В самом начале этой лекции я сразу скажу, что конец трима вынуждает меня выставить достаточно спорные вещи местами. У меня на дневнике (вот тут: http://www.diary.ru/~el-elk/p59137292.htm) можно посмотреть высказывания Таданы, которые я обязательно учту, и которые можете учесть вы, выполняя домашнее задание и читая эту лекцию. Тадану тут можно безусловно считать специалистом, поэтому ее слова являются более значимыми, чем мои.
К сожалению, реал и его проблемы не позволили мне вовремя закончить лекцию и переделать ее надлежащим образом. А курс ИДЦ временно приостанавливается, при этом 1 и 3 лекция по происхождению человека выставлена, а эта нет. В общем, я экстренно выставила то, что есть. Мои извинения.
Поговорим сегодня о том, что делает человека разумным. О головном мозге. Процесс развития и усложнения мозга называется цефализацией.
Если посмотреть на развитие жизни на нашей планете, то можно обнаружить, что первые две трети времени потрачены на существ, у которых не только мозга не было, но и вообще клетки мало отличались друг от друга. Кстати, и нервных клеток тоже не было, а скорость распространения сигнала по клеткам была равна всего 2 мм/сек! Представьте, например, что вас ткнули иглой в кончик пальца на ноге, а боль дошла до мозга где-то через 15 минут! А, если это не игла? Если вас хищник грызет за палец? Или огонь?
Только 500 млн. лет назад появились нервные клетки. Это время и считается первой ступенью цефализации. Появились клетки, которые могли передавать импульс значительно быстрее (до 2.5 м/сек, хотя вначале скорость измерялась сантиметрами в секунду).
Второй ступенью можно было считать создание СЕТИ нервных клеток – нейронов. Однако первые такие сети были беспорядочными и сигнал "не знал куда идти". Т.е. разбегался во все стороны, и его линейная скорость (т.е. скорость в каком-то выбранном направлении) была 4-15 см/сек. Вы и сейчас можете это наблюдать, если ткнете иглой в какую-нибудь морскую звезду или червяка. Они начнут извиваться всеми частями тела, что говорит о том, что сигнал идет в разные стороны, а единого центра его обработки все еще нет. И это притом, что червяк, вообще говоря, уже достаточно сложный организм.
На конце развития второй стадии появились скопления нервных волокон и узлов, т.е. ганглий. У пиявки уже есть ганглии, а скорость передачи дошла до 40 см/сек. У раков же она дошла до 1,2 м/сек.
Ганглии начнут специализацию нервных клеток, ведь часть из них всегда останутся узлами, а связь с соседями будет осуществляться через нервные клетки совсем другого вида. Соответственно, первые должны усовершенствовать обработку информации, а вторые – ее восприятие.
Система ганглии – нервы породит первые специализирующие структуры, в чью задачу войдет различие принимаемых сигналов. Так появятся рецепторы.
И с этого момента сигналы будут не беспорядочно бегать во все стороны, а целенаправленно двигаться к единому центру.
Цефалоподы или головоногие моллюски ознаменовали собой третью стадию развития мозга. Их не зря называют цефалоподами – это первые существа на Земле, у которых появился мозг, который был размещен… вокруг рта (а челюстей еще нет, помните?).
У цефалопод разные части управляли глазом, щупальцами и чернильным "мешком", т.е. железами, позволяющими выбросить облако чернил, которые прикроют отступление. Кстати, время появление цефалопод – от 500 млн. лет назад до примерно 350 млн. лет назад (конец кембрийского периода, начало ордовикского).
Кстати, следует немного рассказать и о том, что творилось на самой планете в те времена (народ, вы помните, что все, что я говорю, - это гипотезы? Пусть и официальные.) Считается, что в это время обе Америки еще не очень далеко убежали от Евразии, а Австралия так и вовсе еще смыкается с Африкой и Азией. Северный полюс был где-то на севере Тихого Океана, а южный – в СЕВЕРНОЙ Африке или где-то рядом в Атлантическом океане. Или, наоборот. Знак полюса на сегодняшний день определить нельзя.) На Земле, кстати, наблюдается "Кембрийский взрыв" – резкое увеличение числа новых групп организмов и произошло это после одного из самых масштабных оледенений Земли. То время называлось Snowball Earth («Земля-снежок»), поскольку вся планета была бескрайней ледяной пустыней. Жизнь почти прекратила свое существование, разве что глубоко под водой или где-то в редчайших лужах, сохранивших незамерзшую воду, остались одноклеточные организмы. Лужи эти могли сохраниться где-то в горах или скалах, разогреваемые вулканическим теплом или солнцем тропиков. Или как в Антарктиде, где под слоем льда есть самое настоящее озеро (озеро Восток). А, может, просто ухитрились споры и яйца пережить как-то этот холод.
Кстати, о гипотезах. Может быть, все было не так.
Может быть, просто дрейфовали магнитные полюса Земли и в это время они разместились как бы на экваторе. Соответственно, на полюсах было тепло, как на экваторе сейчас, а на нынешнем экваторе – холодно, как и положено полюсу. А, может, полюса оставались на месте, а континенты бодро дрейфовали вокруг них. Кстати, перемещения-то были относительно быстрыми, поэтому эволюционный взрыв тоже возможен (надо было успеть приспособиться к быстроменяющемуся климату).
Такие вот дела.. Гм… А не рассказать ли мне как-нибудь при случае о ледниковых периодах вообще?
После окончания этого периода, эволюция некоторое время развивалась взрывным образом и породила, в частности, головной мозг. Точнее, сначала на конце нервной спинной трубки появляются три пузыря, которые и станут позже зачатками мозга. Один (передний) из них разделится на два и образует "конечный мозг" и базальные ганглии из одной части, промежуточный мозг – из другой (погодите, сейчас объясню что к чему). Второй (средний) разовьется до среднего мозга, а из заднего появятся мозжечок, продолговатый мозг и варолиев мозг. Задний зачаток – самый древний, второй, соответственно, следующий по возрасту, а передний – самый молодой.
Терминов, как видите, много, придется пояснить, что к чему. Собственно, устройство мозга человека можно посмотреть на картинке, поскольку рассказ пойдет значительно медленнее.
Единый центр, управляющий и получающий нервные сигналы, позволил резко ускорить процесс прохождения нервных импульсов. Толщина нервных волокон достигла 1 мм в диаметре, а скорость возросла до 25 МЕТРОВ/сек. Однако такой шаг оказался эволюционно ошибочным. Толстые нервы занимали слишком много места, к тому же моллюски оказались сильно "нервными", поскольку слишком сильно реагировали на внешние возбуждения. Кстати, поэтому можно не пытаться "переспорить" их реакцией. Человеческой скорости это недоступно.
Да, но мы вернемся к нашим баранам моллюскам. Нервы они на то и нервы, чтобы их холили, лелеяли, оберегали, особенно, если они стали управлять жизненно необходимыми процессами: поглощением пищи, передвижением, реакцией на внешние раздражители. Так появились кто?
Правильно. Так появились позвоночные животные. Сначала, конечно, появилась только ниточка - спинная струна или хорда (от нее название хордовые). Это и есть, по большому счету, первый мозг, поскольку в нем ганглии расположены прямо над "местом действия" и защищены при этом еще одной оболочкой. Почему над местом действия? Потому что чем короче путь, тем быстрее обрабатывается информация и тем больше шансов не только выжить, но и заселить всю планету собой любимым, а это и есть эволюционная цель любого организма.
Только появившись, мозг начал развиваться в направлении специализации его отдельных участков, а спинная хорда начала потихоньку костенеть, все лучше и лучше защищая то, что лежит внутри и управляет организмом. Поскольку все первые хордовые жили в море, то было логично использовать для этой цели кальций. А необходимость изгибать туловище в воде породила позвонки. Однако состояли они пока только из хрупкой хрящевой ткани.
Дальнейшая эволюция породила рыбу. Рыба уже устроена довольно сложно. У нее появилось дыхание, правда, пока только через жабры. Однако этим процессом уже надо управлять, поэтому появилась черепная коробка, а спинной мозг стал заканчиваться самым древним из головных мозгов – продолговатым мозгом. На нем лежат функции поддерживать работу сердца и дыхания, а также "держать" вестибулярный аппарат. Если брать животных и человека, то у них он еще отвечает за рвотный рефлекс и является центром мышечного тонуса. Если мы станем садистами исследователями и удалим, скажем, бедным-несчастным лабораторным мышам все, кроме продолговатого мозга, то мышь умрет от… нарушения терморегуляции. Что говорит о том, что эта функция в процессе эволюции появилась позже. Кстати, развился продолговатый мозг под действием акустического шума и той слабой гравитации, которая в воде все же ощущается. Так мы сделали первый шаг на пути к мозгу человека.
На том же уровне, что и продолговатый мозг, находится так называемый варолиев мост. Тут находятся центры смены режимов сна и бодрствования, пневмотоксический центр, который, в частности, тоже регулирует дыхание и синее пятно, которое регулирует эмоции (самые простые, связанные с пищеварением).
А тем временем на планете бушуют глобальные геологические катаклизмы, которые принуждают все живое приспосабливаться к новым условиям и ускорять свою эволюцию. Очередной ее резкий виток произошел тогда, когда организмы полезли на сушу. Тут потребовалась огромная перестройка всего. В первую очередь биохимии. Изменилось дыхание, пищеварение, выделение вредных веществ, сменилась работа сердца и само сердце, появились мышцы (ведь в воде почти "не работает" земное тяготение), в общем, потребовалось поменять буквально все. Земное притяжение потребовало жестко защитить органы управления, и скелет стал твердым.
Началось это в силурийском периоде, примерно 400 млн. лет назад. Известно, что нижняя граница силурийского периода определяется тем, что с нашим океаном что-то случилось, и там разом почти вымерли 60% всех видов. Это-то и побудило требование ползти на столь неудобную сушу. Что там произошло не очень ясно, но главные гипотезы, как всегда, сценарии раскола планеты, активная вулканическая деятельность, которая привела к изменению кислотности океана, сценарий "ядерной зимы" (который тоже приведет к росту кислотности) в результате метеоритного столкновения, одним словом, никто не знает, что случилось. Кстати, еще через 100 млн. лет по Земле прокатится Пермский период, который приведет к вымиранию до 95% ВИДОВ всех живых существ. Но и о его причинах остается по-прежнему только строить догадки.
Впрочем, Мастер Дилле подсказывает еще одну замечательную во всех смыслах идею: наша планета остывала и продолжает остывать с того самого момента, как образовалась. Происходит это часто как бы рывками. Т.е. накапливаются изменения, которые потом резко меняют, например климат. Например, большие плиты земной коры постепенно становятся все более толстыми, и для их движения уже не хватает потоков вещества в верхних слоях мантии. Для раскола плиты нужны уже более глубокие уровни мантии. А с них выносятся совсем другие газы при вулканических выбросах. Да и сам океан тоже остывает, соответственно меняется его соленость и химический состав.
Кстати, да, из силурийцев мало кто остался жив, но на одного могут посмотреть решительно все. Это известный многим мечехвост. А вот те, кто пережили Пермский период и его вымирание, и сейчас живут на планете.
Так. Вернемся. Что у нас происходит?
Мы вылезли на сушу. Случилось это тогда, когда появились первые яйцекладущие. Покрытые оболочкой яйца могли развиваться на суше, и это было значительным шагом вперед. Но с точки зрения эволюции мозга, происходило вот что. На суше можно развить новые рецепторы. Глаза, уши и нос. Они, конечно, были и раньше. Но теперь они стали активно развиваться и увеличиваться в размерах.
Да, кстати, а вы осознали, что на существ, которые вышли из моря, действует гравитация? "Ну, и что?" – скажете вы? А вот что. Гравитация требует значительно большей координации движений. А за ними следит мозжечок и внутреннее ухо. Это и есть первые "элементы" мозга, получившие ускоренное развитие, причем практически у всех, кто вышел на сушу. Кстати, для сумеречных и ночных животных ухо тоже очень важно. К тому же потребовались ДВА отдела мозга, чтобы работать подобно весам. Возросло количество мышц, и потребовались новые нейроны для их управления. Глаза выработали цветное зрение. Одним словом, все три области стали стремительно развиваться. Такие сложные функции потребовали не только развития мозга в объеме, но и качественно новых изменений самих нейронов, их более узкой специализации.
Появляется центральная нервная система, то есть мозг и спинной мозг. Кстати, напомню то, о чем уже говорилось выше: головной мозг у позвоночных имеет уже три отдела: передний, промежуточный, средний, мозжечок и продолговатый мозг.
Посмотрим, что они делают. Про продолговатый мозг и варолиев мост мы уже говорили.
Далее идет средний мозг, состоящий из крышки мозга, ножки мозга, черной субстанции, красного ядра и четверохолмия. Звучит все просто потрясающе, очень даже подходит для детских страшилок.
Регуляция функций организмов здесь уже более точная. Здесь находятся ориентировочные рефлексы, в буграх четверохолмия – первично-зрительные рефлексы спереди и первично-слуховые сзади (т.е. звук может ощущаться, но не распознаваться). Черная субстанция отвечает за тонусы жевательных мышц. Если мы продолжим наши садистские эксперименты, то окажется, что на этом уровне животное уже может ориентироваться.
Обоняние – самое древнее из чувств, оно есть даже у рыб, следом за ним идет обычная свето- и звукочувствительность.
Обладают такими функциями простейшие земноводные. Глаза лягушки не различают контуров. Она вообще не видит ничего, что НЕ движется. Она реагирует только на свет, тень и их череду, означающую, что летит насекомое. Кстати, то, что мозг находится очень близко ко рту, у нее означает высочайшую скорость реагирования, что дает возможность это самое насекомое поймать.
Кстати, о скорости передачи сигналов по нервной системе. 150 млн. лет назад на Земле появились создания со скелетом, на двух ногах, со спинным мозгом и полостью в черепе под головной мозг. У них даже зачатки рук были! Я говорю про динозавров. Но они были хладнокровными, и скорость распространения нервных сигналов у них зависела от температуры окружающей среды. А это было серьезной проблемой, ведь при почти нуле скорость прохождения сигналов была порядка 5 м/сек, а при 30 – аж 60 м/сек. Соответственно, вы не можете серьезно оценить опасность и вовремя на нее отреагировать.
Пришла пора появиться термостату для нервной системы, т.е. существам с постоянной температурой тела, которая позволяла бы все нервные процессы проводить с постоянной или почти постоянной скоростью. На Земле появились млекопитающие. Заодно нервные клетки приобрели особую оболочку – миелин, которая позволила и ускорить прохождение сигнала, и защитила его от внешних помех (если кто когда замечал, то многие кабели, особенно от антенн, размещены внутри металлической оплетки. Последняя сделана специально для защиты от помех.)
Иногда даже говорят о двух направлениях эволюции. Одно шло у растений: от одноклеточных до все более сложных и сложных, причем изменения были вызваны практически случайными мутациями, из которых полезные отбирались, остальные выбраковывались. А второе шло по направлению эволюционирования нервной системы и скорости (и качества) прохождения нервного сигнала. Кстати, именно это, второе направление иногда кажется настолько упорядоченным и невероятным, что заставляет усомниться в теории Дарвина (который, кстати, о таком ходе эволюции нервных волокон и не знал тогда) и поверить в некие "высшие силы", направляющие развитие всего живого на Земле.
Но до человека-то нам еще далеко. Пока только появились первые теплокровные. Случилось это уже в кайнозойском периоде примерно 100 млн. лет назад. Первые теплокровные были маленькими: грызунами. Это и понятно. Все "верхние" этажи были заняты огромными хладнокровными зверями, осталось место только для маленьких сумеречных животных. А с сумерками и ночью становилось холодно. Маленькие существа должны были придумать способ удержать в себе жизнь. Так появилось теплокровие. Развитие теплокровных пошло по нескольким направлениям, в частности из одного развились сумчатые животные, а из другого – млекопитающие.
65 миллионов лет назад произошла очередная экологическая катастрофа. В районе полуострова Юкатан на планету упал метеорит диаметром от 4 до 12 км. Обе Америки выгорели почти мгновенно, пыль, поднявшаяся в воздух, прекратила фотосинтез. Рост растений остановился. Поедающие их животные тоже стремительно начали вымирать. За ними следом стала исчезать вся пищевая цепочка. Теплокровные выжили – ведь они уже умели сами регулировать температуру своего тела. А все верхние ниши освободились для развития. Теплокровные животные "рванули вперед", занимать освободившиеся эволюционные ниши. Результаты поразительны – ведь даже в море появился огромный теплокровный кит. Кстати, в это время предки приматов попали в Африку и затаились до времени.
А, может, все было и не так. Вот, например, некоторые экологи считают, что никаких таких катастроф и в помине не было. Просто млекопитающие, бывшие к тому моменту максимум насекомоядными, породили хищников. А для их хищников маленькие, размером с кролика, детеныши динозавров, только-только вылупившиеся из яиц, были просто замечательной едой. Очень даже питательной и беззащитной. А защитить их было невозможно – слишком большие родители могли просто раздавить потомство. Так вот постепенно хищники млекопитающих выели молодежь динозавров.
Но вернемся к мозгу. Мозгу теплокровных. Пора появиться промежуточному и среднему мозгу. Кстати, на их развитие по-прежнему сильнейшее действие оказывает… нос, чьи аналитические функции возрастают, а количество рецепторов непрерывно увеличивается.
Между средним мозгом и подкорковыми ядрами находится очень сложное образование, – промежуточный мозг. Он сам состоит из более чем 40 ядер, в частности из таламуса и гипоталамуса.
Задача таламуса обрабатывать информацию, в частности зрительную, и выбрасывать все лишнее. Отсюда задается некий ритм всей коре головного мозга в частности снова-таки смена сна и бодрствования.
Гипоталамус – высший вегетативный центр. Это главное место, где регулируются основные процессы организма. Здесь осуществляются: терморегуляция, обмен веществ, управление работой сердца и сосудов, а также дыхания на более высоком уровне, здесь находится центр жажды и голода, насыщения и сексуального удовлетворения. Если возбуждать гипоталамус, точнее, разные его участки, вы будете чувствовать страх, ярость, радость, даже оргазм. Одним словом, можно сказать, что тут рождаются эмоции.
В промежуточном мозге находится гипофиз и эпифиз. Гипофиз отвечает за гормональное регулирование организма, т.е. за обмен веществ, а эпифиз вырабатывает всего два гормона, но оба крайне важные: мелатонин и серотонин. Первый регулирует процессы полового созревания, вызывая их задержку до нужного возраста, а серотонин нужен для его синтеза. Интересно, что серототин вырабатывается исключительно днем, а мелатонин ночью, в силу чего считается, что именно эпифиз отвечает за правильную работу "биологических часов".
Кстати, учтите, что я вам тут все расписываю, но на самом деле для ученых все еще является загадкой как высшая деятельность мозга – мышление, так и многие функции биохимической и механической регуляции организма. Можно утверждать, что мозг для нас все еще неизведанная область, где сделаны только первые, грубые шаги. А то, о чем я сейчас рассказываю, по сути просто сравнительная анатомия.
Самым поздним отделом мозга является передний мозг. Тут расположены подкорковые ядра и кора больших полушарий. Однако у обычных позвоночных коры еще нет.
Ядра осуществляют движения, требующие высокой организации – ходьба, бег, жевание, опять регулируют день и ночь, управляют двигательной частью пищевой мотивации и опять-таки эмоциями. Поворот головы и засыпание, торможение боли и снижение мышечного тонуса – все это осуществляется в полосатом теле (если его удалить, животное будет непрерывно двигаться и искать пищу). Бледный шар обладает противоположными действиями – он активирует организм и при его удалении животное ляжет, и будет спать. К подкорковым ядрам относится и мозжечок, управляющий и организующий сложные движения, требующие координации.
Наконец, самым эволюционно молодым образованием является кора головного мозга, которая делится на четыре вида: древнюю (палеокортекс), старую (архикортекс), новую (неокортекс) и межуточную. Это и есть пресловутое "серое вещество", составляющее в среднем 44% от мозга человека. Посмотрим на его структуру.
Кстати, перед тем маленькое отступление. На самом деле зачатки коры есть уже у пресмыкающихся и амфибий, но они несут вторичные функции, и до "настоящей" коры, которая начнет сама управлять всеми структурами мозга, очень далеко.
Палеокортекс состоит всего лишь из одного ряда клеток, но его значение переоценить невозможно.
Древняя кора отвечает за обоняние, реакции внимания, инстинкты, регулирует вегетативные функции. Тут лежат центры ярости, удовольствия и страха. Кстати, чтобы нормально сформировать растущий организм, в период полового созревания работа высшего отдела мозга – коры – тормозится, зато растормаживаются подкорки, которые должны сформировать будущие функции, связанные с полом. Древняя кора появилась тогда, когда земноводные вышли на сушу. Старая кора появилась у пресмыкающихся, а новая – у млекопитающих, в частности у китообразных, хоботных и приматов она достигает максимального развития, покрываясь бороздами и извилинами (это позволило резко увеличить объем мозга, не увеличивая объем черепа). Старая кора имеет 2-3 слоя клеток.
Надо подчеркнуть, что на всех этапах развития мозга, новосозданные структуры не только были надстройкой, но и сами, в свою очередь, начинали влиять на более древние, глубже лежащие области. Т.е. структуры коры начали управлять структурами подкорки и т.д. Это позволило уменьшить объем самых древних структур и опять-таки увеличить объем коры. Этот процесс называется кортиколизацией функций, и в результате него появилось новое, сложное и ЦЕЛЬНОЕ образование – головной мозг человека.
Новая кора – это и есть то, что отличает нас от приматов.
Неокортекс состоит из 6-7 слоев клеток, а межуточная кора – это переходные структуры между старой и древней корой. Неокортекс управляет тонкой моторикой и речью, т.е. тем, что отличает человека от остальных приматов.
Как вы могли заметить, многие функции мозга многократно дублируются. Это не зря происходит, поскольку повреждение одной из области мозга позволяет сохранить функции другими областями и выработать заместительные механизмы восприятия мира. Считают, что кора делится на три группы полей, определяющих это восприятие.
Первичные поля, которые получают информацию от всех рецепторов, вторичные, которые их окружают и анализируют полученную информацию, и третичные, которые находятся в лобной и теменной областях. Первичные и вторичные поля образуют первую сигнальную систему, которая определяет реакцию на обычные внешние раздражители. Третичные поля отвечают за окончательную обработку информации, ее анализ и синтез. Тут лежит центр речи и возможность общаться с себе подобными. Здесь происходит мышление. И именно тут образуется вторая сигнальная система, умеющая оперировать абстрактными символами (словом, например).
Да...
1. Найти пример хирургического удаления части мозга, оставлявшее человека живым. На что это влияло? (2 балла)
2. Одна из методик лечения наркотической зависимости заключается в удалении определенного участка мозга. Какого?
(2 балла)
3. Сравнить мозг человека с мозгом любого другого животного. Найти различия. (3 балла)
4. Каким образом можно развивать различные участки мозга? ( балла)
Все, пожалуй?
Когда-то эта лекция писалась для Хогвартса Сириуса. Сегодня я там не преподаю, поэтому всех желающих ее выполнить, отсылаю к себе на почту.
Терминов, как видите, много, придется пояснить, что к чему. Собственно, устройство мозга человека можно посмотреть на картинке, поскольку рассказ пойдет значительно медленнее.
Единый центр, управляющий и получающий нервные сигналы, позволил резко ускорить процесс прохождения нервных импульсов. Толщина нервных волокон достигла 1 мм в диаметре, а скорость возросла до 25 МЕТРОВ/сек. Однако такой шаг оказался эволюционно ошибочным. Толстые нервы занимали слишком много места, к тому же моллюски оказались сильно "нервными", поскольку слишком сильно реагировали на внешние возбуждения. Кстати, поэтому можно не пытаться "переспорить" их реакцией. Человеческой скорости это недоступно.
Дальнейшая эволюция породила рыбу. Рыба уже устроена довольно сложно. У нее появилось дыхание, правда, пока только через жабры. Однако этим процессом уже надо управлять, поэтому появилась черепная коробка, а спинной мозг стал заканчиваться самым древним из головных мозгов – продолговатым мозгом. На нем лежат функции поддерживать работу сердца и дыхания, а также "держать" вестибулярный аппарат. Если брать животных и человека, то у них он еще отвечает за рвотный рефлекс и является центром мышечного тонуса. Если мы станем садистами исследователями и удалим, скажем, бедным-несчастным лабораторным мышам все, кроме продолговатого мозга, то мышь умрет от… нарушения терморегуляции. Что говорит о том, что эта функция в процессе эволюции появилась позже. Кстати, развился продолговатый мозг под действием акустического шума и той слабой гравитации, которая в воде все же ощущается. Так мы сделали первый шаг на пути к мозгу человека.