Эволюция мозга и поведения
В процессе эволюции ряда групп животных их нервная система и поведение постепенно менялись в сторону усложнения. Ниже мы проследим эволюцию мозга и поведения человека, рассказав
1) о животных, у которых впервые возникли нервная система и обеспечивающие движение мышцы;
2) о том, как происходило усложнение нервной системы в процессе эволюции мозга, опосредовавшее все более сложные формы поведения;
3) о том, как в процессе эволюции сформировался сложно устроенный мозг человека.
Одна из популярных гипотез гласит, что человек произошел от человекообразных обезьян. В действительности человек относится к человекообразным обезьянам. Другие ныне живущие человекообразные обезьяны не являются предками человека, однако человек связан с ними через общего предка, который дал начало двум или более эволюционным линиям. Для наглядности давайте рассмотрим такую историю.
Двух женщин по имени Джоан Кэмпбелл пригласили на вечеринку. Одинаковые имена стали хорошим поводом завязать разговор. Хотя обе женщины принадлежат к одному роду, это не значит, что одна Джоан является потомком второй. Женщины живут в разных регионах Северной Америки одна из них в Техасе, а вторая в Онтарио. Там же жили многие поколения их семей.
Тем не менее, обратившись к семейной истории, две Джоан обнаружили, что у них есть общие предки. Живущие в Техасе представители рода Кэмпбелл произошли от Дживса Кэмпбелла, брата Мэтью Кэмпбелла, от которого ведет свое начало род Кэмпбеллов из Онтарио.
Во времена колонизации Дживс и Мэтью сели на один и тот же корабль торговцев мехом, когда он пристал к Оркнейским островам на севере Шотландии, чтобы набрать пресной воды, прежде чем плыть к берегам Северной Америки.
Таким образом, общими предками обеих Джоан Кэмпбелл были родители Дживса и Мэтью. Обе ветви семьи Кэмпбелл, живущие в Техасе и Онтарио, произошли от этого мужчины и этой женщины. Если бы две Джоан Кэмпбелл сравнили геномы, то обнаружили бы сходство, обусловленное их общим происхождением.
Во многом так же человек и человекообразные обезьяны ведут свое начало от общего предка. Однако, в отличие от двух Джоан Кэмпбелл, мы не знаем точно, кем были наши древние предки. Сравнительный анализ мозга и поведенческих характеристик человека и родственных человеку видов животных, а также сравнительный анализ их геномов позволяют ученым глубже изучить родословную человека и собрать воедино данные о происхождении мозга и поведения.
Некоторые ныне живущие виды животных демонстрируют большее сходство с общим предком, чем другие. Например, по ряду признаков шимпанзе больше похожи на общего предка человека и шимпанзе, чем человек современного типа. Ниже мы рассмотрим основные эволюционные события, которые привели к появлению человеческого мозга и человеческого поведения, рассказав о нервной системе ныне живущих видов животных и об ископаемых останках вымерших видов животных.
а) Происхождение нервных клеток и мозга. Земля возникла около 4,5 млрд лет назад, древнейшие формы жизни появились примерно миллиард лет спустя. Около 700 млн лет назад у животных появились первые нервные клетки, а мозг впервые возник 250 млн лет назад. Мозг, напоминающий человеческий, сформировался лишь около 6 млн лет назад, а история мозга современного человека насчитывает всего лишь около 200 000 лет.
Несмотря на то что жизнь зародилась на раннем этапе истории нашей планеты, нервные клетки и мозг возникли сравнительно недавно. В масштабах эволюции крупный, сложно организованный мозг, подобный мозгу человека, возник всего лишь мгновение назад. Если вы знакомы с принципами систематики, предполагающей классификацию живых организмов в соответствии с их эволюционными взаимоотношениями, продолжайте читать. Чтобы ознакомиться с кратким обзором принципов систематики, см. далее «Основы: Классификация живых организмов».
б) Эволюция нервной системы животных. Наличие нервной системы не является обязательным условием выживания. В действительности большинство организмов, в том числе растения и бактерии, как древние, так и современные, обходятся без нервной системы. Сравнение животных, у которых есть нервная система, позволяет проследить ее эволюцию. Ниже приведен обзор эволюции нервной системы в виде набора основных тезисов:
1. Нейроны и мышцы. Нервные клетки и мышцы эволюционировали параллельно, давая животным возможность двигаться. Нейроны и мышцы, вероятно, берут свое начало от одноклеточных животных, таких как использующая множество способов передвижения амеба. У многоклеточных организмов возникли отвечающие за передвижение специализированные клетки.
2. Нервная сеть. Нервная система животных эволюционно более древних типов, таких как медузы и актинии, чрезвычайно проста. Она представляет собой диффузную нервную сеть, в которой отсутствуют структуры, напоминающие головной или спинной мозг. Такая нервная сеть состоит из нейронов, которые воспринимают сенсорную информацию и образуют соединения с другими нейронами, обеспечивающими сокращение мышц.
Давайте еще раз посмотрим на рисунок ниже и представим, что на нем нет изображений головного и спинного мозга. ПНС человека похожа на диффузную нервную систему более примитивных животных.
3. Билатеральная симметрия. Более сложно организованная нервная система более прогрессивных животных, таких как плоские черви, обладает билатеральной симметрией — одна сторона такой нервной системы представляет собой зеркальное отображение второй стороны. Нервная система человека также обладает билатеральной симметрией (см. рис. 1).
4. Сегментированность. Тело таких животных, как дождевой червь, состоит из множества одинаковых мускульных сегментов. Их нервная система также образована повторяющимися сегментами. Спинному мозгу человека тоже свойственна сегментированность — внутри позвонков находится состоящий из повторяющихся сегментов спинной мозг.
5. Ганглии. У еще более эволюционно молодых беспозвоночных, в том числе двустворчатых моллюсков, улиток и осьминогов, присутствуют скопления нейронов, называемые ганглиями, которые напоминают примитивно организованный мозг и функционируют как своего рода центры управления. Отличительной особенностью некоторых типов является цефализация (расположение ганглиев в голове). Например, ганглии насекомых достаточно велики, чтобы их можно было назвать мозгом.
6. Спинной мозг. У занимающих относительно высокое эволюционное положение хордовых (животных, у которых присутствует как спинной, так и головной мозг) один проводящий нервный путь соединяет головной мозг с сенсорными рецепторами и мышцами. Хордовые получили свое название благодаря наличию хорды — эластичного стержня, который идет вдоль всей спины. У человека хорда появляется только на стадии эмбриона; к моменту родов спинной мозг оказывается окруженным позвонками.
7. Головной мозг. Тип хордовых, к которому относятся классы земноводных, рептилий, птиц и млекопитающих, характеризуется наивысшим индексом цефализации — у них присутствует настоящий головной мозг. Человека от остальных хордовых отличает самый большой относительный размер мозга, однако крупный мозг встречается и у других видов хордовых. Хотя мозг разных видов хордовых имеет общий план строения, у разных видов присутствуют связанные со специфичным поведением особенности строения мозга.
в) Классификация живых организмов. Систематика — это раздел биологии, занимающийся наименованием и классификацией видов путем выделения групп организмов в соответствии с наличием общих признаков и родством.
Как показано в левой колонке таблицы на рис. «Таксономическое положение человека современного типа», который отображает родословную человека, наиболее высокое место в иерархии таксономических категорий занимает царство, за которым следуют тип, класс, отряд, семейство, род и вид. Такая таксономическая иерархия помогает нам отслеживать эволюцию нервных клеток и головного мозга.
Человек принадлежит к царству животных, типу хордовых, классу млекопитающих, отряду приматов, семейству гоминид, роду Ното и виду Homo sapiens. Двойные названия животных состоят из названия рода и видового эпитета. Нас, людей, называют Ното sapiens sapiens, что переводится как «человек разумный разумный».
Ветви кладограммы, демонстрирующей родство между таксонами царства животных, отражают эволюционные взаимоотношения (филогения) между всеми живыми организмами. Кладограммы читают слева направо — наиболее эволюционно молодые организмы (животные) или признаки (наличие мышц и нейронов) располагаются на правом конце кладограммы.
Из пяти представленных на кладограмме царств живых организмов, только одно наиболее эволюционно молодое царство Animalia содержит виды, имеющие мышцы и нервную систему. Следует отметить, что возникшие одновременно, в процессе эволюции, мышцы и нервная система лежат в основе форм движения (поведения), встречающихся только у представителей царства животных.
Рисунок, отражающий эволюцию нервной системы, демонстрирует таксономию 15 групп или типов царства Animalia, классифицируемых в соответствии с возрастающей сложностью организации нервной системы и движения. Перемещаясь слева направо от диффузной нервной системы, мы узнаем, что нервные системы более эволюционно молодых типов, таких как плоские черви, имеют более сложное строение.
Такие организмы имеют голову и хвост, а их телам свойственны как билатеральная симметрия (одна половина тела представляет собой зеркальное отображение второй), так и сегментированность (тело состоит из сегментов со схожей организацией). Строение спинного мозга человека напоминает строение таких сегментированных нервных систем.
г) Нервная система хордовых. На схеме, называемой кладограммой (от греч. dados — ветвь), состоящие в родстве группы животных представлены в виде ветвей дерева. Кладограмма на рис. 1 представляет семь из девяти классов, к которым относятся 38 500 сохранившихся до наших дней видов хордовых. Нервные системы хордовых отличаются большой изменчивостью, однако у них присутствует ряд общих черт: билатеральная симметрия, сегментированность, и окруженные хрящевыми или костными структурами спинной и головной мозг.
Когда в процессе эволюции у хордовых возникли конечности и новые формы локомоции (перемещения в пространстве), их мозг увеличился в размерах. Например, ствол мозга есть у всех хордовых, однако крупный передний мозг встречается только у птиц и млекопитающих. Эволюция сложных форм поведения у хордовых тесно связана с эволюцией большого мозга и мозжечка.
Увеличение размеров и усложнение организации указанных отделов мозга у разных классов хордовых, связанных с появлением новых форм поведения, в том числе связанных с освоением суши новых форм локомоции, необходимых для поедания пищи сложных движений рта и рук, улучшенных способностей к обучению и сложного социального поведения, отражены на рис. 2.
У более древних классов (например, у рыб, земноводных и рептилий) большой мозг и мозжечок отличаются относительно малыми размерами и гладкостью. У эволюционно более молодых хордовых, в особенности у птиц и млекопитающих, эти структуры значительно более выражены. У многих млекопитающих с крупным головным мозгом указанные структуры обладают сильной складчатостью, которая способствует значительному увеличению площади их поверхности, позволяя уместить их внутри маленькой черепной коробки — подобно тому, как складывание листа бумаги позволяет вложить его внутрь маленького конверта.
Увеличение размеров и складчатость особенно выражены у приматов — животных с большими относительными размерами головного мозга. Однако довольно крупный мозг присутствует у многих видов животных, так что человек в этом смысле не уникален. В следующих разделах мы расскажем, что человек принадлежит к группе приматов с крупным мозгом и что среди представителей этой группы человек имеет наиболее крупный и сложно организованный мозг.
- Читать далее "Эволюция мозга и поведения человека"
Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 27.9.2020