Достижения мозга. Как этот орган стал самой сложной и влиятельной частью тела человека - Паоло Бартоломео
Появление потенциала действия создало благоприятные возможности для передачи информации в многоклеточном организме. Этот процесс послужил основой для кембрийского взрыва – периода, сопровождавшегося возникновением многочисленных форм жизни. Среди них находились предшественники почти всех основных групп животных, живущих на Земле в настоящее время: рыбы, рептилии, птицы, млекопитающие и другие.
Объемный орган
Первые позвоночные поедали другие организмы: растительные или животные. Эти морские хищники обладали примитивным мозгом и вначале идентифицировали свою добычу главным образом с помощью обоняния. Затем они распространились на суше. Примерно 80 миллионов лет назад на Земле появились гораздо более опасные хищники – приматы, к числу которых относимся и мы. Приматы обнаруживали добычу издалека благодаря зрению. Расположенные у приматов спереди глаза связаны с более объемным и более сложно устроенным мозгом по сравнению с мозгом их биологических предков. Этот крупный мозг требует значительных затрат: помимо существенного расхода энергии, он нуждается в интенсивном развитии, продолжительность которого выходит за пределы периода внутриутробной жизни. Вот почему возникает потребность в родителях, которые должны присматривать за новорожденным и кормить его в течение длительного периода, так как он полностью зависит от них сразу же после рождения. Необходимость постнатального (после рождения) развития мозга обусловлена тем, что вмещающая полностью сформированный мозг черепная коробка была бы слишком объемной, чтобы пройти через узкий канал, предназначенный природой для рождения. Мозг также использует куда более богатый опыт, чем ограниченный опыт находившегося в матке эмбриона. Поэтому те преимущества, которые крупный мозг дает приматам, намного превосходят связанные с ним высокие затраты: несмотря на ряд корректировок, касающихся соотношения затрат и пользы, в ходе эволюции у гоминидов прослеживается тенденция к увеличению его объема (рисунок 1).
Дело в том, что после продолжавшегося в течение 2 миллионов лет роста мозг уменьшился и от объема 1 550 см³, который был у наших предков кроманьонцев, за последние 20 000 лет он сократился до нынешних 1 350 см³. Следует отметить, что самый крупный мозг, который был у живших по всей Евразии в период с 120 000 по 35 000 гг. до н. э. наших предков – неандертальцев (он доходил до 1 680 см³), не спас их от вымирания (рисунок 2). Для самых крупных мозгов Homo sapiens находится место в ограниченном пространстве черепной коробки благодаря одной уловке эволюции: вместо того, чтобы постепенно вытягиваться, как это происходит у других животных, они сохраняют до взрослого возраста округлую форму черепа новорожденного (в эволюционной биологии такое постоянство называется «педоморфизм»).
1. Эволюция объема мозга у гоминидов//S. Condemi и F. Savatier, Dernières nouvelles de Sapiens, 2-е дополненное издание, Flammarion, 2021
2. Сравнение среднего объема мозга человека неандертальского, наших предков – кроманьонцев и современного человека
Питание – ключевой фактор в развитии мозга
Внутриматочное развитие центральной нервной системы у человека проходит через несколько основных этапов. Как и у всех позвоночных, эмбрион развивается из трех зародышевых листков (от внутреннего к наружному: эндодерма, мезодерма, эктодерма). Центральная нервная система образуется из эктодермы, которая на третьей неделе после зачатия утолщается и складывается в нервную пластинку, а та, в свою очередь, сворачиваясь, формирует нервную трубку (рисунок 3). Затем эта трубка сегментируется, и ее передняя часть образует три мозговых пузыря, которые дифференцируются для формирования структур мозга (рисунок 4). В конце этого сложного цикла мозг покрывают шесть слоев коры больших полушарий, которая есть только у млекопитающих.
3. Первая стадия развития примитивной нервной системы у эмбриона
4. Формирование мозга у человека из нервной трубки от пятой недели до рождения
У взрослого человека площадь этих слоев достигает 2,6 кв. м! Они вмещаются в черепную коробку только благодаря плотной укладке, чем и объясняются многочисленные извилистые складки головного мозга человека, именуемые мозговыми извилинами.
У большинства животных передний отдел центральной нервной системы (головной мозг позвоночных) расположен очень близко от входа в пищеварительную систему (у позвоночных животных это рот). Эта анатомическая близость подчеркивает изначальную важность мозга для выбора пищи. Итак, между мозгом и питанием существует тесная связь.
Эта связь подтверждается тем фактом, что у млекопитающих, которые едят фрукты, например, у макак-резусов, мозг обычно крупнее, чем у их близких родственников, питающихся только листьями, например, у принадлежащих к роду широконосых обезьян ревунов. В лесах фрукты встречаются реже, чем листья, поэтому плодоядным приходится проявлять больше усилий для обнаружения и распознавания еды, а также планировать сбор урожая по времени (так, например, цвет фруктов указывает на то, что они спелые по мере прошествия дней). С другой стороны, сахара спелых фруктов перевариваются легче, чем целлюлоза листьев. Вот поэтому пищеварительная система у плодоядных, как правило, меньше развита по сравнению с другими животными. Простая и небольшая пищеварительная система потребляет меньше энергии, в результате чего мозг извлекает пользу из неизрасходованной энергии. Что является наглядной иллюстрацией того, как когнитивные компетенции (здесь речь идет о внимательности и зрительном поиске с целью обнаружения фруктов, а также о мыслительной обработке формы и цветов для выбора лучших плодов) могут выгодно заменить менее «интеллектуальные» функции типа переваривания сложных углеводов.
Как считает американский нейробиолог Джон Оллман, увеличению объема нашего мозга (он увеличился приблизительно на 24 % в период между 100 000 и 50 000 гг. до нашей эры) способствовал такой фактор, как использование огня. Считается, что гоминиды могли использовать огонь 1,8 миллионов лет назад. Действительно, тепло разбивает на фрагменты белки термически обработанной пищи, и наши предки воспользовались таким образом питательными веществами, которые легче усваиваются организмом. Более того, термическая обработка создает благоприятные условия для здорового питания, разрушая растительные токсины и убивая патогенные микроорганизмы. В результате она значительно увеличила имеющиеся у мозга ресурсы. Овладение огнем также помогло решить проблему сохранения температуры тела в холодное время: в некотором смысле крупный мозг человека вполне эффективно заменил густую шерсть, которой покрыто большинство других млекопитающих!
Другой типичный элемент нашего биологического вида состоит в значительном развитии навыков общения, послуживших основой для возникновения совокупности
