Главы | Эволюция

Размеры нашего мозга и наш интеллект в ходе эволюции необычайно выросли. Интеллект — это умение разрешать проблемы, быстрота соображения, способность действовать целенаправленно, думать рационально и эффективно обращаться с внешней средой. Есть разные стороны интеллекта: языковые способности, логические, математические, пространственные, музыкальные, социальные и моторные, — коэффициент интеллекта (IQ) всего лишь несовершенное его мерило. Соотношение величины мозга и интеллекта никак не связано с абсолютной величиной мозга. При весе в 1,5 килограмма мозг человека является далеко не самым большим. Мозг кашалота весит 9 кг, мозг слона в среднем 4,8 кг. Мозг слонихи Алисы, которая жила в Луна-парке в Нью-Йорке, весил даже 6 кг. Но ни кит, ни слон не обладают таким интеллектом, как человек. Относительная величина мозга сравнительно с величиной тела явно соотносится с качеством мозга как машины, перерабатывающей информацию, что установил Дарвин еще в 1871 г. и 100 лет спустя подсчитал Мишел Хофман.

Лучшим мерилом уровня эволюционного развития мозга является коэффициент энцефализации (EQ) — относительная масса мозговой ткани, превышающая массу, необходимую для управления телом. В этом отношении человек действительно занимает самое лучшее место. EQ прежде всего определяется развитием коры больших полушарий. Увеличение размеров нашего мозга в процессе эволюции было вызвано увеличением числа строительных элементов — клеток мозга (нейронов) и их контактов друг с другом. Хорошим мерилом уровня интеллекта является также число нейронов в коре больших полушарий. Нейроны в коре группируются в функциональные единства, которые, как колонки, лежат друг около друга и носят именно это название. Хотя кора головного мозга значительно увеличилась в ходе эволюции, диаметр колонок остался почти неизменным: около полумиллиметра. Это означает, что размеры коры в ходе эволюции увеличились за счет увеличения числа колонок. Поэтому одновременно возникла необходимость для коры больших полушарий образовывать складки. Всё это не изменило строительный план мозга, мозг человека и мозг других приматов различаются главным образом по величине. Благодаря эволюционному увеличению мозга резко увеличились его способности к обработке информации. Прогрессивное увеличение мозга в ходе эволюции протекало заодно с увеличением продолжительности беременности, более долгим периодом развития и обучения, большей продолжительностью жизни и сокращением числа отпрысков. На протяжении всего лишь 3 миллионов лет эволюции человека объем мозга более чем утроился, а продолжительность жизни удвоилась.

В течение ряда лет выдвигались различные гипотезы относительно эволюционного давления, которое могло повлиять на увеличение мозга. Увеличение мозга приматов предположительно было вызвано тем, что употребление орудий увеличивало доступ к пище и тем самым давало им эволюционное преимущество. В дальнейшем предположили, что наибольшим вкладом в развитие мозга приматов стали прежде всего сложные социальные отношения, — так называемая гипотеза Макиавелли. Отдельные индивиды должны были участвовать в выработке социальной стратегии, которая в дальней перспективе гарантировала лучшую выживаемость группы. И действительно, у приматов прослеживается явная связь между величиной мозга и величиной и сложностью группы. Жизнь в социальных группах возникла у приматов 52 миллиона лет тому назад. Когда они превратились из ночных животных в дневных, жить в группах стало более безопасно. Сложность жизни в группе в значительной степени определялась формированием пар и моногамией.

И то и другое предъявляет высокие требования к мозгу: требуется тщательный выбор партнера, гарантирующий хорошее потомство; становятся необходимы сложные переговоры между партнерами. Сложность и интенсивность таких отношений, в чем мы все уже убедились на собственном опыте, вероятно, оказали сильное эволюционное воздействие на развитие более крупного мозга. Механизм моногамного выбора партнера у человека должен был сформироваться примерно 3,5 миллиона лет назад и в ходе эволюции доказал свое преимущество для защиты семьи, но продолжает оставаться немалой нагрузкой для нашего мозга.

Эволюция мозга

Мы, люди, существуем, потому что некая странная

группа рыб отличалась своеобразной анатомией

плавников, которые превратились в ноги наземных животных;

потому что земля никогда полностью не замерзала в ледниковый период;

потому что малочисленному и неприметному виду животных,

возникшему в Африке четверть миллиона лет назад,

удалось каким-то образом выжить. Возможно, мы и хотели бы услышать

внеземное объяснение всего этого — но такового не существует.

Стивен Джей Гулд (1941–2002)

Наша отличительная особенность — фантастический мозг весом 1,5 кг, состоящий из примерно 100 миллиардов клеток, нейронов. Это в 15 раз превышает население земного шара. Каждая клетка мозга находится в контакте с 10 000 других мозговых клеток посредством высоко специализированных контактов — синапсов. Наш мозг содержит 100 000 км нервных волокон. Тем не менее основные свойства нервных клеток: принимать, направлять, обрабатывать и посылать импульсы — сами по себе не специфичны для нервной ткани. В принципе эти свойства также присущи и многим другим видам ткани живых организмов, даже одноклеточных. Это относится и к рудиментарным формам памяти и внимания. Но, как писал уже профессор К. У. Ариенс Капперс (1930), первый директор Института мозга в Амстердаме, нервная система, дифференцировавшаяся в ходе эволюции, значительно улучшила все эти функции. В то время как скорость передачи раздражения в других тканях, не принадлежащих к нервной системе, редко выходит за пределы 0,1 см/с, простейшая нервная клетка передает такой импульс со скоростью 0,1–0,5 м/с. Как показал профессор Капперс, наши нерв ныеклетки могут передавать импульсы даже со скоростью 100 м/с. И это только одно из особых свойств нервных клеток, давшее громадное эволюционное преимущество.

Губки, самые примитивные животные, имеют лишь несколько видов клеток; у них нет ни специализированных органов, ни настоящей нервной системы. Но имеются предшественники нервных клеток, и в их ДНК присутствует почти полный комплект генов для построения белков на воспринимающей части синаптического контакта между нервными клетками (на постсинаптической мембране). Так в ходе эволюции, при всего лишь нескольких модификациях могла возникнуть совершенно новая функция передачи химических нейротрансмиттеров.

Примитивная нервная клетка возникла 650–543 миллиона лет назад, в прекамбрии. Кишечнополостные уже тогда обладали диффузной нервной системой с настоящими нейронами и синапсами. С самого начала эти нервные клетки использовали химические нейротрансмиттеры, постепенную молекулярную эволюцию которых можно проследить вплоть до близкородственных им химических нейротрансмиттеров нашего мозга. Излюбленным кишечнополостным при исследованиях является крошечный пресноводный полип гидра (hydra), состоящий всего из 100 000 клеток. У гидры уже имеются уплотнения нервной системы в голове и в подошве, что может рассматриваться как первое эволюционное образование для возникновения головного и спинного мозга. В нервной системе гидры присутствует химический нейротрансмиттер, напоминающий и наш вазопрессин, и наш окситоцин. Этот маленький белок, вырабатываемый нервными клетками как химический нейротрансмиттер, называют нейропепти-дом. У позвоночных животных ген этого нейропептида сначала удвоился, а затем в двух местах изменился. Так возникли два близких друг к другу, однако специализированных, нейропептида, вазопрессин и окситоцин, которые, среди прочих, лишь недавно стали предметом особого интереса как важнейшие нейротрансмиттеры нашего социального мозга (см. II.3, X.2). В соответствии с местом, где они вырабатываются, выделяются, и местом, где принимаются их сообщения, эти два нейротрансмиттера могут быть задействованы также в функции почек (см. VI.1), при родах и лактации (см. II.2, 3), ритмах дня и ночи (см. XXI.4), стрессе, влюбленности (см. V.3), эрекции (см. V.4), доверии, боли и ожирении (см. VI.5). В работах по Гидра-пептид-проекту в 2001 г. уже было выделено 823 пептида и получены их химические характеристики. Среди них были также нейропептиды, которые затем были впервые найдены у позвоночных животных; пептид, активирующий образование головы гидры, был найден также в гипоталамусе, в плаценте и в опухолях мозга у человека. Химическое родство различных видов животных чрезвычайно велико. Первая в ходе эволюции группа нервных клеток в голове, которую можно охарактеризовать как начало головного мозга, головной ганглий, имеется у плоских червей. Постепенные, небольшие структурные и молекулярные изменения в процессе эволюции мозга ясно показывают, что нам следует весьма условно относиться к часто провозглашаемому уникальному месту человека в животном мире. Дарвин уже высказал это в книге The Descent of Man and Selection in Relation to Sex [Происхождение человека и половой отбор] (1871): «Я думаю, что никто не сомневается в том, что значительно большая величина мозга человека по отношению к величине его тела, в сравнении с гориллой и орангутаном, непосредственно связана с его более высокими умственными способностями. <…> С другой стороны, никто не думает, что интеллект двух животных или двух людей можно точно определить, измерив объем их черепа». Совершенно точно: величина нашего мозга очень важный, но, конечно, не единственный фактор, определяющий наши умственные способности. Небольшие молекулярные различия также имеют большие последствия.

Молекулярная эволюция

Как было возможно, что не то чтобы чересчур умный сын

состоятельных родителей в конце концов изложил идею,

самую важную из всех, какие мы когда-либо знали?

Мидас Деккерс о Чарлзе Дарвине,

в газете De Volkskrant, 2 января 2010

Движение Intelligent Design (ID) [Разумный замысел] в последние годы предпринимает, в том числе и в Нидерландах, судорожные и явно безуспешные попытки демонтировать теорию эволюции Дарвина. Отрицание существования эволюции, безусловно, законом не запрещается, однако публичное отрицание имеющихся научных данных, чем постоянно занимается Разумный замысел, ясно показывает наличие двух разных мерок: поношение Бога в Нидерландах всё еще противозаконно, но поношение Дарвина не возбраняется. Частью ID-кампании стало отрицание громадного вклада молекулярной биологии в наше понимание эволюции. Так, в книге Кееса Деккера о Разумном замысле (2005) профессор-натуралист Ари ван ден Бёкел говорит: «Неоднократно предполагали, что успехи молекулярной биологии за последние десятилетия обеспечат решительную поддержку дарвиновской теории. Ничто не может быть дальше от истины». Я хотел бы на нескольких примерах показать, сколь абсурдным является это самоуверенное утверждение приверженца ID-движения.

Почти невозможно представить, что Дарвин еще в 1859 г., не располагая молекулярными знаниями нашего времени, писал, что начало всякой жизни — единая первоформа, потому что все живые ткани химически почти полностью подобны друг другу. С тех пор молекулярная биология поставила эту визионерскую идею на прочный фундамент. Эволюция ДНК, например, привела к: 1) постепенным молекулярным изменениям в генах, кодирующих образование белков; 2) удвоению генов и формированию из них новых функциональных генов; 3) исчезновению генов и 4) эволюционным изменениям в некодирующих белки частях, РНК, выполняющих важные регулирующие функции в клетке. Молекулярные исследования постоянно обогащают нас новыми знаниями и идеями относительно пути, по которому шла эволюция, и о том, почему она проходила именно так, а не иначе. То же относится к генам, имеющим отношение к нервной системе. Значительное молекулярное соответствие нервной системы червей, насекомых и позвоночных, от рыб до человека, говорит о том, что все они должны были иметь одного общего предка, живего 600 миллионов лет назад. Щетинковый червь (Platynereis dumerilii) длиной в несколько сантиметров — живое ископаемое. Его эмбриональное развитие следует той же молекулярной программе, что и ранняя стадия развития млекопитающих, в том числе и человека.

Дарвин, конечно же, оценил бы молекулярное исследование ДНК митохондрий знаменитых земляных вьюрков, которых он встретил на Галапагосских островах во время своего плавания на Бигле. Исследования подтвердили, что все 13 видов вьюрков произошли от одного предка, как и предположил Дарвин. Этот предок 2,3 миллиона лет назад мигрировал из южноамериканского континента на Галапагосские острова. Идея Дарвина о том, что предков человека нужно было бы искать в Африке, получила поддержку со стороны молекулярной биологии: как материнская митохондриальная ДНК, так и отцовская Y-хромосомальная ДНК ведут в Африку. Подтвердились также идеи Дарвина о волнах миграции человека из Африки и континентальной миграции в Европу и Китай. Теперь уже ясно, что из Африки были две волны миграции человека. Первая, миграция Homo erectus, 2–1,6 миллиона лет назад и вторая, миграция современного человека, Homo sapiens, 50 000–60 000 лет назад. Незначительные отклонения генетического материала среди популяций за пределами Африки говорят о том, что индивидов, которые оттуда мигрировали, было не более нескольких десятков. Впоследствии в различных регионах современный человек имел сексуальные контакты с Homo erectus, и последний ассимиировался.

В последнее время ведутся поиски молекулярно-генетических изменений, которые через 300 000 поколений после ответвления от шимпанзе привели к появлению человека. Неоднократно указывалось на то, что геномы человека и шимпанзе различаются примерно на 35 миллионов ДНК-кирпичиков, и это всего лишь 1%. Это число уже превратилось в миф, но различие в 6% все-таки ближе к истине. Столь значительное совпадение, однако, еще ни о чем не говорит, потому что в принципе лишь немногие гены могут быть ответственны за утроение веса нашего мозга в период, прошедший после ответвления человека от шимпанзе. Эту возможность подтверждает ряд наблюдений. Одно из наиболее характерных отличий мозга человека от мозга шимпанзе состоит в том, что в человеческом мозге гораздо сильнее проявляется экспрессия генов, участвующих в мозговом обмене веществ. Ответственны за это, по-видимому, лишь немногие гены (транскрипционные факторы). Аналогичный аргумент дает одна из стратегий, применяемых для отслеживания генов, которые могли быть ответственны за становление человека, а также для поиска генов, мутация которых может приводить к уменьшению мозга и умственной отсталости. При наследственной первичной микроцефалии человеческий мозг столь же мал, как у крупных обезьян, однако глобальная структура его остается неизменной. Внешне такие люди выглядят вполне нормально и не имеют неврологических отклонений. Это нарушение развития может быть локализовано по меньшей мере в шести различных местах ДНК. Все до сих пор идентифицированные гены участвовали в делении клеток. Отсюда логически вытекает их участие в увеличении размеров мозга в процессе эволюции. Один из этих генов — ген ASPM (Abnormal Spindle-like, Microcephaly-associated — абнормальный веретенообразный, связанный с микроцефалией), который воздействовал на ускоренное изменение его строительных ДНК-кирпичиков после произошедшего примерно 5,5 миллиона лет назад ответвления человека от шиманзе. Было высказано предположение, что человеческий мозг все еще развивается, ввиду того, что примерно 5 800 лет назад возник вариант гена ASPM и с тех пор быстро распространился в человеческой популяции. Генетический вариант гена микроцефалин (MCPH1-вариант D), вероятно, попал в ДНК вида Homo sapiens в последний ледниковый период, примерно 37 000 лет назад, хотя сейчас 70% населения Земли являются его носителями. Столь быстрое распространение возможно лишь в том случае, если этот вариант приносит явное эволюционное преимущество.

Найдены также гены, изменения которых ассоциируются с человеческой речью. Мутации гена FOXP2 приводят к наследуемому расстройству речи и дефектам произношения. Гены ASPM и микроцефалин также, по-видимому, связаны с речью.

В ходе эволюции возникали также новые функциональные гены. Наилучший пример — ген трехцветного зрения у приматов. Удвоение зеленого опсина*, а затем мутации и отбор привели к возникновению красного опсина у приматов. Эволюционное преимущество цветного зрения могло быть в том, что давало возможность отличать красные, зрелые фрукты от зеленых, незрелых. Красный цвет всё еще используется как возбудитель, в то время как доминирующий в природе зеленый оказывает успокаивающее действие, даже в плацебо (см. XVII.4). Поэтому и стены операционной красят в зеленый. Происходила также и утрата генов. У мыши 1 200 генов рецепторов запаха, у человека же осталось лишь 350. Утрата человеком одного из этих генов (MYH16), возможно, косвенно способствовала увеличению его мозга. Экспрессия этого гена выражалась в мощной мускулатуре челюстей наших предков. Исчезновение его сделало возможным увеличение размеров черепа человека в качестве адаптации к увеличению мозга.

Другой стратегией отыскания генов, которые были необходимы для развития нашего мозга, является прочтение полного генома различных представителей эволюционного пути, приведшего к возникновению человека. В настоящее время шведский исследователь Сванте Пээбо, работающий в Макс-Планк-институте эволюционной антропологии в Лейпциге, занимается определением полной последовательности базовых пар ДНК генома неандертальца, вымершего 30 000 лет назад. Он выделил ДНК из трех ископаемых костей Homo neanderthalensis женского пола, возраст которых составлял 38 000–44 000 лет. Исследователь разработал технику, позвояющую различать между сильно фрагментированной ДНК неандертальца и загрязнениями, внесенными бактериями и современным человеком. Благодаря этому он надеется в течение нескольких лет получить возможность сравнить полную ДНК неандертальца с ДНК современного человека и тем самым установить, какие генетические изменения позволили совершить такой огромный скачок вперед. После расшифровки 60% ДНК неандертальца уже получены первые поразительные результаты. Европейцы, китайцы и папуасы сохраняют следы сексуальных контактов с неандертальцами, которые должны были происходить на Ближнем Востоке 80 000– 50 000 лет назад. От 1% до 4% нашей ДНК ведет происхождение от неандертальцев. Этого не наблюдается у африканцев.

Можно спросить, какие же признаки мы заимствовали от неандертальцев. До сих пор найден 51 ген, получивший быстрое развитие после ответвления современного человека от неандертальцев. Установлены также большие различия в отрезках ДНК, кодирующих РНК и выполняющих регулирующие функции (см. ниже); были также найдены 78 генов, одинаковых у современных людей, но отличающихся у неандертальцев. Среди отличающихся генов сравнительно много таких, которые связаны с функциями мозга и поэтому могут дать нам в дальнейшем представление об истории возникновения особенных свойств современного человека.

Когда говорят о разнице в 6% между ДНК человека и шимпанзе, нужно иметь в виду, что даже самые незначительные генные модификации, так называемые полиморфизмы, могут полностью изменить пространственную структуру белка и тем самым все его функции. К тому же один ген может привести к образованию множества различных белков. В нашей исследовательской группе Татьяна Ишунина установила, что в мозге имеется более 40 вариантов одного из белков, который принимает информационные послания эстрогена, рецептор эстрогена альфа (ER á). Воздействие этих различных форм варьируется в зависимости от возраста, ареала мозга, типа клеток и болезненного процесса. Совсем недавно стало ясно, что в деле эволюции мозга мы не должны слишком уж концентрировать внимание на генах, которые кодируют белки. Ибо 98% генома кодирует не белки, а только РНК, и главным образом микро-РНК могли играть основную роль в увеличении размеров нашего мозга. Отрезками РНК регулируется множество процессов в клетке, и у человека и шимпанзе протекают они часто очень по-разному. До сих пор наибольшее различие между человеком и шимпанзе было найдено в зоне ускоренного развития 1 (human accelerated region 1, HAR 1) — части недавно открытого гена РНК. В РНК мозга генетическая экспрессия (ген HAR1F) на ранней стадии утробного развития наблюдается в нейронах Кахаля–Ретциуса. Начиная с 17–19-й недели утробного развития человека происходит экспрессия гена HAR1F вместе с выработкой белка рилина, необходимого для образования шестислойной коры больших полушарий, так сильно развитых у человека. Изменения в этом гене произошли, вероятно, более 1 миллиона лет назад и поэтому могли иметь решающее значение для возникновения современного человека.

В ходе эволюции в нашей ДНК накопилось колоссальное количество хлама и повторений. Многочисленные шрамы истории нашей эволюции дают нам важную информацию об истории нашего эволюционного становления, но вряд ли могут служить аргументом в пользу профессионализма Творца, во что незыблемо верят приверженцы Разумного замысла, не говоря уже о том, чтобы невозмутимо называть ДНК «языком Бога». Как видно, ничего не изменилось с тех пор, как в 1871 г. Дарвин отметил, что важнейший принцип эволюции имеет под собой твердую почву, во всяком случае если природные явления не воспринимать с точки зрения дикаря. Сторонники Разумного замысла спустя 130 лет занимают одинокое место среди немногих еще остающихся дикарей, отрицающих эволюцию.