Читать книгу Эволюция мозга. Драконы Эдема - Карл Саган - Страница 4

Биологическая эволюция сопровождалась все нарастающей сложностью. Сегодня самые сложные организмы на Земле содержат значительно больше информации – как генетической, так и внегенетической, чем самые сложные организмы, скажем, 200 миллионов лет назад (что составляет только 5 процентов истории жизни на планете, пять дней по нашему космическому календарю). Самые простые из организмов Земли сегодня имеют у себя за плечами ровно столько же эволюционного развития, сколько и самые сложные, и вполне может оказаться, что внутренняя биохимия современных бактерий более эффективна, нежели внутренняя биохимия бактерий три миллиарда лет назад. Но количество генетической информации сегодняшней бактерии, возможно, не слишком превышает то, что содержалось в ее древнем предке. Тут важно различие между количеством информации и ее качеством.

Различные биологические формы называются таксонами. Граница, проходящая между крупнейшими таксонами, отделяет растения от животных или организмы со слабо развитым ядром (бактерии, синезеленые водоросли) от организмов с четко выраженным и сложно устроенным ядром (например, простейшие, люди). Однако все организмы на планете Земля, обладают ли они хорошо выраженным ядром или нет, имеют хромосомы, которые заключают в себе генетический материал, передаваемый из поколения в поколение. Во всех организмах молекулы наследственности – это нуклеиновые кислоты. С некоторыми несущественными исключениями, молекулы нуклеиновых кислот, передающие наследственность, – это молекулы, называемые ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Более мелкие подразделения различных растений и животных, вплоть до видов и подвидов, тоже можно назвать разными таксонами.

Вид – это группа особей, могущих давать способное к самовоспроизведению потомство путем скрещивания только с особями своей группы, но не вне ее. В результате спаривания собак различных пород рождаются щенки, которые, достигнув взрослого состояния, способны к размножению. Но скрещивание между различными видами, даже видами столь близкими, как ослы и лошади, дает бесплодное потомство (в данном случае мулов). Поэтому ослы и лошади считаются различными видами. Между более отдаленными видами, например между львами и тиграми, иногда происходит скрещивание, дающее жизнеспособное, но бесплодное потомство, а крайне редко случается, что оно даже способно к размножению. Это свидетельствует о том, что определение вида несколько расплывчато. Все люди принадлежат к одному и тому же виду Homo sapiens, что в переводе с латинского звучит оптимистически: Человек разумный. Наши возможные предки Homo erectus (Человек прямоходящий) и Homo habilis (Человек умелый), ныне вымершие, относятся к одному роду (Homo), но к разным его видам, хотя никто, во всяком случае в недавнее время, не пытался экспериментальным путем выяснить, даст ли скрещивание между ними потомство, способное к размножению. В прежние времена было широко распространено мнение, что потомство может быть получено от совершенно различных организмов. Минотавр, которого убил Тезей, был рожден в браке между быком и женщиной. А римский историк Плиний утверждал, что страус, тогда только что открытый в природе, появился в результате скрещивания между жирафой и комаром. (Я полагаю, что комар в этой ситуации должен был быть самцом, а жирафа – самкой.) В действительности же, однако, подобного рода скрещивания не происходили по вполне понятной причине – из-за отсутствия какой-либо мотивации к ним.

На протяжении этой главы мы неоднократно будем возвращаться к графику, изображенному на рис. 1.

Рис. 1. Эволюция объема информации в генах и в мозге за всю историю жизни на Земле. Сплошная кривая, проходящая через темные точки, показывает количество битов информации, заключенной в генах у различных организмов, чье приблизительное время появления, согласно имеющимся геологическим данным, также указано на диаграмме. Поскольку количество ДНК, приходящейся на одну клетку, неодинаково в пределах таксона, указано лишь минимальное для данной группы значение. Данные взяты из работы Бриттена и Давидсона (1969). Пунктирная кривая, проходящая через светлые точки, дает приблизительную оценку информации, заключенной в мозге и нервной системе тех же самых организмов. Точки, соответствующие информации, содержащейся в мозге амфибий и еще более простых животных, должны были бы находиться левее диаграммы. Хотя на диаграмме и указано количество битов информации в генетическом материале вирусов, но нет уверенности, что вирусы действительно появились несколько миллиардов лет назад. Возможно, что они появились намного позже и развились из бактерий и других более сложных организмов путем потери ими своих функций[4]. Если бы надо было отразить внесоматическую информацию, накопленную людьми (библиотеки и т. д.), то соответствующая точка оказалась бы далеко справа за границей диаграммы

Сплошная линия на нем указывает время самого первого появления на Земле различных главных таксономических групп. Конечно, в природе существует значительно большее число таких групп, чем указано точками на этом графике. Изображенной на нем кривой соответствует огромное количество точек, которыми следовало бы обозначить десятки миллионов различных таксономических групп, появившихся на нашей планете с того времени, когда на ней возникла жизнь. Главные из них, которые возникли в самое последнее время, как правило, наиболее сложны.

Некоторое представление о сложности организма может быть получено, если просто изучать его поведение, то есть число различных функций, которые он призван выполнять в своей жизнедеятельности. Но о сложности можно судить также по минимуму информации, заключенному в генетическом материале организма. Типичная человеческая хромосома имеет одну очень длинную молекулу ДНК, завитую в спираль, так что место, которое она занимает в пространстве, значительно меньше, чем если бы она была распрямлена. Эта молекула ДНК построена из более мелких строительных блоков, несколько напоминающих ступеньки и боковинки веревочной лестницы. Блоки называются нуклеотидами и существуют в четырех различных вариантах. Язык жизни, наша наследственная информация, определяется последовательностью четырех различных типов нуклеотидов. Можно сказать, что алфавит языка наследственности состоит всего из четырех букв.

Но книга жизни очень богата, типичная молекула ДНК хромосомы человека состоит примерно из пяти миллиардов частей или нуклеотидов. Наследственные программы всех других таксонов на Земле записаны тем же языком, тем же кодом. И этот единый для всех язык наследственности является одним из свидетельств происхождения всех организмов на Земле от единого предка, от общего для всех начала жизни, которое отделено от нас примерно четырьмя миллиардами лет.

Информация, содержавшаяся в любом послании, обычно измеряется в единицах, называемых битами – сокращение от binary digit, что значит «двоичный знак». Простейшие арифметические вычисления используют не десять разрядов (как делаем мы вследствие того, что по случайности эволюции обладаем десятью пальцами), а только два – 0 и 1. Так что на любой достаточно четкий вопрос может быть дан ответ в виде 0 или 1, «да» или «нет». Если бы наследственный код был описан на языке, имеющем не четыре, а две буквы, то число битов в молекуле ДНК равнялось бы удвоенному числу пар нуклеотидов. Но так как существует четыре типа нуклеотидов, число битов информации в ДНК в четыре раза больше числа пар нуклеотидов. Таким образом, если одна хромосома имеет пять миллиардов (5 · 10⁹) нуклеотидов, она содержит двадцать миллиардов (2 · 10¹⁰) битов информации. (Символ 10⁹ указывает, что за единицей следует определенное число нулей – в данном случае девять.)

Как много информации содержится в двадцати миллиардах битов? Чему она будет соответствовать, если записать ее в обычной книге современным человеческим языком? Наши алфавитные языки, как правило, имеют от двадцати до сорока букв плюс одну-две дюжины цифр и знаков препинания; таким образом, для таких языков оказывается достаточно шестидесяти четырех независимых значков. Так как 2⁶ равняется 64 (2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2), то не потребуется более шести битов, чтобы определить каждый значок. Мы можем представить себе ситуацию в виде «игры в двадцать вопросов», в которой каждый ответ соответствует одному биту. Предположим, что значок, который загадан, – это буква Н. Мы можем найти ее следующим образом.

Первый вопрос: Буква ли это (0) или же какой-то другой значок (1)?

Ответ: Буква (0).

Второй вопрос: Находится ли она в первой (0) или во второй (1) половине алфавита?

Ответ: В первой половине (0).

Третий вопрос: Из шестнадцати букв первой половины алфавита находится ли она в числе первых восьми (0) или вторых восьми (1) букв?

Ответ: Среди вторых восьми (1).

Четвертый вопрос: Среди вторых восьми букв находится ли она в первой половине (0) или во второй половине (1)?

Ответ: Во второй половине (1).

Пятый вопрос: Из этих букв принадлежит ли она к числу Л, М (0) или к Н, О (1)?

Ответ: К числу Н, О (1).

Шестой вопрос: Это Н (0) или 0(1)?

Ответ: Это Н (0).

Определение буквы Н, таким образом, равносильно двоичному тексту 001110. Но нам потребовалось не двадцать вопросов, а лишь шесть, и именно в этом смысле было сказано, что всего шести битов достаточно, чтобы определить заданную букву. Поэтому двадцати миллиардам битов соответствует примерно три миллиарда букв (2 · 10¹⁰/6 ≈ 3 · 10⁹). Если считать, что в среднем слове примерно шесть букв, то информация, содержащаяся в хромосоме человека, соответствует приблизительно пяти миллионам слов (3 · 10⁹/6 = 5 · 10⁸). Полагая, что на обычной странице примерно три сотни слов печатного текста, мы получаем цифру в два миллиона страниц (5 · 10⁸/3 · 10² ≈ 2 · 10⁶). Если средняя книга содержит пятьсот таких страниц, то информация, заключенная в одной-единственной хромосоме человека, соответствует четырем тысячам таких томов (2 · 10⁶/5 · 10² = 4 · 10³). Ясно теперь, что последовательность ступенек лестницы ДНК по объему заключенной в ней информации сравнима с гигантской библиотекой. Точно так же ясно, сколь богатая библиотека необходима, чтобы описать такой тщательно сконструированный и тонко функционирующий объект, каким является человеческое существо. Простые организмы обладают меньшей сложностью и меньшими возможностями и требуют поэтому меньшего объема генетической информации. Каждый из «Викингов» – космических аппаратов, опустившихся на Марс в 1976 году, имел в своих компьютерах заранее запрограммированные инструкции объемом в несколько миллионов битов. Таким образом, «Викинг» обладал несколько большей «генетической информацией», чем бактерия, хотя и значительно меньшей, чем водоросли.

График на рис. 1 показывает также минимальное количество наследственной информации в ДНК различных живых организмов. Видно, что величина эта у млекопитающих меньше, чем у людей: большинство млекопитающих имеют меньше наследственной информации, чем человек[5]. Внутри некоторых таксонов, например амфибий, количество наследственной информации сильно изменяется от вида к виду. Есть мнение, что значительная часть этой ДНК может быть излишней или нефункциональной. По этой причине график дает минимальное количество ДНК для каждого таксона.

Из графика видно, что примерно три миллиарда лет назад произошло поразительное увеличение информации в организмах, населявших Землю, а после этого рост наследственной информации шел весьма медленно. Мы видим также, что если для выживания человека необходимы десятки миллиардов (несколько раз по 10¹⁰) битов информации, то недостающее количество должно быть поставлено внегенетическими системами: скорость развития систем передачи наследственности столь мала, что не приходится искать источника подобной генетической информации в молекулах ДНК. Сырьем для эволюции служат мутации, наследуемые изменения в отдельных последовательностях нуклеотидов, которые создают наследственные программы в молекулах ДНК. Мутации вызываются радиоактивностью среды, космическими лучами или, как часто случается, возникают случайно – путем спонтанных изменений в нуклеотидах, которые с точки зрения статистики всегда могут иметь место. Иной раз самопроизвольно разрываются химические связи. До определенной степени мутации находятся под контролем самого организма. Различные организмы имеют способность устранять некоторые типы повреждений структуры своих ДНК. Существуют, например, молекулы, которые следят за повреждениями ДНК. Если обнаруживается грубое нарушение в системе ДНК, то оно вырезается с помощью своего рода молекулярных ножниц и ДНК возвращается к норме. Но такие исправления не являются, да и не могут быть совершенными: мутации нужны для эволюции. Однако мутация в молекуле ДНК хромосомы клетки кожи моего указательного пальца не оказывает никакого влияния на мою наследственность. Пальцы не участвуют, во всяком случае впрямую, в размножении вида. Важны мутации в гаметах, половых клетках – сперматозоидах (мужских) и яйцеклетках (женских), благодаря которым происходит половое размножение.

Мутации, случайным образом оказавшиеся полезными, представляют собой рабочий материал для биологической эволюции – как, например, мутация меланина у некоторых бабочек, что изменяла их цвет из белого в черный. Такие бабочки обычно жили в Англии на березах, поэтому для них белая окраска – защитная[6]. Изменение цвета отнюдь не давало им преимущества: темные бабочки были отлично видны и поедались птицами, и потому такая мутация эволюцией отбраковывалась. Но когда в ходе индустриальной революции березы стали покрываться сажей, положение изменилось на обратное: только бабочки с меланиновыми мутациями могли выживать. Такая мутация закрепилась, и с течением времени почти все бабочки стали темными. Изменение было наследуемым – оно передавалось будущим поколениям. При этом иногда случаются и обратные мутации, идущие вразрез с меланиновым приспособлением, которые могли бы оказаться полезными, если бы загрязнение природы промышленностью Англии было однажды взято под контроль. Отметим, что во всех этих взаимодействиях между мутацией и естественным отбором ни одна бабочка не предпринимала сознательного усилия приспособиться к окружающей среде. Этот процесс хаотичен и случаен.

Такие крупные и сложные организмы, как люди, в среднем имеют примерно одну мутацию на десять гамет, то есть существует десятипроцентная вероятность, что каждый данный сперматозоид или яйцеклетка будет иметь новое и передающееся по наследству изменение в генетической программе, которая определяет собой облик нового поколения. Эти мутации происходят случайно и почти все без исключения вредны: ведь крайне редко случается, что сложная машина становится лучше после того, как в инструкцию по ее изготовлению были наобум внесены какие-то изменения.

Большинство этих мутаций рецессивны – они не проявляют себя немедленно. Тем не менее уже существует такой высокий уровень мутаций, что, как считают некоторые биологи, увеличение молекулы ДНК принесло бы с собой неприемлемо высокие темпы мутаций: будь у нас больше генов, слишком многое слишком часто происходило бы с ошибкой[7]. Если это верно, то должен существовать практическим верхним предел количества наследственной информации, которую может заключать в себе ДНК больших организмов. Таким образом, большие и сложные организмы, для того чтобы существовать, должны иметь достаточные источники внегенетической информации. Эта информация у всех высших животных, кроме человека, содержится почти исключительно в головном мозге.

Какую информацию содержит мозг? Рассмотрим два крайних противоположных взгляда на работу мозга. Согласно первому мозг (или, во всяком случае, высшие его разделы, кора головного мозга) эквипотенциален: любая часть его может заменить собой любую другую часть, и не существует никакой локализации функций. Согласно другому взгляду мозг представляет собой схему, все блоки которой предельно специализированы: каждая отдельная его функция локализована во вполне определенном месте. Истина, видимо, лежит где-то посередине между этими двумя крайними точками зрения. С одной стороны, любой лишенный мистики подход к работе мозга должен связывать физиологию с анатомией – любая функция мозга должна обеспечиваться соответствующим расположением нейронов или иной формой организации мозга. С другой стороны, можно ожидать, что естественный отбор, чтобы обеспечить точность работы мозга и защитить его от различного рода случайностей, привел к избыточности в его конструкции. Того же следует ожидать и от неисповедимых путей эволюции, которыми, скорее всего, следовал мозг.

Избыточность памяти была ясно продемонстрирована Карлом Лешли, психоневрологом из Гарвардского университета, который хирургическим путем удалял значительную часть коры головного мозга крыс, и при этом не было отмечено никаких изменений в их способности использовать ранее полученный опыт преодоления лабиринтов. Благодаря таким экспериментам становится ясно, что память должна быть локализована во многих различных частях мозга, а теперь мы знаем, что некоторые воспоминания переливаются между правым и левым полушариями мозга через трубу, называемую мозолистым телом (corpus callosum).

Лешли установил также, что не происходит видимых изменений в общем поведении крысы, когда удаляется значительная часть – скажем, десять процентов – ее мозга. Но никто не спросил крысу, каково ее мнение по этому поводу. Чтобы правильно ответить на этот вопрос, потребуется тщательно изучить «социальное», пищевое и защитно-атакующее поведение крысы. Существует много скрытых изменений в поведении, являющихся результатом экстрипации, то есть удаления части мозга, которые могут ускользнуть от не слишком внимательного исследователя, но в то же время иметь для крысы существенное значение. К примеру, кто знает, сохраняется ли у нее после экстрипации прежний интерес к привлекательной крысе противоположного пола и не становится ли она вдруг безразличной к подкрадывающейся кошке?[8]

Иногда приводят следующее соображение. Раны или повреждения важных частей коры головного мозга, возникшие, например, при двусторонней префронтальной лоботомии или же в результате несчастного случая, оказывают малое воздействие на поведение человека. Но некоторые формы нашего поведения не очень доступны для наблюдения не только извне, но даже изнутри. Есть типы активности и специфически человеческой способности воспринимать мир, которые в жизни данного человека могут встречаться нечасто, например творческая деятельность. Чтобы образовалось сцепление идей, свойственное любому, даже самому малому творческому акту, нужны значительные ресурсы мозга. А именно эти творческие акты характерны для всей нашей цивилизации и для человека как вида. И тем не менее у многих людей они случаются весьма редко, и отсутствие их не воспринимается как серьезная потеря ни самим больным, у которого поврежден мозг, ни наблюдающим его врачом.

Хотя известная избыточность в работе мозга неизбежна, категорическое мнение, будто мозг являет собой единое целое, почти наверняка ошибочно, и потому большинство современных нейрофизиологов отказываются от подобных представлений[9]. С другой стороны, менее сильные утверждения – например, что память есть функция всей коры головного мозга, – не могут быть отвергнуты с такой же легкостью, хотя они, как мы убедимся в дальнейшем, доступны проверке.

Много споров идет по поводу того, что половина или даже еще большая часть мозга человеком не используется. С эволюционной точки зрения такое положение было бы совершенно необычным: как могли бы развиваться эти его части, если они не выполняют никаких функций? Но в действительности само утверждение базируется на слишком малом числе данных. Оно по-прежнему выводится из того факта, что многие повреждения мозга, по большей части его коры, не оказывают видимого воздействия на поведение. При этом не принимается во внимание, во-первых, возможность избыточности в работе мозга и, во-вторых, то обстоятельство, что многое в человеческом поведении трудно уловимо. К примеру, повреждение правого полушария коры головного мозга может вызвать нарушения в мыслительной деятельности и в действиях больного, но лишь в тех их формах, что не связаны со словесными конструкциями. Стало быть, эти нарушения трудно описать как самому больному, так и изучающему его врачу.

Известно одно важное свидетельство в пользу локализации различных функций в мозге. Были обнаружены лежащие под корой головного мозга отдельные его участки, связанные с аппетитом, поддержанием равновесия, терморегуляцией, циркуляцией крови, тонкими движениями и дыханием. Классические исследования высших нервных функций головного мозга были проведены канадским нейрохирургом Уайлдером Пенфилдом. Он воздействовал электрическим током на различные части коры головного мозга, пытаясь облегчить страдания людей, больных эпилепсией. В сознании пациентов возникали обрывки воспоминаний, они ощущали запахи, слышали звуки и видели цветные образы прошлого – и все это было вызвано действием слабого электрического тока на определенную точку их мозга.

Типичный пример: когда Пенфилд пропускал с помощью своего электрода ток через участок коры, видимый в отверстие черепа, пациент мог слышать игру оркестра во всех ее деталях. Если Пенфилд говорил пациенту, который, как правило, во время всей операции находился в абсолютном сознании, что он якобы раздражает током его мозг, в то время как на самом деле он этого не делал, то во всех случаях в сознании пациента не возникало следов каких-либо воспоминаний. Но когда безо всякого предупреждения через электрод подавался ток, возникали картины прошлого или же продолжались прерванные воспоминания. Пациент сообщал, что к нему приходит ощущение чего-то знакомого или даже в его сознании полностью прокручивались события, бывшие много лет назад. Одновременно пациент вполне сознавал, что находится в операционной и ведет беседу с врачом, и это не вызывало у него никакого внутреннего конфликта. Несмотря на то что некоторые пациенты оценивали эти «обратные кадры» как своего рода легкие сны, в таких ощущениях не было никакой символики, характерной для сновидений. Эксперименты ставились почти исключительно на эпилептиках, но, возможно, хотя никаких доказательств тому нет, что и неэпилептики, оказавшись в сходных обстоятельствах, будут испытывать те же состояния.

В одном из экспериментов, когда электрическим путем стимулировали затылочную часть коры головного мозга, которая связана со зрением, пациент видел порхающую бабочку с такой убеждающей ясностью, что протянул руку с операционного стола, чтобы поймать ее. В аналогичном эксперименте, проводимом с обезьяной, животное внимательно всматривалось в нечто прямо перед собой, делало быстрое хватательное движение правой рукой, а затем в очевидном замешательстве исследовало свою пустую ладонь.

Безболезненная электростимуляция коры головного мозга, по крайней мере, у многих людей вызывала целые каскады воспоминаний о некоторых конкретных событиях. Но удаление участка мозга, примыкающего к электроду, не стирало памяти. Трудно удержаться от вывода, что, во всяком случае, у людей воспоминания находятся где-то в коре головного мозга, ожидая, когда мозг оживит их, послав электрические импульсы, которые, конечно, в этом случае приходят не извне, от экспериментатора, а вырабатываются внутри самого мозга[10].

Если считать память функцией коры головного мозга как целого – наподобие своего рода динамической реверберации или стоячей электрической волны, – а не чем-то статически расположенным в различных отсеках мозга, то становится понятным, почему после серьезных поражений мозга память все-таки сохраняется. Известные науке факты, однако, говорят об обратном. В экспериментах, которые провел американский нейрофизиолог Ральф Джерард в Мичиганском университете, хомячки были обучены выбираться из простого лабиринта, а затем их охлаждали почти до точки замерзания, ввергая тем самым в искусственную спячку. Температура была столь низкой, что приостанавливалась любая электрическая активность мозга, которую удавалось зафиксировать. Если бы динамический подход к памяти был правильным, то хранящийся в памяти опыт успешного преодоления лабиринта в эксперименте стирался бы. Однако после отогревания хомячки помнили все. Похоже, что память локализована в определенных участках мозга и ее «выживание» после массивных поражений мозга является результатом хранения в различных участках мозга избыточного количества статических следов памяти.

Пенфилд, расширив исследования своих предшественников, обнаружил также примечательную локализацию функций в двигательной части коры. Определенные части поверхности нашего мозга посылают сигналы строго определенным частям тела или же принимают сигналы от них. На рис. 2 и 3 дана карта чувствительных и двигательных участков коры, разработанная Пенфилдом. На ней в чрезвычайно наглядном виде отражена относительная важность различных частей нашего тела. Необычайно большая часть мозга, отданная пальцам руки и особенно большому пальцу, а также рту и органам речи, в точности соответствует тем особенностям нашей физиологии, что выделили нас из всего животного мира. Человеческая культура, способность людей к обучению никогда не могли бы развиться без участия речи, а наша нынешняя техника и все, что создано человечеством, никогда не появились бы на свет, не будь у нас такой руки. В определенном смысле карта двигательной части коры головного мозга человека представляет собой точный портрет всего человечества.

Однако сегодня появились и новые свидетельства в пользу локализации различных функций в мозге. Изящные опыты, проведенные Дэвидом Хюбелом в Гарвардской медицинской школе, показали, что в мозге существуют особые нейрональные сети, которые избирательно реагируют на воспринимаемые глазом линии, различно ориентированные в пространстве. Одни нейроны отзываются на горизонтальные линии, другие – воспринимают вертикальные и диагональные линии, и стимулом для каждого из них являются только такие линии, которые ориентированы в пространстве соответствующим данному нейрону образом. Значит, хотя бы минимальные проявления абстрактной мысли можно проследить в мозге до уровня отдельных клеток.

Существование специфических участков мозга, связанных с конкретными познавательными, чувствительными или двигательными функциями, предполагает, что не должно быть жесткой зависимости между массой мозга и умственными способностями. Очевидно, что некоторые части мозга более важны, чем другие. Среди обладателей особенно большого по массе мозга были Оливер Кромвель, Иван Тургенев и лорд Байрон. Но, с другой стороны, мозг Альберта Эйнштейна не отличался особой величиной. Анатоль Франс, один из самых блестящих умов, обладал мозгом вдвое меньшим, чем у Байрона. У новорожденного человеческого детеныша исключительно велико отношение массы мозга к массе тела (около 12 процентов), и его мозг, особенно кора больших полушарий, продолжает быстро расти в течение первых трех лет жизни – периода наиболее быстрого обучения. К шести годам масса мозга достигает 90 процентов от ее величины во взрослом состоянии. В среднем масса мозга современного человека составляет примерно 1 375 граммов. Так как плотность мозга, как и всех других тканей тела, примерно равна плотности воды (один грамм на кубический сантиметр), то объем такого усредненного мозга – 1 375 кубических сантиметров, что немного менее полутора литров.

Но мозг современной женщины примерно на 150 кубических сантиметров меньше. Однако если учитывать культурные показатели и способность к воспитанию детей, то нет никаких явных свидетельств о различии умственных способностей между полами.

Рис. 2 и 3. Чувствительный (сенсорный) и двигательный (моторный) гомункулюс (по Пенфилду). Приводятся две карты специализации функций в коре головного мозга. Пропорции человеческого тела на рисунках нарушены, чтобы иметь возможность показать, сколько внимания уделяет кора головного мозга каждой отдельной части тела: чем большей она показана на рисунке, тем больше и оказываемое ей внимание. Слева показана соматическая сенсорная, или чувствительная, область, которая получает нервные импульсы от изображенных на рисунке частей тела, справа – соответствующая карта, показывающая передачу импульсов от мозга к телу

1 — чувствительный (сенсорный) гомункулюс; 2 — двигательный (моторный) гомункулюс; 3 – внутренние органы; 4 – гортань; 5 – язык; 6 — зубы, десны и челюсти; 7 – нижняя губа; 8 – губы; 9 — верхняя губа; 10 — лицо; 11 — нос; 12 — глаз; 13 — большой палец; 14 — указательный палец; 15 — средний палец; 16 – безымянный палец; 17 — мизинец; 18 — кисть; 19 — запястье; 20 — предплечье; 21 — локоть; 22 — рука; 23 — плечо; 24 – голова; 25 – шея; 26 — туловище; 27 — бедро; 28 — голень; 29 — ступня; 30 — половые органы; 31 — пальцы ног; 32 – лодыжка; 33 – колено; 34 — бровь; 35 – веко и глазное яблоко; 36 — челюсть; 37 – жевание; 38 — слюноотделение; 39 — речь; 40 — глотание

Поэтому разница в массе мозга в 150 граммов у людей несущественна. Сравнимые отклонения в массах мозга имеют место у взрослых людей различных рас (у людей желтой расы объем мозга несколько больше, чем у людей белой расы), и, поскольку при прочих равных условиях не обнаруживается никакой разницы в интеллекте, мы вновь приходим к прежнему выводу. А расхождение в размерах мозга у лорда Байрона (2200 граммов) и Анатоля Франса (1100 граммов) позволяет предположить, что разница даже в пределах многих сотен граммов может быть функционально незначимой.

С другой стороны, у больных микроцефалией, которые рождаются с маленьким мозгом, познавательные способности весьма ограниченны. Обычно масса их мозга колеблется между 450 и 900 граммами. В норме новорожденный имеет массу мозга 350 граммов, а годовалый ребенок – 500 граммов. По-видимому, мозг может быть меньше среднего до определенного предела, за которым дальнейшее уменьшение его размеров связано с резким нарушением его функций по сравнению с нормальным мозгом взрослого человека.

Более того, существует статистическая зависимость между массой или размером мозга и умственными способностями человека. Соотношение, как ясно показывает параллель Байрон – Франс, отнюдь не точное. Об умственных способностях в каждом отдельном случае нельзя судить по размерам мозга. Однако, как показал американский биолог-эволюционист Лейг ван Вейлен в Чикагском университете, имеющиеся в распоряжении ученых данные позволяют установить достаточно четкую корреляцию, которая существует в среднем между размером мозга и умственными способностями. Значит ли это, что размер мозга в определенном смысле определяет уровень интеллекта? А не может ли быть так, что, к примеру, недостаточное питание, особенно в период внутриутробного развития и в младенчестве, приводит одновременно и к малому размеру мозга, и к низким умственным способностям и при этом первое не служит причиной второго? Ван Вейлен указывает, что корреляция между умственными способностями и размером мозга просматривается много четче, чем между умственными способностями и ростом или массой тела, про которые точно известно, что они (прежде всего масса, конечно) впрямую зависят от питания. В то же время не вызывает сомнения, что плохое, неполноценное питание может отрицательно сказаться на развитии интеллекта.

Исследуя открывшуюся перед ними благодаря трудам нейробиологов новую интеллектуальную территорию, физики посчитали полезным произвести грубые оценки. Это приблизительные расчеты, но они очерчивают круг проблем и намечают путь к дальнейшим исследованиям. При этом, конечно, они не претендуют на точность. Что касается связи между размерами мозга и умственными способностями, то совершенно очевидно, что составить перепись функций каждого кубического сантиметра мозга современная наука еще не может. Но неужели не существует хотя бы грубого и приблизительного способа связать между собой массу мозга и интеллект?

Разница в массе мозга мужчины и женщины представляет интерес именно в этом контексте, потому что женщины, как правило, миниатюрнее и имеют меньшую массу тела, чем мужчины. Если тело, которым ему надлежит управлять, меньше по размерам, то не должен ли и мозг быть меньше? Отсюда следует, что для сравнения уровней интеллекта лучше брать не абсолютную величину массы мозга, а отношение массы мозга к общей массе тела.

На диаграмме, изображенной на рис. 4, даны массы мозга и массы тела различных животных. Ясно видно отличие рыб и рептилий от птиц и млекопитающих. Данной массе тела у млекопитающих соответствует существенно большая масса мозга. Мозг млекопитающих в 10-100 раз более массивен, чем мозг современных рептилий сравнимого размера. Различия между млекопитающими и динозаврами еще больше – они поистине ошеломляюще велики и наблюдаются во всех без исключения случаях. Поскольку сами мы млекопитающие, у нас, возможно, есть некоторые предрассудки относительно сравнительной величины интеллекта млекопитающих и рептилий, но я думаю, что известные науке данные абсолютно убедительно свидетельствуют, что млекопитающие действительно всегда намного умнее, чем рептилии. (На диаграмме показано также одно интригующее исключение: маленький страусоподобный динозавр из позднемелового периода, у которого отношение массы мозга к массе тела соответствует той части диаграммы, где помещены большие птицы и наименее разумные млекопитающие. Интересно было бы узнать побольше об этих существах, изучением которых занимался Дейл Рассел, руководитель отдела палеонтологии Национального музея Канады.) На диаграмме, изображенной на рис. 4, видно также, что приматы, которые включают в себя и человека, отличаются, хотя и с меньшим постоянством, от остальных млекопитающих: мозг приматов от 2 до 20 раз массивнее, чем мозг других млекопитающих, имеющих ту же массу тела.

Рис. 4. Диаграмма, показывающая разброс величин «отношения массы мозга к массе тела» для приматов, млекопитающих, птиц, рыб, рептилий и динозавров

Если взглянуть на эту диаграмму более внимательно, выделив на ней некоторое число животных, мы получим новую диаграмму, изображенную на рис. 5. Из всех организмов, показанных на ней, зверь, имеющий наибольшую массу мозга на единицу тела, – это существо, называемое Homo sapiens. Следующим за ним идут дельфины[11]. И я снова не считаю шовинистическим вывод, сделанный на основании очевидных фактов, что люди и дельфины принадлежат к самым разумным организмам на Земле.

Важность отношения массы мозга к массе тела осознавалась еще Аристотелем. В наше время более других для разработки этой идеи сделал Гарри Джерисон, нейропсихиатр из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Джерисон указывает, что существует несколько исключений к установленной ранее корреляции: например, мозг европейской землеройки имеет массу 100 миллиграммов, а тело ее – 4,7 грамма, и отношение этих величин близко к его значению у человека. Но мы не имеем права распространять обнаруженные закономерности на самых мелких из животных, поскольку простейшие «домашние» заботы, возложенные на мозг, требуют некоторой минимальной массы его вещества.

Рис. 5. Более подробное рассмотрение некоторых точек диаграммы, приведенной на рис. 4. Птицеящер – это страусоподобный динозавр, о котором говорится в этой книге

Масса мозга взрослого кашалота, близкого родственника дельфина, равняется почти 9 000 граммам, что в шесть с половиной раз больше, чем в среднем у человека. Здесь необычно абсолютное значение массы мозга, а не отношения массы мозга к массе тела. Масса мозга самых больших динозавров составляла около одного процента от массы мозга кашалота. Зачем кашалоту такой огромный мозг? Применимы ли к кашалоту такие понятия, как мысли, озарения, искусство, наука, литература?

Критерий отношения массы мозга к массе тела представляет собой очень удобное средство для сравнения разумности совершенно различных животных. Это то, что физик назвал бы приемлемым первым приближением. (Отметим на будущее, что австралопитеки, которые были или предками человека, или по крайней мере его близкими побочными родственниками, также имели большое отношение массы мозга к массе тела, что было рассчитано по остаткам их черепов.) Не является ли наша общая неосознанная тяга к младенцам и другим маленьким млекопитающим, которые обладают относительно большой головой по сравнению со взрослыми животными того же вида, следствием нашего бессознательного понимания важности отношения массы мозга к массе тела?

Данные, приведенные до сих пор, показывают, что превращение рептилий в млекопитающих, начавшееся более двух сотен миллионов лет назад, сопровождалось большим увеличением относительного размера мозга и ростом разумности, а эволюция человека от предковых приматов несколько миллионов лет назад сопровождалась еще более впечатляющим развитием мозга.

Человеческий мозг (исключая мозжечок, который, как представляется, не принимает участия в познавательных функциях) содержит около десяти миллиардов переключающихся элементов, называемых нейронами. (Мозжечок, который расположен под корой больших полушарий головного мозга, ближе к задней части головы, содержит еще приблизительно десять миллиардов нейронов.) Электрический ток, генерируемый нейронами (или нервными клетками) и проходящий через них, позволил итальянскому анатому Луиджи Гальвани открыть электричество. Гальвани обнаружил, что электрические импульсы, подводимые к лапке лягушки, всякий раз заставляют ее дергаться; и стала популярной мысль, что присущие животным (анимальные) движения в конечном итоге возникают благодаря электричеству. Это в лучшем случае лишь частичная правда: электрические импульсы, передающиеся по нервным волокнам, в действительности вызывают движения с помощью нейрохимических посредников, но сами эти импульсы генерируются в мозге. Тем не менее современная наука об электричестве, а также вся электрическая и электронная промышленность берут свое начало от экспериментов, проведенных в XVIII веке, в которых лягушачья лапа дергалась из-за подведенного к ней электрического тока.

Спустя всего несколько десятилетий после Гальвани несколько хорошо образованных англичан, застрявших в Альпах из-за непогоды, устроили соревнование, кто из них напишет лучшее литературное произведение, полное ужасов. Одна из них, Мэри Шелли, создала знаменитую историю о чудовище доктора Франкенштейна, которое пробуждалось к жизни, когда через него пропускали сильный электрический ток. С тех пор электрические устройства стали главной опорой фильмов ужасов и романов насилия. Идея, лежащая в их основе, принадлежит Гальвани. Она ошибочна, но термин проник во многие западные языки – например, можно сказать, что я был «гальванизирован» к написанию этой книги.

Многие нейробиологи считают, что мозг выполняет свои функции благодаря нейронам, хотя есть свидетельства, что некоторые специфические воспоминания и другие познавательные функции могут содержаться в определенных молекулах мозга – таких, как РНК или небольшие белковые молекулы. На каждый нейрон в мозге приходится около десяти глиальных (от греческого слова, означающего «липкий») клеток, которые для нейронной архитектуры служат строительными лесами. Средний нейрон человеческого мозга имеет от 1000 до 10 000 синапсов или контактов с соседними нейронами. (Есть основания считать, что число синапсов многих нейронов спинного мозга достигает 10 000, а у так называемых клеток Пуркинье в мозжечке – и того более. Число контактов нейронов коры головного мозга, вероятно, менее 10 000.) Если каждый синапс дает один ответ типа «да – нет» на элементарный вопрос, как это имеет место в переключающихся элементах электронных вычислительных машин, то максимальное число таких «да – нет» ответов, или битов информации, которое может содержаться в мозге, составляет около 10¹⁰ · 10³ =10¹³, или 10 триллионов, битов (или 100 триллионов = 10¹⁴ битов, если считать, что каждый нейрон имеет 10⁴ синапсов). Часть этих синапсов должна содержать ту же информацию, что уже хранится в других синапсах, часть должна быть связанной с двигательной или другими непознавательными функциями, а некоторые могут оставаться просто чистыми, являя собой своего рода склад, ожидающий новую информацию, чтобы заполниться ею.

Если бы у каждого человеческого мозга был всего один синапс – что соответствует монументальной глупости, – то наш разум мог бы находиться всего лишь в двух состояниях. Если бы мы имели всего 2 синапса, то ему были бы доступны 2² = 4 состояния, при 3 синапсах – 2³ = 8 состояний и в общем виде при n синапсах – 2ⁿ состояния. Но человеческий мозг содержит около 10¹³ синапсов. Таким образом, число различных состояний, в которых он может находиться, представляет собой число 2, возведенное в эту степень, то есть помноженное само на себя десять триллионов раз. Это невообразимо большое число, намного превышающее, например, число всех элементарных частиц (электронов и протонов) во Вселенной, которое меньше чем число 2, возведенное всего в степень 10³. Благодаря столь гигантскому числу возможных функционально различных конфигураций человеческого мозга никакие два человека, даже близнецы, выращенные вместе, не могут быть совершенно одинаковыми. Эти чудовищные числа могут также в какой-то мере объяснить непредсказуемость человеческого поведения в те моменты, когда мы удивляем даже самих себя тем, что делаем. Более того, в свете этих цифр удивительным становится, как вообще существуют хоть какие-нибудь закономерности в человеческом поведении. Но далеко не все возможные состояния мозга обязательно осуществляются, колоссальное число конфигураций никогда не наблюдалось никем из людей за всю историю человечества. С этой точки зрения каждое человеческое существо поистине редко и отлично от других, а отсюда как очевидное этическое следствие вытекает священная неприкосновенность каждого человека.

В последние годы стало ясно, что в мозге существуют электрические микросети. Нейроны, входящие в эти микросети, способны давать значительно более широкий круг ответов, нежели простые «да» или «нет», в отличие от переключающихся элементов в электронных вычислительных машинах. Размеры этих микросетей очень малы (обычно около 1/10 000 сантиметра), и, таким образом, информация передается по ним чрезвычайно быстро. Они реагируют на напряжение, равное приблизительно 1/100 того, что необходимо для возбуждения обычных нейронов, и потому способны на более тонкие и точные ответы. По мере увеличения сложности животных число таких микросетей растет и достигает своего пика – абсолютного и относительного – у человека. Они возникают на самых последних этапах внутриутробного развития человеческого детеныша. Существование таких микросетей говорит о том, что разум может быть результатом не только большой величины отношения массы мозга к массе тела, но также и избытка специализированных переключающихся элементов в мозге. Эти микросети делают возможное число его состояний еще большим, чем следует из проведенных только что расчетов, и, таким образом, дополнительно увеличивают удивительную уникальность каждого человеческого мозга.

Мы можем подойти к вопросу об информации, содержащейся в человеческом мозге, другим путем – с помощью интроспекции, то есть самонаблюдения. Попытайтесь представить себе какой-нибудь зрительный образ из детства. Вглядитесь в него внимательно своим мысленным взором. Вообразите, что он состоит из маленьких точек наподобие фотографии в газетах. Каждая точка обладает определенным цветом и яркостью. Теперь вы можете задаться вопросами: сколько битов информации необходимо, чтобы описать цвет и яркость каждой точки, сколько точек нужно, чтобы создать картину, вызванную вами в памяти, и сколько времени требуется, чтобы вспомнить все детали картины, возникшей перед вашим мысленным взором. Предаваясь воспоминаниям, вы в каждый данный момент сосредоточиваете свое внимание на очень маленькой детали картины, ваше поле зрения весьма сужено. Когда же вы соберете вместе все эти данные, то получите скорость переработки информации мозгом в битах за секунду. Произведя соответствующие вычисления, я получаю, что предельная скорость переработки информации мозгом равняется примерно 5 000 битов в секунду[12].

Чаще всего такие зрительные воспоминания концентрируются на очертаниях фигур и резких переходах от яркого к темному, а не на конфигурациях частей, имеющих нейтральную яркость. Лягушка, например, хорошо видит лишь контрастные по яркости предметы. Есть, однако, серьезные свидетельства тому, что достаточно обычны детальные воспоминания о внутренних частях предметов, а вовсе не об их очертаниях. Самый яркий пример тому, вероятно, – эксперименты с людьми по реконструкции объемного образа, когда необходимо мысленно соединить память о том, что видел один глаз, с тем, что в данный момент видит другой. Слияние образов при таком – он называется анаглифическим – способе их рассмотрения требует, чтобы в память вошло 10 000 элементов предъявленной картины.

Но я вовсе не вспоминаю зрительные образы все время, пока я бодрствую, равно как не подвергаю постоянно людей и окружающие предметы внимательному изучению. Я занят всем этим лишь небольшой процент времени. Другие мои информационные каналы – слуховой, осязательный, обонятельный и вкусовой – работают со значительно меньшей скоростью передачи информации. Я полагаю, что средняя скорость переработки информации мозгом составляет приблизительно 5 000 / 50 = 100 битов в секунду. За шестьдесят с лишним лет это дает 2 · 10¹¹, или 200 миллиардов, битов зрительной и всякой иной информации, запасенной для воспоминаний, – в предположении, что я обладаю идеальной памятью. Это меньше, но не намного, чем число синапсов или нейронных соединений (поскольку мозгу приходится заниматься не только воспоминаниями), из чего следует, что нейроны и в самом деле являются главными переключающимися элементами при выполнении мозгом его функций.

Замечательную серию экспериментов по выявлению изменений, происходящих в мозге при обучении, провели американский психолог Марк Розенцвейг и его коллеги в Калифорнийском университете в Беркли. Они содержали две популяции лабораторных крыс в различных условиях: одну в убогой, однообразной, бедной обстановке, другую, наоборот, в богатой, разнообразной, обогащенной среде. У животных второй группы обнаружилось разительное увеличение массы и толщины коры больших полушарий мозга, а также изменение химии мозга. Эти изменения произошли как у взрослых, так и у молодых крыс. Подобные эксперименты показывают, что обучение сопровождается физиологическими изменениями мозга. Они демонстрируют также, как пластичность мозга может задаваться его анатомическими механизмами. Поскольку чем больше кора больших полушарий мозга, тем легче осуществить дальнейшее обучение, становится ясным, насколько важна богатая окружающая среда в раннем детстве.

Отсюда должно следовать, что обучение соответствует возникновению новых синапсов или же активации ранее бездействовавших. Некоторые предварительные свидетельства в пользу этой точки зрения были получены американским нейроанатомом Вильямом Гринау и его сотрудниками в Иллинойском университете. Они обнаружили, что, после того как в течение нескольких недель крыс обучали выполнять новые задачи в лабораторных условиях, в коре их больших полушарий возникали новые ответвления нейронов, образующие синапсы. У других крыс, которые содержались в тех же условиях, но не получали аналогичного обучения, подобных нейроанатомических новшеств не наблюдалось. Образование новых синапсов требует синтеза белковых молекул и молекул РНК. Есть немало фактов, указывающих на то, что эти молекулы образуются в мозге во время обучения, а некоторые исследователи предполагают, что результат обучения содержится в молекулах белков и РНК мозга. Но, видимо, правильнее будет сказать, что новая информация содержится в самих нейронах, которые, в свою очередь, построены из молекул белков и РНК.

Насколько плотно упакована хранящаяся в мозге информация? Обычно плотность информации при работе современной электронной вычислительной машины составляет около одного миллиона битов на кубический сантиметр. Эта величина получена путем деления всего количества информации, имеющейся в компьютере, на его объем. Человеческий мозг содержит, как уже говорилось, около 10³ битов в объеме немного большем, чем 10³ кубических сантиметров. Отсюда получается величина 10¹³ / 10³ = 10¹⁰, то есть около десяти миллиардов битов на кубический сантиметр. Таким образом, наш мозг имеет в десять тысяч раз более плотную упаковку информации, нежели компьютер, хотя компьютер намного больше его. Другими словами, современная электронная вычислительная машина, способная обрабатывать объем информации, доступный человеческому мозгу, должна быть в десять тысяч раз больше его по размерам. С другой стороны, нынешние компьютеры могут обрабатывать информацию со скоростью от 1016 до 1017 битов в секунду, что в десять миллиардов раз быстрее, чем в мозге. При такой небольшой общей информационной емкости и столь невысокой скорости обработки данных мозг должен быть чрезвычайно удачно устроен и заполнен, чтобы решать так много таких важных задач настолько лучше, чем самый лучший из известных нам компьютеров.

Когда объем мозга животных удваивается, число нейронов в нем не увеличивается в два раза. Оно возрастает, но медленнее. Человеческий мозг объемом около 1 375 кубических сантиметров, как уже говорилось, содержит, без учета мозжечка, около десяти миллиардов нейронов и примерно десять триллионов битов. В лаборатории Национального института умственного здоровья около Бетесды, штат Мэриленд, я держал недавно в руках мозг кролика. Он был объемом примерно в тридцать кубических сантиметров, то есть размером с редиску, вмещал несколько сот миллионов нейронов, имевших дело с несколькими сотнями миллиардов битов информации, управляющей поведением живого существа, включая такие его действия, как поедание салата, подергивание носом и «заигрывание» с особой противоположного пола.

Поскольку среди млекопитающих, рептилий или амфибий встречаются животные с самыми различными размерами мозга, мы лишены возможности дать надежную оценку числа нейронов в мозге типичного представителя каждого таксона. Но в наших силах определить усредненные величины, что я и сделал в схеме на рис. 5. Приблизительный подсчет, приведенный там, показывает, что человек обладает примерно в сто раз большим числом битов информации в мозге, чем кролик. Я не знаю, можно ли сказать, что человек в сто раз разумнее кролика, но я и не уверен, что это утверждение такое уж смехотворное.

Мы в состоянии теперь сравнить постепенное увеличение количества информации, содержащейся в генетическом материале, и количества информации, содержащейся в мозге организмов, за все время эволюционного развития. Две кривые пересеклись в точке, соответствующей времени в несколько сот миллионов лет назад и информационной емкости в несколько миллиардов битов. Где-то во влажных джунглях каменноугольного периода появилось животное, которое впервые за все время существования мира имело больше информации в мозге, чем в генах. Это была примитивная рептилия, которую, появись она в наше ученое время, мы не нашли бы чрезмерно разумной. Но ее мозг был знаменательным поворотным пунктом в истории жизни. Два последующих скачка в эволюции мозга, сопровождавших возникновение млекопитающих и появление человекоподобных приматов, были еще более важными этапами в развитии разума. Основную часть истории жизни со времени каменноугольного периода можно назвать постепенным (и, конечно, неполным) торжеством мозга над генами.