и жизнь” прислали профессору С. В. Савельеву множество вопросов, касающихся эволюции мозга. Публикуем ответы на некоторые из них.

– Как изменится строение человеческого мозга в будущем, например через 500 лет?

Думаю, что в ближайшие 500 лет структурно мозг не изменится, потому что никаких предпосылок его совершенствования нет. Компьютер, Интернет дают человеку иллюзию технической оснащенности при глубочайшем непонимании того, откуда что берется. Ребенок не станет умножать в столбик, когда у него под партой калькулятор. Все это приводит к тому, что нагрузка на мозг непрерывно снижается.

Когда создавались компьютеры, все говорили – люди становятся умнее. Потому что программисты действительно затрачивали огромные интеллектуальные усилия на создание новых программных продуктов. Но сейчас программы пишут, как складывают кубики. Основы программирования как бы забылись. Сегодня даже от программистов не требуется того интеллектуального уровня, который был необходим 10-15 лет тому назад. А что уж говорить о других областях!

Раньше, в эпоху социализма, троечники становились на Западе отличниками. Советские люди жили в системе двойных стандартов, которые заставляли их мозги работать. И это приводило к тому, что мозг был всегда напряжен, мобилизован, расходовал больше энергии. Это значит, что в единицу времени между нейронами образовывалось больше связей, а следовательно, в такой мозг можно было “закачать” в долговременную память ^[8] больше информации.

– В чем состояли положительные и отрицательные структурные изменения мозга человека с точки зрения ^[9] эволюции?

Смотря что считать положительными, а что отрицательными изменениями. То, что у человека пропала способность улавливать высокочастотные сигналы выше 20 000 Гц, это, наверное, отрицательное изменение. Хотя и сейчас дети до одного года могут воспринимать их с помощью специальной структуры мозга, отвечавшей когда-то за восприятие высокочастотных сигналов в те времена, когда человек был похож на крысу. По сравнению с другими животными у человека очень плохо развито обоняние ^[10]. Отрицательное это изменение или нет? Очень трудно оценить.

Отрицательные и положительные изменения в мозге продиктованы историей нашего вида. В ней сначала принципиальную роль играло обоняние, а следовательно, передний мозг. Потом произошла смена мест обитания. Наши предки перешли жить на деревья. Обоняние утратило свои функции, ведущим органом чувств ^[11] стало зрение. И нельзя сказать – плохо это или хорошо. Другое дело, что конструкция мозга могла бы быть более разумной. Ведь передний обонятельный мозг, которым мы думаем, вырос, по сути, из половой системы. Отсюда эта бесконечная человеческая проблема сексуальных отношений, которая проходит красной нитью через всю человеческую жизнь. Половые мотивации ^[12] стали базисными принципами мышления. Это делает нас агрессивными и очень неразумны ми.

Но наш мозг такой, какой есть.

– Верно ли, что человек использует возможности своего мозга только на 10%?

Если мозг будет работать на 10%, то человек моментально умрет. Мозг работает целиком всегда – во время сна ^[13] и бодрствования, благодаря чему человек во сне ^[14] дышит, сердце бьется, мышцы находятся в тонусе. Другое дело, что, когда мы спим, мозг расходует 9% всей энергии тела, а в активном состоянии – 25%.

– Объяснимо ли происхождение такого сложного объекта, как мозг человека, с позиций дарвиновской теории эволюции, согласно которой в основе эволюционного процесса лежат случайная изменчивость (мутации) и естественный отбор?

Дарвиновская теория построена как негативный процесс, в котором не выживают сильнейшие, а погибают слабейшие. В основе эволюции мозга лежит не дарвиновский отбор, не мутации, а индивидуальная внутривидовая изменчивость, которая существует постоянно во всех популяциях. Направление эволюции определяется тем, чей геном привнесен в следующее поколение, а не тем, чей геном исчез в предыдущем. Именно индивидуальная вариабельность дает основу для сохранения в популяции тех или иных функций. Это как если бы прилетели инопланетяне и начали нас бить огромным дуршлагом, в дырочки которого проскакивали бы наиболее сообразительные. Тогда те, кто хуже соображает, просто бы исчезли.

– Правда ли, что объем головного мозга человека определяет его интеллект ^[15]?

В последнем издании “атласа мозга человека” я привожу данные о размере мозга талантливых и гениальных людей. В этом списке очень мало людей с массой мозга, как у среднего человека – порядка 1300 г. В основном она составляет 1700-1800 г, то есть намного больше. И я вынужден констатировать, что размер мозга имеет большое значение. Ведь, если у вас нейронов на несколько десятков миллиардов больше, чем у другого человека, это примерно то же, что вооружиться ноутбуком вместо обычного калькулятора.
Журнал “Наука и жизнь” №11, 2006 год