Мы стали умными благодаря зрению? Исследование окаменелостей показало, что на самом деле развивало мозг приматов

В науке о происхождении человека долгое время считалось, что мозг наших далеких предков увеличивался в первую очередь за счет лобных долей. Именно эту часть мозга традиционно связывают с решением сложных задач, планированием действий, самоконтролем и логикой. Наглядным подтверждением этой идеи казался сам внешний вид человека: высокий прямой лоб резко отличает нас от других млекопитающих.

Однако новое исследование биологов из Университета Дьюка под руководством профессора Ричарда Кея показывает совершенно иную картину. Ученые изучили структуру черепов вымерших и современных приматов за последние 56 миллионов лет и пришли к выводу, что лобные доли не были двигателем эволюции мозга. Настоящей причиной, которая заставила мозг приматов и человека разрастись до огромных размеров, оказалась необходимость обрабатывать точную и подробную информацию от органов зрения.

Почему древний мозг трудно изучать

Главное препятствие для исследователей, которые изучают историю мозга, заключается в том, что мягкие ткани не сохраняются в виде окаменелостей. После гибели животного мозг быстро разрушается. Все, что остается палеонтологам через миллионы лет — это твердые кости черепа.

Раньше ученым приходилось судить о строении древнего мозга по внутренней поверхности черепной коробки. Когда мозг растет, он оставляет на костях изнутри едва заметные вмятины и следы от крупных кровеносных сосудов и извилин. Десятилетиями исследователи рассматривали эти следы и вручную пытались восстановить форму и размер отдельных частей мозга.

У такого подхода был большой недостаток — субъективность. Разные ученые могли по-разному интерпретировать одни и те же нечеткие отпечатки на костях. Из-за этого возникло убеждение, что у предков человека лобные доли выросли раньше и сильнее, чем все остальные отделы мозга.

Чтобы получить точные данные и избавиться от человеческого фактора, команда Ричарда Кея использовала метод компьютерной микротомографии. Это специальный вид рентгеновского сканирования, который позволяет заглянуть внутрь плотных объектов и получить их трехмерную модель с точностью до микрона.

Ученые взяли черепа из коллекции Музея естественной истории при Центре лемуров Университета Дьюка. В исследование вошли как современные виды — от небольших тупайй и лемуров до обезьян и человека, — так и ископаемые остатки приматов, живших десятки миллионов лет назад. С помощью сканера исследователи создали точные цифровые копии внутренних полостей этих черепов. Такие трехмерные модели называют виртуальными эндокранами. Они позволяют точно измерить объем полости черепа и площадь отдельных его участков.

Заблуждение о лобных долях

Когда исследователи получили точные цифровые измерения объемов мозга у десятков видов приматов, они сравнили размер лобных долей с общим объемом мозга.

Результат оказался неожиданным и опроверг общепринятую гипотезу. Выяснилось, что на всем протяжении эволюции приматов — в течение 56 миллионов лет — доля лобных долей в общем объеме мозга оставалась одинаковой.

Если построить график, где по одной оси отложен общий объем мозга, а по другой — объем лобных долей, то все изученные животные попадают на одну линию. Крошечные древние приматы, современные лемуры, мартышки, шимпанзе и человек подчиняются одному и тому же правилу.

Это означает, что лобная доля не увеличивалась сама по себе. Когда в ходе эволюции общий размер мозга животного становился больше, лобная доля пропорционально увеличивалась вместе с ним. У нее не было изолированных скачков роста. Она не опережала развитие других отделов и не вела мозг за собой. Она просто сохраняла неизменную долю в общем объеме.

Как объясняет автор исследования Ричард Кей, пропорция лобных долей относительно всего мозга остается постоянной величиной для всех видов — от примитивных древесных зверьков до человека. Это строгое математическое соотношение, которое не менялось на протяжении десятков миллионов лет.

Откуда взялся основной объем мозга

Если лобные доли росли только вместе со всем мозгом и не были причиной его первоначального увеличения, то какой отдел мозга развивался быстрее остальных?

Цифровые измерения показало, что ускоренными темпами увеличивались другие области коры — затылочная, теменная и височная. У млекопитающих именно эти зоны отвечают за прием и разбор сигналов, которые поступают от глаз.

У двух групп приматов — долгопятов и антропоидов (к которым относятся обезьяны и человек) — эти зрительные области коры увеличивались значительно быстрее, чем мозг в целом. Чтобы понять, почему это происходило, ученым нужно было определить, сколько именно зрительной информации получал мозг древних животных.

Поскольку сами глаза и зрительные нервы не сохраняются в ископаемом состоянии, исследователи нашли другой анатомический признак. Они измерили размер зрительного отверстия — специального канала в костях черепа, через который зрительный нерв идет от глазного яблока внутрь головы к головному мозгу.

Закономерность простая: чем больше диаметр этого костного канала, тем более толстый зрительный нерв проходит через него. А чем толще нерв, тем больше отдельных нервных волокон в нем содержится и тем больший объем информации глаза передают в мозг каждую секунду.

Измерения ископаемых черепов показали, что у предков обезьян и человека зрительный канал постепенно расширялся. Это значит, что глаза животных посылали в мозг все больше данных. В ответ на этот возрастающий поток информации зрительные отделы коры головного мозга начали быстро разрастаться. Мозгу требовалось все больше нервных клеток, чтобы разбирать и анализировать усложняющийся поток сведений о том, что происходит вокруг.

При этом зрительные области коры увеличивались даже быстрее, чем сам зрительный нерв. Небольшое утолщение нерва приводило к тому, что соответствующий отдел мозга разрастался очень сильно. Именно этот процесс и дал основной прирост объема мозговой ткани на ранних этапах эволюции приматов.

Зачем приматам потребовалось сложное зрение

Почему именно зрение стало главным стимулом для развития мозга приматов десятки миллионов лет назад? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно посмотреть на образ жизни древних предков обезьян и на те изменения, которые происходили с их организмом.

Примерно 33 миллиона лет назад у предков современных обезьян завершилось формирование двух важных анатомических особенностей глаз:

Во-первых, у них появилась так называемая центральная ямка сетчатки. Это небольшое углубление в центре сетчатки глаза, где сгруппированы самые чувствительные зрительные клетки. Благодаря этому органу животные получили возможность видеть предметы прямо перед собой с высокой чёткостью и различать мелкие детали.

Во-вторых, у них сформировалась сплошная костная глазница. У многих других млекопитающих глазница сзади открыта и отделена от челюстных мышц только мягкими тканями. Когда такое животное жует, его глаза немного смещаются, и картинка перед ними размывается. Сплошная костная перегородка надежно зафиксировала глазное яблоко в черепе. Глаз перестал дрожать при движении и работе челюстей, что позволило мозгу получать четкое изображение без помех.

Эти изменения в строении глаз потребовали от мозга новых затрат энергии и новых нервных клеток для обработки чёткого изображения. Развитие такого зрения давало приматам два решающих преимущества для выживания:

1. Точная ориентация в пространстве и поиск пищи. Предки приматов жили на деревьях. Чтобы быстро передвигаться по тонким веткам на большой высоте и не падать, животным требовалось мгновенно и с высокой точностью определять расстояние до предметов. Кроме того, чёткое зрение позволяло находить мелких насекомых на фоне коры деревьев и отличать спелые фрукты от несъедобных или ядовитых листьев.
2. Сложное общение внутри группы. Приматы начали жить большими группами. В таком обществе физическая сила перестала быть единственным фактором выживания. Животным потребовалось уметь вовремя замечать эмоциональное состояние других особей. Четкое зрение позволило им различать направление взгляда сородичей, движения их губ, ушей и кожи лица. Это помогло избегать лишних конфликтов и договариваться внутри стаи.

Таким образом, необходимость постоянно рассматривать мелкие детали окружающего мира и поведение сородичей заставляла мозг приматов усложняться и увеличиваться в размерах.

Как это меняет взгляды на происхождение человека

Раньше распространение имела гипотеза, согласно которой умственное развитие человека было прямым и непрерывным процессом: сначала возникла необходимость много думать и планировать, из-за этого разрослись лобные доли, а вслед за ними увеличился и весь остальной мозг.

Новые точные данные показывают, что порядок событий был другим.

Сначала предки приматов развили невероятно точное и детальное зрение. Для работы с этим мощным источником информации мозгу потребовалось сформировать огромные массивы нервной ткани в затылочных, теменных и височных отделах. Именно обработка зрительных сигналов заставила мозг раздуться до больших размеров и создала гигантский запас нервных клеток.

Лобные доли при этом не опережали развитие мозга, но они росли вместе с ним, сохраняя свою постоянную долю в общем объеме. В результате, когда мозг увеличился из-за потребностей зрения, в распоряжении приматов оказалась и крупная лобная доля с большим количеством нейронов.

Сложное мышление, способность к речи, логика и использование орудий труда появились значительно позже. Они возникли не на пустом месте, а на базе того огромного объема мозговой ткани, который изначально сформировался для решения совсем другой задачи — для того, чтобы подробно и без искажений видеть окружающий мир.

Сначала наши предки научились смотреть на мир с предельной точностью, и только потом этот развитый мозг дал им возможность этот мир осмыслить.

Источник: Science