Цефализация

В конце 1944 года в своей последней работе «Несколько слов о ноосфере» В.И. Вернадский обратил внимание учёных на «эмпирическое обобщение, которое показывает, что эволюция живого вещества идет в определенном н аправлении».

Эту особенность эволюции первым отметил младший современник Ч. Дарвина – американский геолог, минералог, палеонтолог и биолог Д. Дана, назвав её цефализацией.

Вернадский писал: «Дана указал, что в ходе геологического времени, говоря современным языком, т. е. на протяжении двух миллиардов лет по крайней мере, а наверное много больше, наблюдается (скачками) усовершенствование – рост – центральной нервной системы (мозга), начиная от ракообразных, на которых эмпирически и установил свой принцип Дана, и от моллюсков (головоногих) и кончая человеком… Раз достигнутый уровень мозга (центральной нервной системы) и достигнутой эволюции не идет уже вспять, только вперёд».

Требуются некоторые уточнения. Центральная нервная система начала формироваться примерно 600 миллионолетий назад. Достигнутый уровень цефализации в некоторых редких случаях терялся. Мы говорили, что такая деградация характерна для паразитических организмов.

Одноклеточные – сложнейшие существа. В высшей степени маловероятно, как мы уже говорили, их случайное происхождение. Они прекрасно существуют сами по себе. Какой смысл может иметь их объединение в единый организм?

Биогеохимическая активность каждого организма при этом уменьшается, ибо его энергия дополнительно тратится на внутренние нужды. Никаких преимуществ перед одноклеточными не достигается. Напротив, многоклеточные более уязвимы: они постоянно вымирают, хотя и порождая новые формы.

Как писал биолог-мыслитель и отчасти антидарвинист А.А. Любищев (1890–1972): «Низшие организмы совершенно нельзя назвать хуже приспособленными, чем высшие. С точки зрения приспособления термины “прогресс” и “регресс” не имеют никакого смысла». Более того, низшие обычно в этом отношении превосходят высших.

Чем основательнее изучают одноклеточных, тем сложнее они выглядят анатомически, физиологически и в поведении. Выделено от 7 до 9 типов и более 70 тысяч видов простейших. Некоторые из них могут одинаково считаться и растениями, и животными. Известны среди них автотрофы, хищники, паразиты.

Принято считать, что многоклеточные произошли от одноклеточных. Хотя не исключён и другой вариант: формирование одноклеточных началось с образования сгустков коллоидов, клеточная структура у которых ещё не оформилась. Они могли находиться в илистой среде. Внешние части таких сгустков активно с ней взаимодействовали, обретая повышенную плотность. А внутренние части получали возможность дальнейшего развития за счёт вещества и энергии своего окружения…

Важен сам факт: первые три четверти палеонтологической летописи планеты посвящены исключительно бактериям, одноклеточным водорослям, простейшим организмам, которые, безусловно, чрезвычайно сложны.

Многоклеточные водоросли, медузы появились в заключительном вендском периоде докембрия, приблизительно миллиард лет назад. Клетки у них мало различались между собой. Вряд ли увеличение числа клеток и последующая их специализация давали какие-то выгоды. Великое множество организмов нормально существует, а то и процветает без нервов и головного мозга. От этого они не испытывают никаких неприятностей. (А можно ли испытывать неприятности без нервной системы?) В отличие от многих видов млекопитающих они не собираются вымирать и теперь.

Даже наиболее просто устроенные организмы более или менее целесообразно реагируют на изменения внешней среды. Хотя обычные клетки, обременённые множеством забот (питание, выделение, размножение, взаимодействие с соседями), не отличаются расторопностью. У губок, например, передача раздражения идет со скоростью около 0,2 см/с.

Отдельные клетки тоже со временем усовершенствовались. Мышцы черепахи проводят возбуждение уже со скоростью 1,5 см/с, белые мышцы кролика – около 10 см/с, а человека – до 13 см/с. Рекорд принадлежит калифорнийскому насекомоядному растению – мухоловке (20 см/с).

Происходят эволюционные изменения (прогрессивные по скорости реакции клетки на раздражение) в одном направлении у разных групп животных и даже растений. Последние в этом отношении даже держат первенство! Не возникает ли у них нечто подобное нервной системе?

Цефализация начинается с появлением у животных нервных клеток. Они служили для передачи раздражений, регуляции движения и питания, то есть для более тесного и упорядоченного взаимодействия клеток друг с другом и окружающей средой. Нервный импульс стал передаваться в десятки и сотни раз быстрее, со скоростью нескольких метров в секунду.

Начался естественный отбор организмов, у которых эти клетки действовали наиболее активно. Это понятно. Но почему, каким чудом вдруг у целого ряда особей возникли первые ещё несовершенные нервные клетки?

Улучшение – одно, а создание чего-то нового – другое. На примере эволюции техники такое различие очевидно. Обретение новых качеств – это скачок на более высокий уровень. Модернизация лопаты не превратит её в экскаватор; можно на разные лады совершенствовать лук и стрелы, но огнестрельное оружие так не возникнет. Требуется множество творческих поисков и решений, далёких от данной отрасли.

Невольно задумываешься о творческом потенциале земной природы. Откуда и как он возник? Предположим, в клетке была заложена возможность преобразований. Но и создание простейшей живой клетки – сложнейшего организма! – остается неразрешённой загадкой. Вдобавок ко всему надо наделить её изначальными творческими способностями!

Остаётся предположить, что какие-то внешние силы направляли активность некоторых организмов не только ради размножения, поисков пищи и комфортных условий существования, но также для творческих усилий и перехода на новый более высокий уровень сложности.

Это была вторая ступень цефализации – усовершенствование нервной системы. Простейшая нервная сеть, состоящая из небольших и более или менее беспорядочно расположенных нервных клеток (нейронов), далека от совершенства. Возбуждение она передает со скоростью 4—15 см/с, с задержками на контактах клеток. Так происходит у кишечнополостных.

Творческий эволюционный процесс нашел иной путь: образование нервных узлов – ганглий (отдельные скопления нервных клеток стали образовываться еще у кишечнополостных). Они регулировали импульсы раздражений, идущие по различным нервным путям. Началась собственно цефализация, сопряжённая с централизацией.

Нервные узлы объединяют действия многих клеток, предвосхищая появление центральной нервной системы. С помощью этих регуляторов (ганглиев) удалось довести скорость нервного импульса до 40 см/с у пиявки, 120 см/с у ракообразных и 250 см/с у сколопендры.

На третью ступень цефализации первыми ступили морские беспозвоночные. Её высший уровень реализовали головоногие моллюски (цефалоподы), обладавшие для своего времени наиболее совершенной нервной организацией. У них сформировались (в частности, у осьминогов) своеобразные руки – щупальца – и развитый глаз. Они первыми обзавелись головным мозгом, сконцентрированным вокруг ротового отверстия.

В мозгу головоногих также шла специализация. Отдельные его участки стали заведовать органами тела: каждыми щупальцами порознь, глазом, чернильными железами… «Разделение труда» позволяло наиболее эффективно отвечать на раздражения, координируя действия из единого центра. Резко возросла скорость прохождения нервных импульсов за счёт утолщения нервных волокон, достигших 1 мм в диаметре (рекордная величина!). Скорость распространения возбуждения превысила 25 м/с.

Со временем нервная система головоногих усложнялась, но до определённого предела, когда совершенство цефалопод обернулось недостатком. Толстые нервные волокна занимают много места; они имеют большую поверхность, по которой соприкасаются и взаимодействуют с окружающими клетками. Возникают помехи, мешающие нормальной работе.

Природа наделила головоногих многими способностями на все случаи жизни. У них восемь, а то и десять рук, сложные органы защиты и нападения, централизованная нервная система управления. Эти животные весьма сообразительны и в меру любознательны. Чего ещё желать?

Наземные беспозвоночные пошли путем цефализации, не только у отдельных индивидуумов, но и у сообщества. Нервная система одного общественного насекомого имеет смысл лишь в сочетании с другими, а одно существо практически обречено на гибель, подобно клетке, отторгнутой от целого организма.

Целесообразное, координированное, совместное поведение пчёл, ос, муравьёв, термитов определяется высоким развитием головного мозга, в частности так называемых стебельчатых тел. У насекомых мозг состоит из двух полушарий, каждое из которых заведует своей половиной тела. У них имеется подобие спинного мозга. Они могли бы стать конкурентами людей по разуму. Тем более что высокого уровня цефализации они достигли не менее 200 миллионолетий назад.

Почему они не усовершенствовали с тех пор свой мозг?

На этой ступени цефализации сказались недостатки общего строения. Хитиновый покров ограничивает размеры тела, а при увеличении тела уменьшает подвижность животного. Пассивное трахейное дыхание не обеспечивает кислородом большие скопления клеток. Из-за этого размеры насекомых сравнительно невелики, и мозг им соответствует.

Эти ограниченные возможности насекомые и паукообразные использовали великолепно. Общественные насекомые умудрились компенсировать недостатки индивидуальных способностей коллективными действиями. Хотя чрезмерная власть группового объединения обернулась подавленностью, слабостью отдельной особи, обрекая её на роль детали в механизме сообщества.

Нет, даже тут о механических связях говорить не приходится. Всё-таки каждый муравей или термит на своем месте в соответствии со своей специализацией действует индивидуально, но и с учётом поведения сородичей. У них прекрасно организованы совместные действия.

Очередная ступень цефализации – рептилии, расплодившиеся на Земле около 200 миллионов лет назад. Многие из этих причудливых созданий имели скелет, похожий на человеческий. Позвоночник – ось тела – содержал спинной мозг, а череп – головной. Некоторые хищные рептилии бегали на двух ногах, имели «руки».

Скорость нервного возбуждения у холоднокровных зависит от температуры окружающей среды. У лягушки эта величина при 1–2 °C составляет 5–8 м/с (седалищный нерв), при 10 °C – 14, при 20 °C – 25, при 30 °C – 60 м/с. Подобное непостоянство – серьезный дефект.

Есть сведения, что среди динозавров были виды, обладавшие терморегуляцией. Но это лишь дополняет общую картину. Если бы звероящеров погубило недолгое похолодание, эти формы должны были уцелеть. Однако они вымерли, хотя немало холоднокровных видов амфибий и рептилий сохранилось до наших дней. Этот факт говорит в пользу экологической версии вымирания динозавров, о которой у нас шла речь.

Динозавры полагались главным образом на мозг, расположенный в области поясницы. Головной мозг у гигантских ящеров был не более чем у кошки. Спинной мозг управлял громоздким телом. Они были, как говорится, задним умом крепки.

За десятки миллионов лет эти животные усовершенствовали свою внутреннюю организацию и структуру сообществ. В одной из австралийских, если не ошибаюсь, книг по палеонтологии была остроумная иллюстрация: прогуливаются два двуногих динозавра, ведя на поводке четвероного звероящера.

Почему рептилии не превратились в разумных существ типа высших приматов? Одна из причин, по-видимому, кроется в их поведении. У них отсутствует долгая тесная связь матери с зародышем и детёнышем.

Хотя некоторые рептилии заботятся о своем молодняке, ничего подобного обучению у них нет. Другое дело – птицы. Они учат птенцов, активно обучаются в зрелом возрасте и умеют жить сообществами, практикуя взаимопомощь.

В одном из опытов двух ворон кормили только одновременно. Затем одну из них посадили в тут же стоящую клетку, закрытую на простой засов. Пришло время приема пищи, но кормушки оставались пустыми. Вороны начали волноваться. Сидящая в клетке не могла открыть засов, а находящаяся на относительной свободе безуспешно пыталась использовать разные приемы для того, чтобы в кормушке оказалась еда. Наконец, её осенило. Она подошла к клетке и освободила пленницу. И тогда обе были вознаграждены.

Нередко ворона, обнаружив сухарь, идет к луже и размачивает его. По-видимому, когда-то об этом способе догадалась одна из них. Затем его переняли и освоили многие её сородичи.

Казалось бы, таким умным созданиям, как вороны или попугаи, за несколько миллионов лет можно было далеко продвинуться на пути цефализации. Однако воздушная среда накладывает свои ограничения на умственное развитие.

Для быстрой ориентации в трёхмерном пространстве необходимо хорошее развитие соответствующих отделов мозга.

Вес мозга не может быть большим, чтобы не затруднять полёт. Наиболее крупные птицы ведут наземный образ жизни, и крылья у них развиты слабо. Но они не превратились в руки, которыми можно было бы манипулировать, развивая сообразительность. Рука не нужна, когда есть быстрые ноги и сильный клюв.

Поднялись на четвертую ступень цефализации теплокровные живородящие млекопитающие. У крупных представителей этого класса долгое утробное развитие детеныша дополняется продолжительным детством. Эти особенности благоприятны для умственного развития.

У млекопитающих нервная система работает при оптимальной температуре 40–30 °C. Нервные клетки обрели миелиновую оболочку; она ускорила прохождение нервного импульса и уменьшила помехи при малом диаметре нервного волокна. Возникали и некоторые более сложные усовершенствования. У отдельных групп значительно возрос объём мозга.

У дельфинов афалин мозг по абсолютному весу превосходит человеческий, по сложности рельефа ему не уступает, а по весу на единицу веса тела немногим меньше. Особенно велики у них височные и теменная доли. Первые определяют способность воспринимать слуховые сигналы, а вторая – зрительные. Передача и прием сигналов (язык) нужны дельфинам для организации сообщества, для воспитания детенышей.

От древних млекопитающих к современным заметно возрастают абсолютный и относительный объём мозга, площадь всех его отделов, в особенности коры.

График, показывающий рост числа нейронов в организмах, ступенчат. После очередного крупного подъёма, прыжка с одного уровня на другой, ступень становится пологой, с небольшим подъёмом. Цефализация как бы набирается сил, энергии, ищет конкретные пути для того, чтобы подняться на более высокий уровень.

Ступени усложнения нервной системы:

А – отношение головного мозга к спинному:

1 – черепахи, 2 – копытные, 3 – кошачьи,

4 – высшие обезьяны, 5 – человек.

Б – число нейронов головного мозга: 1 – кишечнополостные, 2 – черви, 3 – рыбы, 4 – амфибии, 5 – рептилии, 6 – млекопитающие, 7 – высшие обезьяны, 8 – человек. По горизонтали – возраст в миллионолетиях, вертикальный масштаб логарифмический (ступени в реальности круче, чем на графике)

Мозг эволюционирует в связи с общим строением, физиологией и образом жизни животных. Для очередного подъёма требуется резкий рывок определённой группы. Каждый раз это не стандартное, а творческое решение. Словно живое вещество, имея внутреннюю установку на усложнение, использует разные варианты для её реализации.