Интеллектика. Как работает ваш мозг

ВВЕДЕНИЕ

Знаете ли вы, что обладаете самым уникальным сокровищем во Вселенной? Это сокровище всегда находится с вами, и отнять его у вас можно только вместе с жизнью. Именно благодаря ему вы можете достичь любых других, хотя и значительно менее ценных сокровищ. Это сокровище — ваш разум.

Человек издавна интересовался разумом, но и по сей день разум остается самым таинственным явлением Вселенной. Только в последнее время широкое развитие научных исследований позволило сделать некоторые обоснованные выводы о его деятельности. Однако результаты таких исследований разбросаны по самым разным наукам, и поэтому ими очень неудобно пользоваться.

В этой книге сделана попытка свести все эти разрозненные знания в систему, которая имела бы практическое значение. Инженер, разрабатывающий интеллектуальные системы; педагог, ищущий эффективные способы обучения; исследователь, пытающийся активизировать свое мышление, — все они должны отчетливо представлять возможности интеллекта и принципы его функционирования.

Наконец, каждому человеку важно понимать, как именно он мыслит, чтобы делать это более эффективно.

Сложность изучаемого предмета требует выделения знаний о нем в отдельную науку, которую мы в дальнейшем будем называть интеллектикой.

В этой книге разрозненные знания об интеллекте собраны в целостную структуру. Ключевые моменты этой структуры в тексте будут помещены в рамочку.

Выводы в рамочке требуют повышенного внимания.

Прежде всего мы выделим тот набор явлений, который будет изучаться интеллектикой. Мысленно представим себе весь животный мир, населяющий нашу планету. Мы сразу увидим колоссальную разницу между человеческой цивилизацией и любым другим видом животного царства. Очевидно, что существует нечто, отличающее человека от прочих живых существ. Это «нечто» мы и будем называть интеллектом.

Интеллектика изучает то, что делает человека человеком.

ЧАСТЬ 1

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТА

Каково назначение человека? Быть им.

Станислав Ежи Лец

Вы хотите быть успешным и счастливым? Вы хотите быстро и эффективно решать те задачи, которые ставит перед вами жизнь? Вы хотите справляться с любыми ситуациями и с честью выходить из затруднительных положений?

Если да, то у меня есть для вас приятная новость. Природа подарила вам такую возможность. Она подарила вам интеллект — самое эффективное средство для решения проблем.

Правда, к интеллекту не прилагается инструкция по применению. Это означает, что вам надо разбираться в своем интеллекте самим. В этой книге будет детально рассмотрено, что такое интеллект, как он работает и как им правильно пользоваться.

ЧТО ТАКОЕ ИНТЕЛЛЕКТ?

Всякий умный человек знает, что такое интеллект... Это то, чего нет у других!

Начнем с определения интеллекта. Как ни странно, но сразу дать это определение не так просто. Психические процессы настолько взаимосвязаны, что тяжело найти ту ниточку, за которую нужно потянуть, чтобы распутать весь клубок.

Все становится намного проще, если проследить, как именно появился интеллект. Когда мы увидим последовательность возникновения тех или иных функций, нам легче будет понять их отношение и связь.

А зачем вообще нужен интеллект?

ЗАЧЕМ НУЖЕН ИНТЕЛЛЕКТ?

Природа дала человеку очень мало шансов выжить. Представьте, что вы оказались в джунглях. Без одежды и без оружия. С ближайшей ветки на вас лениво смотрит леопард. В траве проползает шестиметровый питон. На берегу реки греется пара крокодилов. В небе кружат стервятники. А рядом жужжит муха цеце. Сколько вы продержитесь?

У человека нет острых зубов, как у тигра, мощных мышц, как у медведя, быстрых ног, как у гепарда. И даже защититься рогами или мощным ударом копыта он не может. Он практически беззащитен, а это в мире зверей большой недостаток.

Каждое животное находится в условиях непрерывной борьбы за существование. Оно должно найти себе пропитание, избежать нападения хищников и завести потомство. Этому помогают быстрые ноги, острые зубы, крепкие мышцы.

Человек сильно выделяется в этом жестоком мире борьбы всех против всех своей явной беспомощностью. Но в то же время мы видим, что человечество не только не боится тигров или медведей, но даже решает, оставить их на Земле или уничтожить, как уничтожило раньше десятки видов других животных.

Секрет такой силы человека в том, что природа снабдила его более страшным оружием, чем клыки или когти. Природа подарила человеку интеллект — лучшее средство выживания.

Посмотрим, как интеллект помогает побеждать в борьбе за существование.

Даже микроскопическая бактерия должна сначала решить, что перед ней — еда или хищник, — а потом уже действовать. А для этого любое животное должно хоть что-то знать об окружающей среде, или, говоря другими словами, иметь модель окружающей среды.

Перед тем как броситься на добычу или наутек, животное должно сначала распознать ситуацию.

Если мы рассмотрим какое-либо животное, то увидим, что оно успешно живет в пределах своей экологической ниши, несмотря на то, что число опасностей, которые его подстерегают, весьма велико.

Закон естественного отбора приводит к появлению таких животных, которые идеально приспособлены к конкретным условиям существования, то есть животных, которые имеют систему отражения окружающей среды.

Но обратим внимание, что произойдет, если изменится среда существования.

Хищная рыба, для которой нет никаких опасностей в ее родном пруду, может быть съедена случайно залетевшим журавлем. Стадо слонов может подвергнуться нападению несметных полчищ муравьев. Наступивший ледниковый период полностью меняет условия жизни, вынуждая животных покидать насиженные места или приспосабливаться к новым обстоятельствам.

В таком случае в действие опять приходит закон естественного отбора, который начинает отбирать особей, способных построить модель и этой ситуации, а значит выжить.

И наконец, любое земное животное пока бессильно перед воздействием космических катаклизмов. Следовательно, естественный отбор приводит к тому, что системы отражения должны будут воссоздавать все более и более широкую среду существования.

На определенной стадии развития должна появиться система отражения, способная воссоздать всю Вселенную. Такой системой отражения и стал человеческий интеллект, который воссоздает всю Вселенную, или другими словами:

Человек — это зеркало, в которое смотрится Вселенная.

Отражая Вселенную, интеллект в то же время отражает и те опасности, которые угрожают человеку. Интеллект позволяет построить модель любого хищника и модель такого поведения, которое позволяет справиться с этим хищником.

Преимущество построения модели в том, что в предстоящей схватке человек заранее может определить свою цель и заранее продумать, как ее достичь. Борьба за существование разделяется на два этапа. Сначала человек строит модель достижения цели, а затем эту цель реализует на практике. Это и дает человеку колоссальное преимущество в борьбе за выживание.

Интеллект нужен человеку для того, чтобы добиваться своих целей.

ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Теперь нам необходимо выяснить, что такое жизнь и какие системы можно считать живыми системами. Для этого рассмотрим подробнее развитие свойства отражения.

Для того чтобы распознать ситуацию нападения и выжить, животное должно сначала получить и обработать информацию об угрозе нападения. Обработка информации определяется той моделью окружающей среды, которая хранится в системе отражения. Птица, увидевшая охотника, будет вести себя по-разному в зависимости от того, имеет ли она внутреннее отражение ситуации охоты и связанной с этим опасности.

Оценка информации сильно зависит от внутреннего состояния системы отражения. Чем более опасно воздействие, тем более важным будет информация об этом воздействии.

Если система ничего предпринимать не будет, то перестанет существовать. Для простоты понимания введем условное понятие глобальной цели системы.

Глобальной целью всех систем (живых или неживых) является продолжение своего существования. Все остальные цели могут быть только локальными. Ведь для того, чтобы чего-то добиться в какой-то момент времени, нужно обязательно существовать в это время. Отличие в том, что живые системы предпринимают какие-то действия для достижения глобальной цели, а неживые ничего не предпринимают. Просто лежат и ждут. Авось пронесет.

Введем исключительно важное понятие, которое часто будет использоваться в дальнейшем. Важность информации для достижения некоторой цели мы будем называть валентностью.

Так, например, поведение волка при виде добычи будет в значительной степени зависеть от сытости. Голод повышает валентность информации о добыче, а насыщение ее понижает. Сравните две ситуации. Вы приходите с работы, где едва удалось перехватить сухой бутерброд. В животе тоска, во рту пересохло. Вы открываете дверь и чувствуете волшебный запах жареной курочки. Все мысли прочь, и вы устремляетесь на кухню.

И другая ситуация. Вы третий час сидите за праздничным столом, осоловело глядя на кучу объедков и икая салатом. И тут хлебосольная хозяйка вносит ту же жареную курочку. И вы отшатываетесь, бормоча: «Нет, я все». Но запах курочки тот же. В чем разница? Валентность изменилась!

Задача выживания требует определения валентности для каждой получаемой информации. Общая цель выживания включает подцели поиска пищи, заведения потомства, бегства от хищника.

Неживые системы также могут реагировать на информационное воздействие. Например, охранная сигнализация может реагировать на попытку проникновения. Но неживые системы используют информацию не для выживания, а просто выполняют свою функцию.

Живые системы достигают глобальной цели путем изменения поведения в ответ на стимул с наибольшей валентностью.

Это ключевой признак живых систем.

Другими словами, это означает, что живой организм меняет свое поведение в зависимости от факторов, не связанных с энергетическим воздействием на него. Ветер может отнести в сторону и слетевший с дерева листок, и воробья, но если воробей заметит в стороне нечто привлекательное, например воробьиху, то он все равно будет стараться лететь в ту сторону, куда ему хочется.

С другой стороны, ракета с тепловым наведением на цель также будет реагировать на поступающую от цели информацию до тех пор, пока не самоуничтожится при взрыве, то есть реагирование в данном случае не служит достижению глобальной цели. Если какая-то особо умная ракета внезапно осознает, что преследование цели приведет к гибели ее самой, плюнет на цель и начнет уходить подальше от места боевых действий, уклоняясь от попыток ее сбить, то можно считать эту ракету живой.

Все механические системы создаются для выполнения человеческих целей, поэтому даже если добавить блок самосохранения, то все равно целью этой системы будет выполнение своей функции, а не самосохранение.

Понятие информации тесно связано с понятием жизни, и для того, чтобы живая система могла существовать, она обязательно должна иметь подсистему для обработки информации.

Для живых организмов такой подсистемой является нервная система. При этом чем более развит живой организм, тем более совершенную нервную систему он имеет.

С момента появления жизни эволюция живых организмов протекала в направлении совершенствования нервной системы. Нет такого периода эволюции, в течение которого появлялись бы организмы с менее развитой нервной системой и одерживали бы верх над прочими организмами. Возможности выживания росли с развитием нервной системы.

Эволюция жизни — это эволюция нервных систем.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТА

Нервная система человека имеет возможность отразить всю Вселенную. Но среди моря информации нужно выделить именно ту, которая нужна для достижения цели, поскольку она все время валентируется. И животное, и человек — не пассивные потребители информации, они активно ищут важную информацию. Отличие в том, что человек может отбирать ее из гораздо более широкого, практически неограниченного диапазона.

Другими словами, попасть в капкан может и животное, и человек. Но только человек будет думать о том, кто это мог поставить здесь капкан и что будет, если он этот капкан сломает или если он напишет заявление в милицию, и что нужно запастись справкой от врача. Процесс мышления, независимо от вызвавшей его причины, неограничен. От любой мелочи можно перейти к обдумыванию проблем Вселенной.

Мы подошли к очень важному этапу. Раз человек может понять всю Вселенную, то он может понять и свои отношения с этой Вселенной, а следовательно, может действовать таким образом, чтобы добиться изменения Вселенной в соответствии со своими потребностями.

Все, что ему требуется для этого, — это обеспечить целенаправленные воздействия на Вселенную, а для этого, в свою очередь, нужно понимать свои цели и то, к чему приводит каждое воздействие.

Что же произойдет, если в фокус системы отражения человека попадет он сам? Ну, во-первых, он себе как минимум не понравится. Но ведь он всегда может это в себе изменить! Вопрос только в том, как это сделать. Так мы все ближе и ближе подходим к определению интеллекта.

Раз человек может отразить всю Вселенную, то он может отразить и самого себя. Значит, он может целенаправленно воздействовать не только на Вселенную, но и на себя как на часть этой Вселенной. То есть система отражения сама может порождать стимул, который будет направлять ее поведение. Свойство системы вырабатывать стимулы для изменения собственного поведения мы будем называть автостимуляцией.

Примеров автостимуляции очень много. Можно, например, повесить на стенку фотографию любимого героя и решить подражать ему, можно написать план собственного усовершенствования, можно заплатить инструктору-боксеру, и он профессионально займется коренным пре­образованием твоего образа.

Автостимуляция предназначена для направления своего собственного поведения в отличие от простой стимуляции других систем.

Стимулы, создаваемые при автостимуляции, могут обладать свойством отложенного действия, то есть они создаются до непосредственного их использования.

Наиболее распространенными примерами таких заранее созданных стимулов являются программы проведения различных мероприятий, например чемпионата мира по футболу. Задолго до того, как команды выйдут на поле, появляются планы проведения игр, схемы отбора лучших команд. Еще никто не знает, какие команды выйдут в финал, но уже известна дата финального матча. Еще может не существовать стадиона, на котором десятки тысяч болельщиков будут следить за перемещениями еще не существующего мяча, но уже любители футбола начинают планировать свое присутствие на этом стадионе и откладывать деньги на поездку.

Все это примеры стимулов, которые воздействуют на участников событий не в момент их создания, а гораздо позже.

Поэтому интеллект позволяет, вместо непосредственного реагирования на текущую ситуацию, перейти к выполнению заранее обдуманного и всесторонне подготовленного плана, который и приведет к желанной цели. Таким образом, мы теперь можем дать строгое определение интеллекта.

Интеллект — это свойство системы достигать поставленных целей путем автостимуляции.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Теперь нам надо понять, в какой именно момент неживая природа стала живой, так как именно эволюция живых систем и привела к появлению интеллекта.

Раньше, а точнее 15 миллиардов лет назад, в нашей Вселенной произошел Большой взрыв, в результате которого возник колоссальных размеров огненный шар. По мере остывания этого шара возникло облако материи, из которого стали появляться первые галактики. Сила взрыва была настолько велика, что галактики и сейчас удаляются друг от друга. Поэтому если у вас в планах есть посещение другой галактики, то особо откладывать это не стоит.

Приблизительно 5 миллиардов лет назад на окраине галактики, имя которой Млечный Путь, образовалась и наша планета.

Условия жизни на Земле сначала были не столь приятные, как сейчас. На том месте, где вы сейчас сидите, наверняка извергался очередной вулкан. И потоки раскаленной лавы стекали в океан, образуя клубы пара. Непрерывно гремел гром и сверкали молнии. Дышать было нечем, так как кислорода не было совсем. В атмосфере находились только метан, аммиак и водяной пар. А ультрафиолетовое излучение было существенно выше, так что вы сразу бы покрылись загаром.

Вот в таких ужасных условиях природа начала грандиозный химический эксперимент по созданию жизни.

ПРИНЦИП АВТОСБОРКИ

Противники теории самозарождения жизни на Земле часто говорят, мол, вероятность самозарождения равна вероятности того, что на мусорной свалке сам собой собрался бы «Боинг» и улетел.

Те, кто приводят данный аргумент, слабо разбираются в теории вероятности. Дело в том, что при расчете вероятности любого события необходимо учитывать взаимозависимость элементов, участвующих в эксперименте.

Для понимания процесса происхождения жизни проведем сначала мысленный эксперимент. Представьте себе, что одно ведро мы наполнили теннисными мячами, а другое — колючками чертополоха. Энергично встряхнули ведра и затем перевернули их.

Очевидно, что с теннисными мячами ничего не произойдет, и они раскатятся в разные стороны. Это произойдет потому, что мячи независимы. Поведение одного мяча не связано с другими. Можно сколько угодно повторять эксперимент, результат будет одинаковый.

А вот из ведра с колючками вывалится плотный ком. Колючки сцепятся и образуют сложную систему, которая будет обладать устойчивостью. После этого повторить эксперимент с колючками уже не удастся, так как разорвать связи между колючками гораздо сложнее, чем образовать их. Назовем это явление принципом автосборки, который сыграл определяющую роль в возникновении жизни на Земле.

Роль колючек в процессе образования органических веществ играют молекулы углерода, которые легко образуют связи.

Кстати, схожими свойствами обладают молекулы кремния. И на Земле могла бы быть кремниевая жизнь, но мы — углеродники — успели сделать это первыми.

Соединения углерода отличаются образованием большого количества межатомных связей, что приводит к появлению макромолекул, включающих тысячи и миллионы атомов. Кроме этого, внутри молекулы существует большое количество менее прочных связей между ее частями. Все это позволило углеродсодержащим макромолекулам создать миллионы различных веществ, которые затем стали основой зарождающейся жизни.

Ученые многократно проводили опыты по смешиванию метана, аммиака и водяного пара и воздействовали на эту смесь электрическими разрядами. В результате подобных опытов легко получаются простейшие молекулы. Самое любопытное в этих экспериментах то, что проще всего получить органические молекулы, потому что они более устойчивые. Собственно, поэтому они и получили название органических, так как именно устойчивые молекулы стали основой жизни.

Образование сложных органических молекул происходило в следующей последовательности.

Смесь газов метана, аммиака, водяного пара, цианистого водорода под влиянием электрических разрядов (проще говоря, молний) превращалась в набор аминокислот, азотистых оснований, порфиринов. А эти простейшие органические соединения послужили основой для образования белков и нуклеотидов — основы жизни. Белки — это кирпичики, из которых мы сложены. А нуклеотиды — это буквы, которыми записан чертеж нашего тела.

МАТРИЧНОЕ КОПИРОВАНИЕ

Теперь рассмотрим важное свойство нуклеотидов. Нуклеотиды бывают четырех типов, сокращенно обозначаемых буквами А, У, Ц и Г. Они легко образуют длинные цепочки, называемые полинуклеотидами. Нуклеотиды А и У, а также Г и Ц попарно образуют специфические химические связи. Это значит, что если нуклеотид А случайно встретится с нуклеотидом У, то они сцепятся, как две колючки.

В результате каждый полинуклеотид может служить матрицей для получения другого полинуклеотида. Если, например, полимерную цепочку, состоящую из нуклеотида аденина (А), поместить в среду несвязанных нуклеотидов урацила (У), то благодаря специфическим химическим связям молекулы урацила также выстроятся в полимерную цепочку (рис. 1). То есть нуклеотиды могут управлять построением полимерных молекул.

Рис. 1. Матричное копирование

В свою очередь, получившийся полинуклеотид может служить матрицей для получения аденина. В результате одна молекулярная цепочка может породить другую, и это приведет к тому, что несвязанные молекулы скоро займут свое место в одной из цепочек.

Таким образом, матричное копирование, или репликация, является чрезвычайно мощным механизмом копирования органических структур. Фактически матричное копирование — это самый примитивный способ влияния на окружающую среду. Забравшись в раствор органических молекул, макромолекула начинает выстраивать свое собственное зеркальное отражение.

Полинуклеотиды любят закручиваться в спирали. Поэтому в процессе репликации рядом с исходной спиралью выстраивается зеркальная спираль, и макромолекулы «сплетаются в объятиях».

С момента появления в первичном бульоне первых нуклеотидных цепочек хаотическое движение нуклеотидов прекращается, и все холостые нуклеотиды начинают выстраиваться в строго упорядоченные парные спирали — предшественники великой спирали ДНК.

Сама ДНК также состоит всего из четырех видов нуклео­тидов. Эти четыре нуклеотида составляют алфавит жизни. Строение всех живых организмов, в том числе и нас, записано буквами этого алфавита.

КАТАЛИЗ РЕПЛИКАЦИИ

Следующим шагом эволюции стало образование таких полимеров, которые могут катализировать собственный процесс репликации. Катализатор — это вещество, которое ускоряет химические реакции. Следовательно, ускоряется образование именно тех полимеров, которые сами ускоряют данный процесс. В результате определенный набор полимеров становится более устойчивым и образует систему, в которой преобладает определенный вид макромолекул.

Начинается естественный отбор органических систем. Теперь при встрече двух цепочек побеждает та, которая сумела катализировать свой процесс репликации, а неудачная цепочка распадается. Хотя мы и называем этот процесс естественным отбором, мы все еще имеем дело с неживым организмом. Идет простая химическая реакция, результатом которой становится преобразование неустойчивых макромолекул в устойчивые.

В соответствии с нашей теорией, живые системы должны иметь систему отражения, а здесь пока идет прямое химическое воздействие.

СИНТЕЗ БЕЛКОВ

Нуклеотиды имеют относительно слабые возможности для построения специфических функциональных систем, но способны направлять синтез полипептидов, то есть белков. Для синтеза белков используется специальный генетический код, в котором определенные триплеты нуклеотидов кодируют определенные кислоты. Этот код одинаков у всех живых организмов. Из этого следует, что в результате естественного отбора появилась определенная органическая система, сумевшая синтезировать белки, которая вытеснила все прочие полинуклеотидные системы. Все существующие сейчас живые организмы являются потомками одной органической системы. Короче, наша нуклеотидная цепочка забила всех остальных. Ну так им и надо!

Эта органическая система и есть первобытная ДНК. Именно эта нуклеотидная цепочка сумела первой поставить себе на службу белки и добиться подавляющего преимущества перед другими полинуклеотидами.

Хотя организм человека содержит около квадриллиона клеток, каждая из них включает в себя ДНК, в которой записана полная информация о строительстве этого организма. Данная информация представляет собой руководство, описывающее те белки, которые требуется синтезировать для создания организма.

Способность направлять синтез белков позволила создавать практически любые органы и ткани, что в дальнейшем привело к чрезвычайно большому разнообразию живых систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В МЕМБРАНУ

Заключительной частью появления первых клеток было появление мембраны. Это произошло благодаря свойству определенных органических молекул, называемых фосфолипидами, образовывать в воде замкнутые двухслойные пузырьки.

Так как для синтеза белков необходима физическая близость молекул, то наиболее устойчивыми системами синтеза оказывались наборы макромолекул, попавшие внутрь фосфолипидных пузырьков, которые в итоге стали клеточными мембранами. В результате заключения их в мембрану появилась возможность гораздо более эффективного синтеза белков, так как катализаторы всегда находились в контакте с полипептидами и могли точнее направлять их синтез. После этого появилась возможность построения всех остальных подсистем клетки.

ПЕРВАЯ ЖИВАЯ СИСТЕМА

Таким образом, появление первых клеточных систем на Земле основано на следующих основных свойствах органических молекул:

• автосборка;
• матричное копирование;
• репликация систем;
• синтез белка;
• образование мембраны.

В результате эволюции органических молекул появились замкнутые органические образования, которые в дальнейшем эволюционировали в живые системы. Для появления живой системы должна была возникнуть система реагирования, которая заставила бы клетку отвечать не на само воздействие, а на информацию о нем.

Первой живой системой была клетка, которая изменила свое поведение в ответ на информацию о воздействии.

Появление такой клетки стало возможным путем создания специальных видов белков, которые стали не просто материалом для строительства клетки, а полноценными устройствами для восприятия и обработки информации.

Первые клетки были крайне примитивны. Все органические образования, включая ДНК, были перемешаны и разбросаны по всей клетке. Органические соединения они вырабатывали, питаясь неорганическими соединениями, метаном и двуокисью углерода.

Подобные бактерии встречаются и в наше время, но они могут существовать только в экзотических местах: в горячих минеральных источниках и вблизи действующих вулканов.

Системы отражения первых клеток представляют собой молекулы белка, которые реагируют на концентрацию химических веществ. Двигательным аппаратом являются так называемые жгутики, которые позволяют клетке перемещаться относительно градиента химических веществ.

Таким образом, система отражения этих клеток может реагировать только на непосредственное окружение клетки.

СТРОМАТОЛИТЫ

А как же выглядели самые первые живые организмы? Для того чтобы узнать это, нужно перенестись на другой конец земного шара — в Австралию. В залив Шарк. Особенность этого залива в том, что вода в нем настолько соленая, что в ней не могут жить хищники.

И здесь спокойно существуют самые древние живые организмы — строматолиты (рис. 2). Остатки строматолитов находят по всему земному шару в горных породах, возраст которых достигает трех миллиардов лет.

Рис. 2. Строматолиты

Строматолиты научились синтезировать питательные вещества при помощи энергии солнечного света, то есть освоили фотосинтез. Поэтому можно считать строматолиты предками первых растений.

ПОЯВЛЕНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНЫХ

Важнейшим шагом эволюции стало появление многоклеточных. При переходе к многоклеточному организму появляется возможность выделения системы отражения в отдельную подсистему, что позволяет сделать ее гораздо более эффективной.

Организованные формы совместного реагирования встречаются даже у одноклеточных организмов. Например, многие цианобактерии не расходятся после деления, образуя нитевидные цепочки до метра длиной. Через регулярные интервалы в такой цепочке встречаются изменившиеся клетки, способные включать атмосферный азот в органические молекулы. Эти специализированные клетки (которых немного) осуществляют фиксацию азота не только для себя, но и для соседних клеток, с которыми они обмениваются продуктами метаболизма.

Последовательность развития многоклеточных легко проследить на примере зеленых водорослей, которые существуют как в виде одноклеточных, так и в виде многоклеточных организмов.

• Род Chlamydomonus — жгутиковые простейшие, живущие отдельно.
• Род Gonium — простейшие, имеющие форму вогнутого диска, биения их жгутиков ориентированы в одном направлении, поэтому они способны приводить колонию в движение. Каждая клетка такой колонии может дать начало новой колонии.
• Род Volvox — колония клеток, которая может включать до 50 тысяч клеток, образующих полый шарик. Индивидуальные клетки соединены цитоплазматическими мостиками, и биения жгутиков скоординированы. Имеется специализация. За воспроизводство отвечает небольшое количество клеток. Остальные клетки неспособны к самостоятельному существованию.

Особенно интересно поведение таких созданий, как клеточные слизевики — миксомицеты (рис. 3). Основную часть жизни эти клетки живут автономно, питаясь бактериями. Но если запас пищи иссякает, то каждая клетка выделяет особое вещество, которое служит сигналом объединения. Миллионы клеток соединяются вместе и образуют слизистую массу, которая перемещается как единое целое. Этот слизевик реагирует на свет и химические вещества уже как целостный организм. А в конечном итоге слизевик принимает вид плодоносящего тела.

Рис. 3. Миксомицеты

Очевидно, что появление специализированных клеток сделало многоклеточные структуры более устойчивыми, чем одноклеточные. Появилась возможность выделения системы отражения в отдельную структуру, которая способна неограниченно развиваться.

ЭВОЛЮЦИЯ НЕРВНЫХ СИСТЕМ

Немногие из наших предков были совершенными леди или джентльменами; в большинстве своем они не были даже млекопитающими.

Роберт Уилсон

Эволюция постепенно отбирала для дальнейшего использования элементы отражающих систем, пока не построила из них самую совершенную систему отражения, которую торжественно вручила человеку.

ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

Общая схема эволюции живых организмов представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Эволюция живых организмов

Эта схема отражает наиболее крупные этапы эволюции, которые прошли живые организмы. Левый ряд схемы показывает ту ветвь, по которой быстрее всего развивалась нервная система.

Правые ветви на рисунке отражают альтернативные варианты эволюции, уровень систем отражения которых хотя и примитивен, но полностью соответствует их образу жизни. Растения не имеют нервной системы, но те немногие способы реагирования, которыми они обладают — открытие и закрытие цветов, сбрасывание листьев, — вполне достаточны для получения многочисленного потомства. И хотя какая-нибудь травка в таких условиях легко уязвима из-за слабой системы отражения, в целом вид является очень устойчивым.

Особенно продвинулись в этом направлении членистоногие. Общественная жизнь муравьев или пчел настолько сложна, что ученые прошлых столетий считали семьи этих насекомых настоящими государствами.

Другой особенностью таблицы является то, что левый ряд схемы все больше и больше заботится о потомстве. Это означает, что врожденных реакций становится все меньше, а приобретенных — все больше. Успешность выживания начинает определяться не наследственностью, а обучением.

Теперь рассмотрим основные этапы эволюции систем отражения до появления головного мозга.

СИСТЕМЫ ОТРАЖЕНИЯ ПРОСТЕЙШИХ

Самые простые живые организмы, дожившие до нашего времени, — это простейшие. Самые крупные простейшие не превышают миллиметра. Но, несмотря на свои размеры, они имеют весьма сложную систему отражения. У них в зачатке есть практически все отделы нервной системы, которые есть и у человека, — зрение, слух, вкус. Это говорит о том, что наличие системы отражения дает живому организму такое преимущество, которое позволяет существовать миллиарды лет без каких-либо существенных изменений.

Системы отражения простейших построены по принципу непосредственной реакции избегания вредных стимулов и приближения к полезным. Если аквариум с эвгленами поставить в тень и осветить небольшой участок, то все эвглены соберутся в этом участке. Парамеция-туфелька загоняет в глотку все, что плавает рядом, но бактерии она переваривает в создаваемых для этого желудочках, а несъедобные частицы выплевывает.

Некоторые бактерии могут не только убегать, но и защищаться. Инфузория имеет специальные стрекательные палочки и на раздражение отвечает залпом этих палочек из множества отверстий. Некоторые бактерии в ответ на содержание в среде ядовитого для них пенициллина начинают выделять особый фермент, который разрушает это вещество. После разрушения всего пенициллина синтез фермента прекращается.

Самое удивительное, что у простейших есть даже способности к обучению. Инфузория спиростомум на сотрясение воды реагирует сжиманием в комочек. Если сосуд со спиростомумами регулярно подвергать сотрясению, то инфузории начинают сжиматься все меньше и меньше. Этот вид обучения называется привыканием.

В копилку эволюции

На примере простейших природа выделила те стимулы, которые действительно важны для выживания: зрительные, слуховые, вкусовые. На все эти стимулы нужно как-то реагировать. Впрочем, если стимул повторяется, то можно особо не стараться, ничего важного в нем нет.

СИСТЕМЫ ОТРАЖЕНИЯ КИШЕЧНОПОЛОСТНЫХ

Кишечнополостные состоят из трубки, образованной двумя слоями клеток, между которыми расположен слой студенистого вещества, называемого мезоглеей. С нижнего конца трубка закрыта, а с верхнего — открыта. В открытом конце трубки находится ротовое отверстие.

К кишечнополостным относятся полипы, актинии, кораллы. Наиболее известным представителем кишечнополостных является пресноводная гидра (рис. 5).

Рис. 5. Гидра

Гидры прикрепляются к камням или водным растениям на дне пруда или ручья. В случае раздражения сжимаются в комочек. Гидры питаются мельчайшими организмами, выбрасывая ядовитые нити и затягивая добычу в рот.

Гидра разрешает обращаться с собой довольно фамильярно. Например, гидру можно разрезать на части. Из каждой части вырастет новая гидра. Если одну гидру «привить» на другую, то произойдет реорганизация двух гидр в одну.

Нервная система гидры — это диффузная сеть нейронов, находящаяся непосредственно под поверхностным слоем клеток. Нейрон — это специальная клетка, которая может передавать электрические импульсы. Однако между нейронами связь происходит химическим путем через синапсы. Нейроны посылают сигналы мышечным клеткам. Передача сигналов возможна от любой точки к любой другой. Сильное раздражение приводит к реакции всего животного.

Область отражения — не-­ большое поле около самого животного. Интересен сам прин­цип отражения. На любой стимул реагирует вся нервная система целиком. Выделения объектов нет. Каждый раздражитель воспринимается или как еда, или как враг. Еда переваривается. От врага гидра прячется, сжимаясь в комок.

Есть суммационный рефлекс, при котором разные стимулы повышают общую реакцию, и привыкание, при котором часто повторяемый сигнал снижает общую реакцию.

Интересным подходом к организации нервной системы отличаются мшанки Cristatella. Это похожие на гидр мелкие водные животные, которые живут колониями. Каждая особь имеет один ганглий* и отходящие от него нейроны. При этом они производят общий мышечный слой и соединяют свои нервные системы в одну. Колония мшанок начинает реагировать как единый организм. При раздражении в одной точке вся колония начинает двигаться.

Противоположное поведение демонстрируют морские звезды, относящиеся к типу иглокожих. Нижнюю поверхность звезды устилает множество щупалец. Они ощупывают дно и перемещаются к пище. Если только один конец морской звезды обнаружил пищу, то вся звезда перемещается в этом направлении. Но возможен вариант, что пища одновременно обнаружена разными концами звезды. Тогда звезда начинает стремиться в разные стороны, и ее разрывает пополам. Впрочем, для морской звезды это не страшно, из этих половинок образуется две новых звезды.

В копилку эволюции

Кишечнополостные изобрели нейрон — универсальную клетку для реагирования. Изобретение оказалось на редкость удачным. Нейрон с некоторыми видоизменениями позже взяли на вооружение все последующие виды организмов, включая человека.

Нейрон удобен тем, что позволяет запросто строить нервные сети любой сложности, а на их основе легко отражать все более сложные элементы окружающей среды.

СИСТЕМЫ ОТРАЖЕНИЯ ЧЕРВЕЙ

Вдоль всего тела дождевого червя тянутся две параллельные цепочки нервных ганглиев. Две пары самых первых — наиболее крупные. Их активность влияет на активность остальной нервной системы. Благодаря светочувствительным клеткам кожи черви реагируют на свет.

Дождевые черви уже имеют сложные врожденные схемы поведения — инстинкты. Они роют норки и затаскивают в них кусочки растений. В светлое время суток черви проводят время в норке. В сумерки черви цепляются задним концом тела за край норки, а передним концом обследуют поверхность вокруг норы и затаскивают туда листья и мелкие камушки. Листьями дождевой червь питается, а камушки использует для укрепления норки.

Если червь покинет норку, то найти ее не сможет и будет рыть новую. Образовывать условные рефлексы дождевые черви не могут.

У планарий (плоских червей) также есть набор ганглиев, но светочувствительные клетки сосредоточены только в глазных ямках, расположенных в головном отделе. Планарии живут в воде, избегают света и предпочитают двигаться против течения.

Планарии используют экзотические методы защиты. Планария терриколя в случае опасности сама себя разрывает на куски. Через несколько часов каждый из 10–20 кусков регенерирует в целого червя.

Если планария будет долго голодать, то она начинает пожирать себя. Сначала половые органы, потом мускулы. Но ганглии она есть не будет.

При попытке выработать у планарий условный рефлекс на световой стимул и электрический удар выяснилось, что у них просто усиливается чувствительность к любому стимулу — поэтому можно считать, что черви не способны к обучению.

Нервная система червей не требует целостности организма и также может разделяться на части. Черви палоло живут на морском дне у побережий Фиджи и Самоа. Для метания икры червь посылает на поверхность только заднюю часть своего тела. Эта часть тела отращивает глаза и ножки, всплывает на поверхность, лопается и разбрасывает икру.

Изучение червей показывает, что они имеют набор одинаковых групп нейронов, которые соединяются врожденными связями. Например, нематода Caenorhabditis elegans имеет всегда 302 нейрона. Нематоды делают ставку не на нейронную сеть, а на быстрое размножение. Самки нематод откладывают до четверти миллиона яиц в сутки. В теплой и сырой почве количество нематод может достигать до 2 мил­лионов на кубический дециметр. Этот червь интересен еще тем, что для него была детально определена структура ДНК, и выяснилось, что большинство генов человека уже содержится в геноме этого червя.

В целом, система отражения червей — это заданная программа поведения на определенные стимулы. И хотя поведение червей достаточно гибко, приспособиться к новым условиям и чему-либо научиться они не могут.

Впрочем, для их образа жизни это не очень важно. Гигантский трубчатый червь устроился лучше всех. Он достигает размера около 3 метров и селится около горячих источников. Можно сказать, живет на курорте. У него нет даже рта и пищеварительной системы. Он питается отходами бактерий, которые живут у него внутри. Зачем этому червю чему-либо учиться?

В копилку эволюции

Черви «догадались», что нейронная сеть нуждается в координации. Для координации они завели нервные ганглии. Именно в ганглиях происходит отбор валентной информации, и они же решают, какова должна быть реакция организма на стимулы.

С этого момента природа решила, что идет в правильном направлении, поэтому дальше она сосредоточилась на работе с ганглиями.

СИСТЕМЫ ОТРАЖЕНИЯ ХОРДОВЫХ

Первые хордовые появились на Земле еще в кембрийском периоде, около 570 миллионов лет назад. В этот момент истории Земли появились мн…