Текст книги "Драконы Эдема"

Автор книги: Карл Саган

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 14 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

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 ]11
  Если брать в качестве критерия отношение массы мозга к массе тела, то акулы должны быть самыми умными изо всех рыб, что согласуется с занимаемой ими экологической нишей – хищники и должны быть сообразительнее, чем те, кто питается планктоном. Удивительно, насколько сходна эволюция акул с эволюцией высших наземных позвоночных и в том, что у них увеличено отношение массы мозга к массе тела, и в том, что у них развиты координирующие центры во всех трех главных частях мозга.


[Закрыть] 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 – 1,7 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 9000 граммам, что в шесть с половиной раз больше, чем и 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 пела, что было рассчитано но 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 10000 синапсов или контактов с соседними нейронами. (Есть основания считать, что число синапсов многих нейронов спинного мозга достигает 10 000, а у так называемых клеток Пуркпнье 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 линь 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 и 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 ]12
  На плоскости в одну сторону горизонта – 180 градусов. Диаметр Луны таков, что она видна под углом 0,5 градуса. Я могу различать кое-какие ее детали, скажем, до двенадцати отдельных элементов. Отсюда следует, что разрешающая способность моего глаза составляет около 0,5 / 12 = 0,04 градуса. Все, что меньше этого, мой глаз уже не различает. Мой внутренний взор, так же как мой реальный глаз, имеет размеры примерно 2x2 градуса. Значит, в каждый момент я могу видеть крохотную квадратную картинку, содержащую (2 / 0,04)² = 2 500 элементов, похожих на отдельные точки фотографии, переданной по линиям связи. Чтобы определить все возможные оттенки серого цвета, а также всех иных цветов таких точек, требуется около 20 битов на каждый элемент картинки. Таким образом, для полного описания моей маленькой картинки понадобится 2 500 х 20, то есть около 50 000 битов в секунду. Для сравнения: фотокамеры совершающего посадку аппарата «Викинг», которые также обладают разрешающей способностью 0,04 градуса, имеют лишь 6 битов на каждый элемент картинки, чтобы описывать яркость, и могут передавать эту информацию по радиоканалам прямо на Землю со скоростью 500 битов в секунду. Нейроны мозга генерируют примерно 25 ватт энергии, чего едва достаточно, чтобы питать маленькую лампу накаливания. «Викинг» передает всю информацию и осуществляет иные свои функции, тратя на это около 50 ватт.


[Закрыть]

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 1 016 до 1 017 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.