Умный и сознающий. 4 миллиарда лет эволюции мозга

Глубокие корни

«Мы – это наш мозг». Это утверждение одни считают неоспоримым, а другие – надуманным. Ясно одно: суть каждого из нас зависит от нашего мозга. Мозг – это наша способность мыслить, радоваться и грустить, общаться посредством речи, переосмысливать то, что с нами происходит, предполагать, планировать и беспокоиться о нашем воображаемом будущем.

История эволюции человеческого мозга (рисунок 1.1) обычно преподносится с учетом относительно близких к нам животных, особенно млекопитающих и других позвоночных. Мы часто слышим о том, что нервная система людей способна формировать более сложные поведенческие и когнитивные механизмы, чем были у наших предков-приматов, мозг которых отличался от мозга других млекопитающих. Еще говорят о том, что предками млекопитающих были рептилии, мозг млекопитающих развился из мозга рептилий, а предками рептилий и амфибий были рыбы, которые, в свою очередь, произошли от беспозвоночных.

Рисунок 1.1. Эволюция людей от позвоночных предков

Разбираясь в физиологических функциях других позвоночных, можно понять, как человеческий мозг стал таким, каким мы его видим сегодня, и какое влияние оказывает мозг на нашу психологическую сущность – ядро нашей личности, включая те черты, которые нам в самих себе нравятся, и те, которых мы предпочли бы не иметь. Правда, я думаю, что эта общепринятая стратегия не может дать ответы на все вопросы. Представьте, что вы пытаетесь понять всю историю цифровых вычислительных машин, ограничиваясь только первыми устройствами, которые с коммерческой точки зрения аналогичны сегодняшним компьютерам, – персональными компьютерами конца 1970-х годов марок Commodore, Apple и IBM. На самом деле суть цифрового вычисления была известна задолго до появления этих устройств. Поэтому если вы будете выяснять, как работают современные компьютеры, вам придется тщательно изучить эти устройства и их непосредственных предшественников, но если вас интересует, почему компьютеры сегодня такие, какие есть, и почему они работают именно так, вам придется углубиться в историю их создания и их эволюцию начиная с аналоговых процессоров, включая даже неэлектронные устройства (например, счеты).

Аналогично истории компьютеров, если вы хотите понять сложные физиологические функции нашего мозга, придется отправиться в долгое – очень долгое – путешествие вглубь истории жизни. Когнитивные и поведенческие способности нашего мозга не очевидны, как не видны глубокие корни дерева; чтобы увидеть их, нам придется заглянуть очень глубоко – туда, где остались другие млекопитающие, позвоночные и даже наши общие беспозвоночные предки, туда, где существовали только древние одноклеточные микроорганизмы, первые живые существа на Земле[4 - В числе других недавно вышедших книг, посвященных связи человеческого мозга с биологией Древнего мира, стоит отметить From Bacteria to Bach and Back Again Дэниела Деннета (Деннет Д. Разум от начала до конца. Новый взгляд на эволюцию сознания от ведущего мыслителя современности / пер. М. С. Соколовой. М.: Бомбора, 2021), «Странный порядок вещей» Антонио Дамасио и «Первый мозг» Артура Ребера. Взгляд каждого из авторов своеобразен, сделанные ими выводы отличны от моих.].

Но зачем же заглядывать в такие дебри, ведь мы всего лишь хотим понять, как сформировался человеческий мозг с его функциями? У одноклеточных организмов – таких, как бактерии – даже нервной системы нет, что уж говорить о мозге. Если мы хотим понять, как устроен человеческий мозг, почему нельзя сосредоточиться только на изучении тех животных, у которых есть мозг или по крайней мере нервная система? Ключевой аргумент этой книги изложен в прологе: необходимые для выживания требования были с успехом соблюдены еще первыми живыми организмами миллиарды лет назад, и эту свою способность они передали всем своим потомкам.

По мере эволюции появились многоклеточные организмы, которым стало сложнее контролировать свою поведенческую деятельность в борьбе за выживание. Требовалось скоординировать клетки, расположенные в разных частях тела, что сначала привело к распределению клеток нервной системы по всему телу (как у полипов, медуз и подобных им существ), а позже – к появлению нервных систем с единым центром управления, то есть мозгом.

Таким образом те характерные для клеток черты, которые позволили первым примитивным организмам выживать и размножаться, продолжили свое существование и составили основу всего живого в том виде, в котором мы его знаем (см. рисунок на форзаце). Я не ставлю своей целью проследить биологическую взаимосвязанность населяющих Землю организмов: это предпринималось уже много раз; я лишь хочу показать, что корни того поведения, которое мы по привычке называем обыденной жизнью, гораздо древнее, чем принято думать.

В отличие от общепринятого представления, поведение не является инструментом мышления. Безусловно, человеческое поведение отражает осознанные намерения, желания и страхи, однако, углубившись в историю поведения, мы вынуждены будем признать, что оно прежде всего является инструментом выживания, причем выживания как отдельной клетки, так и более сложных организмов, способных сознательно контролировать некоторые из своих действий. Связь поведения с психической жизнью, как и сама психическая жизнь, с точки зрения эволюции второстепенна.

Чтобы досконально разобраться в вопросе о том, как мозг сделал нас теми, кем мы являемся сегодня, нужно понять те стратегии выживания, которые были встроены в древние одноклеточные организмы, сохранились в примитивных многоклеточных формах жизни и были унаследованы специальными клетками под названием «нейроны», когда у древних беспозвоночных появились нервные системы. Эти стратегии сохранились в древних системах беспозвоночных предков позвоночных организмов, ими ежедневно успешно пользуются люди и другие животные, независимо от того, просто устроено их тело или сложно.

Только изучая естественную историю жизни на Земле, мы сможем понять, какие уникальные черты постепенно добавлялись живым организмам в ходе эволюции, в итоге приведя к формированию нашего мозга со всеми его функциями. Это не значит, что человеческое поведение постижимо сквозь призму древних реакций, направленных на выживание, но позволяет четче определить, какие аспекты человеческого поведения связаны с процессами, унаследованными нами от других организмов, а какие являются уникальными.

Глава 2

Древо жизни

Вплоть до второй половины XIX века взаимоотношения живых организмов в основном расценивались как последовательность, на вершине которой находились люди, а под ними – все прочие населяющие Землю живые существа. Классификация Аристотеля, получившая название «лестница природы» (scala naturae), основана на усложнении видимых черт организмов, и люди как обладатели самых сложных тел оказались на верхней ступеньке этой лестницы. Позвоночных от беспозвоночных отличало наличие субстанции, которую мы сегодня называем кровью, а среди беспозвоночных в отдельный класс выделяли тех, у которых были раковины (например, моллюсков, мидий и устриц): они считались чем-то средним между животными и растениями. На основании книги Бытия и лестницы Аристотеля средневековые христианские теологи предложили классификацию, в основе которой лежал такой параметр, как «совершенство»; его понимали как приближенность к Богу. В этой великой цепи бытия люди, созданные по образу и подобию Бога, считались наиболее совершенными организмами на Земле. Исключительно заметным в рамках этой традиции было понятие о том, что все формы жизни на Земле появились относительно одновременно. Случилось это примерно 6000 лет назад – в тот момент, когда Бог заселил райский сад преимущественно людьми, яблонями и змеями, и эти организмы продолжили свое существование в неизменном виде: за прошедшие тысячелетия их внешний вид нисколько не изменился.

В XIX веке появились и другие точки зрения; они отражены в работах Альфреда Рассела Уоллеса и Чарлза Дарвина. Теория Дарвина вошла в историю – вот на ней мы и сосредоточимся.

В своей книге 1859 года «О происхождении видов» Дарвин высказал предположение о том, что современные организмы произошли от древних форм, и на это превращение потребовалось очень много времени – гораздо больше, чем те несколько тысячелетий, о которых говорилось в библейских текстах. Исходя из своих собственных наблюдений за дикой природой, а также наблюдений своих предшественников – философов и ученых, Дарвин предположил, что отношения, существующие между организмами, напоминают скорее ветвистое дерево, «древо жизни», а не прямую лестницу с метафоричными ступеньками. Дарвин говорил: «Его зеленые цветущие ветви – это существующие виды, а те, что выросли в предыдущие годы, представляют длинную цепочку вымерших видов».

Внизу, у ствола, находится то, что Дарвин называл изначальной формой, – организм, из которого поэтапно развились все прочие формы жизни; одни претерпели адаптацию и выжили, другие вымерли. Отказавшись от иудейско-христианской традиции, считавшей все организмы уникальными и не связанными друг с другом созданиями, Дарвин высказал мнение о том, что все живые организмы связаны между собой посредством этого общего предка.

С научной точки зрения древо жизни точнее отображает положение видов в природе, чем лестница или шкала, и его удалось построить, полностью отказавшись от убеждения, что людям в природе отведено особое место. Так, например, биолог конца XIX века Эрнст Геккель опубликовал несколько иллюстраций, направленных на популяризацию дарвиновского древа жизни. На одной из самых известных, озаглавленной «Родословная человека» (рисунок 2.1), изображено дерево с ветвями, однако основные группы животных распределены друг над другом по стволу, а люди помещены на самую верхушку дерева. Вряд ли Геккель – ученый-первопроходец, внесший огромный вклад в развитие науки, – предполагал, что человек является результатом линейного развития жизни. Какими бы ни были его намерения, эта диаграмма доказывает наивность представления о человеке как о высшем организме на Земле и венце развития жизни с древних времен.

Рисунок 2.1. Родословная человека по Геккелю

В учебниках середины XX века человек по-прежнему занимает вершину древа жизни, что отчасти было обусловлено популярностью знаменитой теории об эволюции мозга, согласно которой человеческий мозг совмещает в себе части мозга наших позвоночных предков. Над мозгом рептилий расположен мозг первых млекопитающих, а над ним – появившийся позднее мозг высших приматов; человеческий мозг представлен как вершина этой иерархии. В некоторых кругах представление о человеке как о вершине эволюционной пирамиды еще долго влияло на формирование взглядов об эволюции мозга и о его функциях, природе человеческого сознания, а также таких сферах, как этика и мораль. Похоже, людям сложно отказаться от мысли о том, что мы – особенные, что мы – цель жизни.

Многие люди в «исключительности» нашего вида даже не сомневаются. Для религиозных людей это Богом данный факт, для гуманистов – олицетворение особой власти наших мыслей и чувств, но наш вид появился в результате изменений, и мы тоже все время меняемся. Каждый новый ребенок при зачатии наделяется уникальным набором генов – таким, которого раньше ни у кого не было. То, что сегодня считается уникальным, у организмов, которые произойдут от нас, станет обыденным; у наших потомков будут свои особенные черты, которыми они будут отличаться от нас.

В определенном смысле и нас можно назвать особенными, если под «особенными» подразумевать «другими». Используя этот критерий, можно считать особенным любой живой организм, представляющий собой отдельную форму жизни, однако точно определить, чем мы отличаемся от других видов, не отрицая важности черт, которыми представители этих видов наделены, и не приписывая им тех черт, которых у них нет, трудно.

Когда мы говорим об истории своей семьи, о нашем семейном древе, мы имеем в виду группу крошечных побегов, расположенных далеко-далеко на одной из ветвей древа жизни. Вы интересуетесь историей своей семьи, потому что считаете ее своей личной историей, но также и история эволюции всего нашего вида – это ваша личная история, и для каждого из нас она представляет исключительный интерес. Но ведь наш вид – всего лишь прутик на одной из ветвей этого дерева. Этот прутик нам небезразличен, он – отправная точка нашего понимания истории жизни, и вовсе не потому, что мы занимаем особое место в естественном порядке вещей.

Глава 3

Эра царств

На протяжении долгого времени классификацией мира природы занимались исключительно ученые. Греки называли это занятие «расчленением на составные части согласно с их природою»[5 - Речь, очевидно, идет о цитате из диалога Сократа «Федр»: «Быть в состоянии в обратном направлении расчленять идею на составные, согласно с их природою, части и не пытаться искажать ни одной части, по образцу плохого повара, но поступать так, как сделано было в только что сказанных речах» (пер. С. А. Жебелева). – Прим. пер.]. Аристотель делил мир природы на три категории: растений, животных и людей. Разницу между ними он объяснял так: растения способны только питаться и размножаться; животные, помимо этого, испытывают ощущения и способны двигаться; а люди, в свою очередь, отличаются от животных способностью мыслить и делать выводы. Эти способности отражают три типа душ: у растений душа вегетирующая; у животных, которых он называл «тварями», – чувствительная (сенсорная) душа; у людей же душа разумная.

Образованные в результате этой классификации категории называются царствами, и число этих царств постоянно обсуждается (таблица 3.1). Великий систематик XVIII века Карл Линней пересмотрел систему Аристотеля и разделил все живое на растения, животных (включая людей) и минералы. Изобретение в XVII веке микроскопа привело к открытию микробов – одноклеточных организмов, неразличимых невооруженным глазом. Эрнст Геккель называл их протистами (что означает «первые»); вместе с растениями и животными они образовывали трехцарственную систему жизни. Когда в XX веке был изобретен электронный микроскоп, обнаружилось, что у некоторых микробов есть клеточное ядро, из которого можно выделить ДНК, а у других клеточного ядра нет, так что и ДНК такая клетка не имеет. Одноклеточные организмы с ядром (например, амебы, инфузории-туфельки и водоросли) остались в царстве протистов, а те, у которых ядра не было (бактерии), были отнесены к царству дробянок, разделенному на две группы – бактерии и архебактерии (обычно называемые просто «археи»). Позже добавилась еще одна многоклеточная группа – грибы (обычные и дрожжевые); таким образом, царств стало шесть. На сегодняшний день эта классификация природы является самой распространенной[6 - Есть предложения использовать систему из семи или даже восьми царств, но в рамках нашего рассказа мы не будем углубляться в эти противоречия.]. Как мы узнаем в дальнейшем, безъядерные организмы (бактерии и археи) назвали прокариотами, а те, клетки которых содержат ядра, – эукариотами (протисты, растения, грибы и животные).

Таблица 3.1. Развитие представления о царствах живого

Современные биологи по-прежнему используют ветвистое дерево в качестве метафоры, с помощью которой они объясняют отношения, существующие внутри царств и между ними, но старательно избегают определения роли человека как вершины эволюционного развития. У современной версии древа жизни шесть основных ветвей, каждая из которых символизирует одно из царств, а мелкие побеги на ветвях каждого царства обозначают отдельные группы организмов (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1. Шесть царств, представленные на древе жизни

Но делением на одни лишь царства классификация не ограничивается: внутри каждого из них выделяют различные подгруппы организмов. Линней стремился создать упорядоченную систему, которая распределяла бы эти группы по узким категориям в зависимости от возрастания сложности. Исходя из этой мысли Линнея внутри царств организмы принято делить на тип, класс, отряд, семейство, род и вид. Что касается нашего с вами вида, он классифицируется так: царство – животные, тип – хордовые, подтип – позвоночные, класс – млекопитающие, отряд – приматы, семейство – гоминиды, род – люди, вид – разумные.

Использование различных классификационных схем вовсе не означает возврата к представлению об изначальной уникальности отдельных типов организмов. На самом деле мы строго придерживаемся теории Дарвина, согласно которой все живущие сегодня организмы так или иначе связаны с существующими ныне и существовавшими в прошлом членами своего царства, потому что все формы жизни произошли от общего первобытного предка.

Глава 4

Общие предки

Существуют два принципиальных способа отслеживания эволюционной истории. Первый – по ископаемым останкам организмов в различных слоях или пластах камней. Определив возраст камней, можно понять, в каком периоде обитали организмы. Ограничения этого метода связаны с тем, что мягкие ткани многих организмов не превращались в окаменелости. Второй способ предполагает реконструкцию истории с помощью современных генетических методов; он точнее, поскольку гены организмов свидетельствуют об их эволюционной истории.

Ученые сумели определить дарвиновскую первобытную форму, сравнив гены организмов, представляющих различные царства, и выделив общие гены, относящиеся к истокам жизни. Как пишет Ник Лейн в книге «Вопрос жизни»[7 - * Лейн Н. Вопрос жизни / пер. К. Сайфулиной, М. Колесника. М.: Corpus, 2018. – Прим. изд.], предком всего живущего на Земле является клетка, появившаяся около 4,0–3,8 миллиарда лет назад, примерно через полмиллиарда лет после возникновения самой Земли. Эта клетка, считает он, имела довольно сложное строение. Сумев выжить, она передала необходимые для выживания свойства каждой из существовавших после нее клеток, включая все клетки нашего организма. У первобытного организма, прародителя всего живого, есть имя, или, скорее, прозвище, – его называют LUCA (сокр. от англ. last universal common ancestor – «последний универсальный общий предок»); это и есть основа древа жизни[8 - Многие высказываются против использования в названии LUCA формы существительного в единственном числе, полагая, что это была не отдельная клетка, а собрание некоторого количества клеток. Например, Карл Вёзе, один из ведущих ученых в этой области, отмечает: «Предком не может быть отдельный организм или даже ряд организмов. То была группа; разрозненная разнообразная масса примитивных клеток, которые эволюционировали как единое целое и в итоге достигли той ступени, когда разделились на несколько отдельных сообществ». Эти сообщества, продолжает он, стали тремя основными линиями эволюции – бактериями, археями и эукариотами. В рамках этой книги мы будем придерживаться понятия LUCA, признавая при этом возможность того, что LUCA – метафора сообщества древних клеток, а не отдельная клетка или тип клеток.].

Скорее всего, LUCA был не первым живым существом. Клетка – это сложное звено биологического механизма, и LUCA не мог появиться внезапно, будучи полностью сформированным. В древних водах РНК, ДНК и белки сформировали примитивные формы жизни, называемые протоклетками. Из этих биологических зачатков в итоге развился LUCA, и хотя его самого больше нет, его отпрыски – бактерия и архея – живы по сей день и составляют ключевое звено эволюции всех появившихся позднее форм жизни, включая нас.

Таким образом, ключом к пониманию эволюционной истории является понятие общего предка. Группа организмов, имеющих общего предка, называется кладой. Биологи-эволюционисты часто иллюстрируют кладограммами теорию о существовании общего предка, основанную на данных археологии и генетики. На кладограмме (рисунок 4.1) изображены шесть царств, произошедших от LUCA. Каждая ветвь, отходящая от длинной диагональной линии, обозначает общих предков, которые зачастую являются не живущими в настоящий момент организмами. 99 % когда-либо существовавших видов вымерли (на первой кладограмме точками обозначены места ответвления от общих предков). Концы линий, тянущихся от мест ответвления, символизируют живые организмы[9 - Изучая кладограмму на рисунке 4.1, велик соблазн предположить, что грибы и животные развились из растений, однако такое предположение будет неверным. У растений, грибов и животных были свои уникальные простейшие предки, которые, в свою очередь, произошли от существовавшего до них общего простейшего предка.].

Рисунок 4.1. Шесть царств жизни, представленные в виде кладограммы

Самое время развеять заблуждение о том, что люди произошли от обезьян. Знаменитый «обезьяний процесс», в ходе которого науке об эволюции пришлось противостоять религии, отчасти был построен на этом ошибочном утверждении. Люди относятся к гоминидам, и наши ближайшие родственники среди приматов – это человекообразные шимпанзе, так что если громкий судебный процесс и стоило затевать, его следовало бы назвать «процесс шимпанзе»[10 - Речь о деле 1925–1926 годов «Штат Теннесси против Джона Томаса Скоупса», известном как судебный «обезьяний процесс» (англ. monkey trial). Школьного учителя Джона Скоупса из города Дейтон обвинили в нарушении антидарвинистского «акта Батлера» – закона, запрещавшего преподавать в государственных образовательных учреждениях штата «любую теорию, которая отвергает историю божественного сотворения человека, которой учит <…> Библия, и учит вместо этого о том, что человек произошел от животных низшего порядка». Для виновного был предусмотрен штраф в 100–500 долларов. Процесс стал проявлением раскола в среде американских христиан: фундаменталисты настаивали на буквальном прочтении каждого слова Библии, а модернисты считали, что наука совместима с религией. – Прим. пер.]. На самом деле мы произошли не от шимпанзе, просто у древних человекообразных был общий с шимпанзе предок (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2. Кладограмма эволюции приматов

Приведем еще и такой пример: хотя люди и крысы относятся к млекопитающим и, следовательно, имеют определенные общие физиологические и поведенческие черты (такие, например, как волосы на теле и вскармливание потомства), мы крысами никогда не были; просто у приматов с крысами общий млекопитающий предок, от которого они и унаследовали эти черты. Вот почему так много важной информации о человеческом мозге мы почерпнули, изучая мозг грызунов. Правда, занимаясь такой работой, нельзя допускать мысль о том, что человек – всего лишь продвинутая крыса или даже продвинутый шимпанзе, поскольку эти животные относятся к разным кладам.

Дарвин предположил, что клады произошли от общего предка посредством естественного отбора. Согласно его теории, разные представители вида обладают разными чертами и способствующие выживанию черты постепенно встречаются чаще, потому что у обладающих ими особей больше шансов выжить и произвести потомство. Другими словами, полезные черты отбираются и закрепляются. Когда позже выяснилось, что механизмами наследования являются гены и хромосомы, теория Дарвина получила мощную поддержку.

Похоже, естественный отбор заставлял организмы постоянно совершенствоваться – так, чтобы им лучше жилось в окружающей их среде. Отлично, только, как гласит старая поговорка, лучше, когда хорошего понемножку. Если к очередному эволюционному шагу группу толкает недостаток пищи или появление нового хищника, те особи, которые слишком хорошо приспособились к существующей среде, могут быть к такому шагу не готовы, поскольку утратили свойства, ответственные за адаптационную гибкость. В новых условиях могут понадобиться свойства, не используемые в текущий момент.

Помимо отбора и миграции существуют другие важные с точки зрения эволюции факторы. Источником разнообразия являются мутации. Чаще всего в связи с мутациями вспоминают их отрицательное воздействие на вид, например заболевания, но они также могут проявляться возникновением черт, полезных для выживания. Такие мутации закрепляются внутри популяции. Случайный генетический дрейф – спонтанные изменения в чистоте появления определенных генов внутри популяции – также оказывает влияние на ход эволюции. Представьте, например, что в результате урагана гибнет множество обитателей уединенного острова. Если у погибших были гены, ответственные за проявление определенных свойств, частота проявления этих генов в будущем снизится у всего населения. По мере того, как выраженность определенных черт растет, формируется новая клада.

Здесь нужно особо подчеркнуть разницу между теми свойствами, которые были получены организмом от общего предка, и теми, которые являются схожими у разных видов, но при этом не связаны с тем, что у этих видов был общий предок. Позвоночный столб (спинной хребет, или позвоночник) есть у всех позвоночных животных: они унаследовали эту характеристику скелета от общего предка; также и волосы на своих телах все млекопитающие получили от пушистого общего предка этого класса, а вот отстоящий большой палец на конечностях приматов и панд – черта, которой у общего млекопитающего предка этих животных не было, следовательно, он сформировался отдельно с целью решения аналогичных задач. У летучих мышей и птиц тоже не было общего крылатого предка – на самом деле у мышей крылья развились из предплечий их бескрылых млекопитающих предков. Считается, что различия, в основе которых лежит общий предок, гомологичны, а если общего предка нет, различия являются не более чем сходствами.

Глава 5

Оно живое

Что именно мы группируем, когда строим древо жизни, классификацию царств или кладограмму? Если ответить коротко, мы классифицируем организмы, правда, сам термин «организм» я с первых страниц использую, не дав точного определения, поэтому пусть оно появится здесь. Организм – это живое существо, которое функционирует как физиологическая единица, а сутью составляющих его частей, действующих с высокой степенью сотрудничества и низкой степенью конфликтности, является обеспечение благополучия существа, поддержания его жизнеспособности и состояния, необходимого для размножения, чтобы его род продолжался.