Умный и сознающий. 4 миллиарда лет эволюции мозга

Глава 7
За пределами поведения животных

В XIX веке поведенческие реакции растений на воздействие света и химикатов описывали Чарльз Дарвин и Жак Лёб, а наглядным примером тому может служить хорошо известная способность подсолнухов поворачиваться за солнцем. Примитивное, возникшее в ответ на стимул поведение неподвижных организмов – таких, как растения – называется тропизм. Исследований в области «поведения» растений ведется много.

Например, в книге «Тайные знания растений»^[11] биолог Дэниел Чамовиц описывает впечатляющие способности растений обрабатывать информацию, которые те используют для контроля своих движений в ответ на стимуляцию. Растения способны не только «следовать за солнцем», поворачиваясь на стебле, – они могут направлять свои листья так, чтобы каждый из них получал максимум солнечного света и растение росло быстрее. Некоторые виды даже научились запоминать время восхода солнца и хранить эту информацию в течение нескольких дней, даже если на этот срок они лишены солнечного света. Авторы монографии «О чем думают растения?»^[12] Стефано Манкузо и Алессандра Виола считают, что растения способны не только видеть, осязать, обонять и слышать: у них есть с десяток других сенсорных возможностей, которых нет у людей (включая способность распознавать минералы, влагу, магнитные сигналы и силу притяжения). Например, корни растений могут распознавать минеральный состав и воду в почве, и направлять рост корней в ту область под землей, где выше концентрация полезных веществ. Некоторые хищные растения способны почувствовать присутствие жертвы на своей поверхности; самое известное из таких растений – венерина мухоловка.

Некоторые не спешат называть движение растений поведением, поскольку у растений нет нервов и мышц, но ведь они дышат, хоть и без легких, и переваривают питательные вещества, не имея желудка, а значит, растения могут двигаться (проявлять поведение). Не стоит отрицать наличие поведенческих возможностей у организма только потому, что он лишен физиологического механизма, с помощью которого поведение проявляется у животных.

Очевидно, что растения способны чувствовать окружающую среду, учиться, хранить информацию и использовать ее, чтобы направлять свои движения, то есть демонстрировать поведение. Есть мнение, что поведение должно быть «разумным», и это верно, если мы определяем разумность как способность решать задачи посредством поведенческого взаимодействия с окружающей средой, а не как определенный набор умственных способностей.

Рассуждая о поведении, нельзя (да и не стоит) ограничиваться примерами из мира животных и растений. Еще на рубеже XIX–XX веков первые исследователи поведения Конви Морган и Герберт Дженнингс серьезно интересовались одноклеточными протистами, особенно простейшим под названием «инфузория-туфелька» (рисунок 7.1). Доказано, что эти организмы в своей повседневной жизни в ответ на полезные и вредные стимулы использовали примитивные реакции на приближение и отдаление, называемые таксисами^[13]. Морган, например, отмечал: «Первичная цель рецепций воздействий (стимулов) внешнего мира или окружающей среды… – это активизация определенной деятельности. У одноклеточных организмов восприятие и реакция осуществляются одной и той же клеткой, поэтому и деятельность эта по большей части примитивна, хотя и среди простейших есть такие организмы, которые не демонстрируют реакций малой сложности» (курсив автора). Бертран Рассел, известный английский философ начала XX века, высказывал схожую мысль: «Между простейшими и человеком нет такой уж существенной разницы ни в плане строения, ни в плане поведения». Позже с ним согласился и Лоренц, добавив, что между простейшими и людьми существует неразрывная эволюционная связь. То же самое можно сказать и о бактериях. В следующей главе речь пойдет о том, как эти древние одноклеточные организмы воспринимали окружавшую их среду и реагировали на нее; возможно, они даже учились и запоминали.

Рисунок 7.1. Поведенческие таксисы простейших

Выше я уже описал сознание как способность формировать внутренние представления и использовать их в управлении поведением. Существует тенденция расширять понятие сознания за пределы роли, которая ограничивается использованием внутренних представлений в управлении поведением, так чтобы растения и микроорганизмы тоже можно было считать разумными созданиями. Некоторые достигают этой цели, приравнивая сознание к способности обрабатывать информацию. Поскольку любая форма поведения предполагает обработку информации, согласно этой теории любая форма поведения осознанна; другие выбирают иной путь и определяют сознание как адаптивную регуляцию состояний и взаимодействий относительно последствий для его жизнеспособности. В рамках обеих концепций все организмы, включая простейшие и бактерии, являются мыслящими существами.

Считается, что эти подходы корректируют антропоцентрическое представление о сознании. Более того, современные ученые-когнитивисты вовсе не считают сознание прерогативой исключительно человека, и исследований по изучению сознания животных проводится очень много. Если описанная выше точка зрения будет развиваться, мы придем к необходимости сформулировать новое название для процесса, лежащего в основе использования внутренних представлений, управляющих поведением. Пока же термин «сознание» вполне соответствует своей роли, но, возможно, нужен новый термин для описания такого сложного поведения, которое не контролируется внутренними представлениями.

Дальше в тексте этой книги я буду использовать следующие поведенческие категории: таксисы, тропизмы, рефлексы, фиксированные действия, привычки, зависящие от результата инструментальные действия и зависящие от сознания реакции. Мы будем обращаться к этим терминам, наблюдая за возникновением поведенческих черт в ходе превращения одноклеточных организмов в огромное множество их разнообразных многоклеточных потомков.

Глава 8
Первые выжившие

LUCA, общий предок всего живого на Земле, в форме генов передал свои черты, необходимые для выживания, всем своим потомкам. Некоторые, а возможно, многие из этих отпрысков продолжить свое существование не смогли, но у одной группы получилось выжить. 3,5 миллиарда лет назад появились бактерии, существующие и по сей день и представляющие собой самый многочисленный род организмов на Земле.

Независимо от среды обитания – будь то сад за домом, глуби́ны теплого моря или просторы Арктики, глинистые пруды или пустыни, мужской туалет на Центральном вокзале Нью-Йорка или ваша собственная прямая кишка, в которой бактерии выполняют токсическую или пробиотическую функцию, – бактериальным клеткам приходится справляться с теми же ключевыми задачами, что и людям, чтобы жить и здравствовать: избегать опасностей, распознавать и усваивать питательные вещества, а также источники энергии, управлять жидкостями и электролитами в организме. Для того чтобы их род выжил, организмы должны размножаться. Как и мы, бактерии должны удовлетворять многие необходимые для выживания потребности, в том числе за счет поведенческой вовлеченности в окружающую среду.

Поскольку вся сущность бактерии заключена в одной-единственной клетке, у нее нет других клеток, необходимых для работы отдельных органов чувств, мускулов или нервной системы, координирующей ее восприятие и движения. Клетка всего одна, сама по себе.

Многие бактерии подвижны: они выживают, ежедневно находясь в постоянном движении. Эти движения осуществляются своеобразными молекулярными моторами, контролирующими нитевидные образования – жгутики. С их помощью бактерии способны передвигаться, совершая два типа движений – «бег» и «кувыркание» (рисунок 8.1). Когда все жгутики вращаются в одном и том же направлении, бактерия «бежит», совершая направленное движение; когда жгутики вращаются в обратную сторону, бактерия «кувыркается», меняя направление.

Рисунок 8.1. «Кувыркание» и «бег» у бактерий

У способности двигаться есть как преимущества, так и издержки. Для того чтобы двигаться, нужны жгутики, а на шевеление жгутиками уходит огромный объем энергии, отведенной бактерии на обеспечение ежедневных нужд. С другой стороны, подвижность позволяет поглощать больше пищи и избегать вреда. Как уже отмечалось, примитивные движения бактерий называются таксисами – это ориентировочные реакции приближения к полезным субстанциям и удаления от вредных. Полезные и вредные субстанции называются «аттрактанты» и «репелленты» соответственно. Таксисное поведение проявляют только подвижные организмы; таким образом, оно отличается от тропизмов стеблей, листьев и корней неподвижных растений; таксисы – это реакции, в результате которых весь организм меняет свое пространственное расположение.

Таксисы возникают, когда рецепторы распознают аттрактант или репеллент. Одни рецепторы чувствительны к концентрации химического вещества в окружающей среде (хеморецепторы), а другие – к свету (фоторецепторы). Поведение, управляемое химическими соединениями, носит название «хемотаксис», а светом – «фототаксис» (рисунок 8.2).

Рисунок 8.2. Бактериальные таксисы

Направление движения зависит от текущей ситуации, в которую попадает бактерия. Когда бактерия распознает аттрактант, она реже «кувыркается» и чаще «бежит», в результате чего она приближается к субстанции. И наоборот: если же обнаружен репеллент, бактерия «кувыркается», меняя направление движения и избегая таким образом опасности. Что будет делать бактерия – «кувыркаться» или «бежать», – зависит от молекулярных выходных сигналов рецепторов бактерии; интенсивность этих реакций зависит от концентраций стимула (химического или светового).

Кроме того, чтобы оставаться здоровыми, бактериальным клеткам приходится поддерживать определенный объем жидкости внутри себя; если жидкости будет слишком много, клетка взорвется, а если слишком мало – схлопнется. Этот процесс предполагает сложную систему взаимодействий электролитов (таких солей, как натрий или калий) и воды. Если концентрация солей снаружи клетки выше, чем внутри, вода вытесняется; таким образом достигается равновесие жидкостей и солей, и структура клетки не повреждается; если концентрация солей внутри клетки выше, она втягивает больше воды, чтобы избежать схлопывания.

У животных аналогичные факторы влияют на поддержание баланса жидкостей в различных клетках организма. Когда в наших клетках слишком много солей, мы ищем способ напиться, чтобы восполнить дефицит жидкости, которая вытянет соль из клеток и восстановит баланс. Когда мы теряем жидкость с рвотой, поносом или в ходе интенсивных тренировок, запас электролитов истощается, баланс в клетках нарушается. Организму необходимо восполнить потерянную жидкость и электролиты, например с помощью изотонических напитков (таких, как Gatorade), а в тяжелых случаях – с помощью внутривенных вливаний.

Многие животные умеют поддерживать стабильную температуру своего тела, когда температура окружающей среды колеблется. Такая физиологическая способность необходима для выживания, потому что разница между внутренней и внешней температурой может стать губительной для процессов и реакций, необходимых для выживания клеток. Кроме того, для терморегуляции животные используют поведение: мы раздеваемся и ищем тень, когда на улице слишком жарко, и наоборот, если холодно, мы надеваем на себя несколько слоев одежды; у некоторых млекопитающих есть сезонная линька; птицы мигрируют. Бактерии же вместо поддержания внутренней температуры на определенном уровне меняют свои внутренние биохимические процессы, что позволяет их физиологии приспособиться к внешней температуре. Эта способность – ключевой фактор выживания древних одноклеточных форм жизни в самых разных климатических условиях. Кроме того, бактерии ощущают внешнюю температуру и меняют свое поведение, подстраиваясь под окружающую среду.

Для продолжения рода бактерии, как и все прочие организмы, должны размножаться. Для нас и многих других животных размножение предполагает взаимодействие с другим организмом, но бактерии размножаются делением. Секс появился как модификация клеточного деления одноклеточных простейших и не мог бы существовать в отсутствие бесполого способа размножения, которым бактерии пользовались на протяжении миллиардов лет.

Хотя само по себе размножение не является социальным поведением бактерий, их тоже в определенной степени можно считать социальными организмами: нередко они собираются вместе на поверхностях и выделяют вещества, позволяющие отдельным клеткам буквально приклеиваться друг к другу. Такие колонии клеток называют биопленками. Налет у вас на зубах, липкий слой на стенке душевой кабины, след от электрической зубной щетки на полочке и многое другое из того, что мы считаем грязью, на самом деле является биопленками. Недавние исследования показали, что клетки биопленок не просто пассивно соединяются: на самом деле они общаются друг с другом посредством электрических сигналов, позволяющих координировать питание, размножение и привлечение в группу новых членов. Зачастую поведение, которое считается проявлением психологического или социального взаимодействия у более сложных организмов (например, стремление к местам или вещам, обладающим определенным запахом, и избегание тех, которые им не обладают), на самом деле объясняется аналогичными простыми факторами.

Также бактерии могут усваивать информацию об окружающем мире и использовать ее в будущем для управления своим поведением. Например, существуют свидетельства того, что они способны формировать внутренние молекулярные представления об окружающих их условиях (температура, уровень кислорода), использовать их, чтобы предсказывать, какими окружающие условия будут в будущем, и соответствующим образом реагировать. Другими словами, как уже отмечалось, они умеют учиться и запоминать. И хотя доказательства способности бактерий к обучению в основном получены в экспериментах на теоретических моделях, есть убедительные свидетельства того, что одноклеточные простейшие действительно обучаются и запоминают; нервная система для таких способностей не требуется.

Наше представление о памяти нередко антропоцентрично: мы приравниваем память к способности осознанно вспоминать прошлое. На самом же деле память – это прежде всего клеточная функция, помогающая организму выжить. С ее помощью прошлое оповещает настоящую и будущую клеточную функцию, будь то одноклеточный организм или же многоклеточный. Это справедливо и для большей части остальной психологической жизни и ее проявлений в нашем рассудке. Хотя сознание и полезно для людей, и позже мы обсудим, чем именно, оно выступает в качестве пассивного наблюдателя поведения, а не его активного регулятора, особенно в отношении механизмов выживания, появившихся миллиарды лет назад. Все дело в том, что наш мозг способен осознавать свою собственную работу, поэтому, когда перед нами стоит задача выжить, мы испытываем страх, удовольствие, а также другие эмоции и даже применяем свободу воли, выбирая, как поступить дальше.

Глава 9
Стратегии и тактики выживания

Древние одноклеточные организмы решали первоначальные проблемы выживания посредством создания механизмов, необходимых для поддержания жизни. Более сложным организмам, появившимся впоследствии, уже не нужно было изобретать это колесо заново – его пришлось лишь преобразовать. Правда, внедрение этих механизмов в каждый отдельный вид было предопределено условиями, в которых этот вид возник.

Например, разные животные имеют внешне разные по своему строению тела, и это строение отражает те уникальные способы адаптации, которые использовали древние предки этих видов, пытаясь выжить в окружавшей их среде. В результате разные животные демонстрируют разное поведение, когда им приходится выживать: одни плавают, другие летают, третьи передвигаются по суше – ползком, на четырех или даже на двух ногах. Особенности внедрения этих механизмов сильно отличаются друг от друга и зависят от строения тела животного.

Биологи-эволюционисты различают конечные и приближенные объяснения. Ответ на вопрос, почему существует определенный тип поведения, будет конечным, или эволюционным, объяснением, в то время как ответ на вопрос, как поведение выражается существующим организмом в конкретной ситуации, будет приближенным объяснением. Приближенной причиной того, что животные убегают от хищника, является производство мозгом таких сенсорных сигналов в присутствии хищника, которые заставляют предпринимать защитные действия, например спасаться бегством. Конечной причиной того, почему животное так себя ведет, является его принадлежность к той линии организмов, которая приспособлена к избеганию вреда; древние предки этого животного выжили и передали своим отпрыскам гены, несущие эту черту.

Биолог Карл Никлас считает, что в процессе создания новых видов естественный отбор «влияет скорее на функциональные черты, а не на образующие их механизмы». Другими словами, сохраненные гены выражаются в общих функциях, поддерживающих жизнь организма, а не в том, каким образом они реализованы. Уникальные методы реализации в отдельном виде требуют новых механизмов.

Размышлять об этом можно с точки зрения стратегии и тактики. Стратегии выживания отражают базовые потребности клеточной жизни и по сути своей универсальны. У разных организмов разная физическая структура, отражающая способ, с помощью которого строение тела их вида создавалось под окружающую среду посредством естественного отбора. Организмы располагают различными поведенческими инструментами или тактиками, с помощью которых они реализуют стратегию выживания.

Возможно, самым ярким примером того, как направленная на выживание деятельность сохраняется на протяжении всей истории жизни, является механизм передачи генов. Современные генетики предоставили исчерпывающие доказательства существования убиквитарного набора генов – так называемого универсального генетического набора инструментов. Он обнаружен как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов, причем некоторые из этих генов присутствовали даже у LUCA. Сам по себе этот факт поражает: у всех живых существ есть гены, связывающие их с истоками клеточной жизни. Пока мы, к сожалению, не знаем, сохранились ли гены, лежавшие в основе способности древних организмов поддерживать у себя запасы энергии и баланс жидкостей, а также защищаться от вреда, однако у ученых есть инструменты, позволяющие найти ответ на этот вопрос.

Переход от примитивного поведения одноклеточных организмов к сложному поведению животных может показаться притянутой за уши гипотезой, однако если вспомнить о том, что поведение зачастую предполагает движение по направлению к стимулам окружающей среды или прочь от них, эта точка зрения представляется уже более правдоподобной. Приближение и отдаление, как отметил Теодор Шнейрла, есть наиболее фундаментальные и универсальные классы поведения.

Но почему они универсальны? Если мы возьмем два неподвижных объекта и подвинем один из них, он окажется либо ближе ко второму, либо дальше от него – других вариантов нет. Универсальный характер приближения и отдаления, возможно, заключается в том, что на них действуют законы физики, а не в том, что они отражают психологические мотивации.

Но дело еще и в том, что те организмы, которые эффективнее других двигались к поддерживавшим жизнь элементам окружающей среды (аттрактантам) и прочь от элементов, губительных с точки зрения выживания (репеллентов), получали селективное преимущество и, вероятно, передали эти выигрышные гены своим потомкам. То, что они передают, – скорее не физическая тенденция к приближению и избеганию, а особая биологическая реализация, связанная с потребностями выживания.

Например, помимо таксисов в ходе эволюции нервной системы у животных появились новые возможности для приближения и отдаления. В частности, ради удовлетворения специфических требований выживания нервная регуляция позволяет приближаться и отдаляться с гораздо большей точностью. По мере усложнения и усовершенствования строения животных и их нервной системы усложнялся и расширялся и репертуар их поведения. Когда организмы удовлетворяют свои базовые потребности, связанные с энергией, питанием, поддержанием баланса жидкостей и защитой, или когда они заняты половым размножением, они в самом базовом смысле обычно используют нейронные контуры, чтобы вызывать специфическое поведение приближения или отдаления, подходящее строению их тела за счет наличия у их вида определенных генов.

Часто мы относим различные психические состояния, в особенности эмоции, к типам поведения, связанного с выживанием. Мы говорим, что отдаляемся от опасности, потому что испытываем страх перед тем, что может случиться. Если отдалиться не получается, мы говорим, что испытываем ужас. Аналогичным образом стимулами стремления к еде или сексу мы часто считаем страсть или надежду. Если в результате приближения мы получаем желаемое, то испытываем удовлетворение или удовольствие, а если нет – разочарование и отчаяние. Не отрицая тот факт, что мы действительно способны испытывать подобные чувства, следует проявлять осторожность, пытаясь с их помощью объяснить поведение. Позже я расскажу о том, что, согласно результатам новейших исследований приближение, отдаление и другие типы поведения, направленного на выживание, у людей возникают не за счет тех нейронных контуров, которые провоцируют чувства страха, удовольствия, разочарования и так далее.

О чувствах других животных мы ничего не знаем, однако в данном случае не важно, что испытывают другие животные. Главное – найти истоки деятельности, благодаря которой мы выживаем, поскольку она является долгой историей эволюционной адаптации, за счет которой потомки LUCA выжили и в итоге сформировалась такая нервная система, которая позволяет действовать в интересах выживания.

Ключевым моментом этой главы является тот факт, что нам и другим сложным организмам приходится выполнять определенные действия, чтобы выжить, и те же самые действия помогли выжить простым организмам. Правда, этот вывод не следует толковать слишком широко. Это всего лишь утверждение, гласящее, что минимальные требования жизни универсальны. Передо мной не стоит цель упростить сложное поведение людей и других животных; скорее, я стремлюсь подчеркнуть, что и у простых организмов деятельность, направленная на выживание, довольно сложна и между этими древними механизмами и нашей современной жизнью существует глубинная связь.