Из графика видно, что примерно три миллиарда лет назад произошло поразительное увеличение информации в организмах, населявших Землю, а после этого рост наследственной информации шел весьма медленно. Мы видим также, что если для выживания человека необходимы десятки миллиардов (несколько раз по 1010) битов информации, то недостающее количество должно быть поставлено внегенетическими системами: скорость развития систем передачи наследственности столь мала, что не приходится искать источника подобной генетической информации в молекулах ДНК. Сырьем для эволюции служат мутации, наследуемые изменения в отдельных последовательностях нуклеотидов, которые создают наследственные программы в молекулах ДНК. Мутации вызываются радиоактивностью среды, космическими лучами или, как часто случается, возникают случайно – путем спонтанных изменений в нуклеотидах, которые с точки зрения статистики всегда могут иметь место. Иной раз самопроизвольно разрываются химические связи. До определенной степени мутации находятся под контролем самого организма. Различные организмы имеют способность устранять некоторые типы повреждений структуры своих ДНК. Существуют, например, молекулы, которые следят за повреждениями ДНК. Если обнаруживается грубое нарушение в системе ДНК, то оно вырезается с помощью своего рода молекулярных ножниц и ДНК возвращается к норме. Но такие исправления не являются, да и не могут быть совершенными: мутации нужны для эволюции. Однако мутация в молекуле ДНК хромосомы клетки кожи моего указательного пальца не оказывает никакого влияния на мою наследственность. Пальцы не участвуют, во всяком случае впрямую, в размножении вида. Важны мутации в гаметах, половых клетках – сперматозоидах (мужских) и яйцеклетках (женских), благодаря которым происходит половое размножение.
Мутации, случайным образом оказавшиеся полезными, представляют собой рабочий материал для биологической эволюции – как, например, мутация меланина у некоторых бабочек, что изменяла их цвет из белого в черный. Такие бабочки обычно жили в Англии на березах, поэтому для них белая окраска – защитная. Изменение цвета отнюдь не давало им преимущества: темные бабочки были отлично видны и поедались птицами, и потому такая мутация эволюцией отбраковывалась. Но когда в ходе индустриальной революции березы стали покрываться сажей, положение изменилось на обратное: только бабочки с меланиновыми мутациями могли выживать. Такая мутация закрепилась, и с течением времени почти все бабочки стали темными. Изменение было наследуемым – оно передавалось будущим поколениям. При этом иногда случаются и обратные мутации, идущие вразрез с меланиновым приспособлением, которые могли бы оказаться полезными, если бы загрязнение природы промышленностью Англии было однажды взято под контроль. Отметим, что во всех этих взаимодействиях между мутацией и естественным отбором ни одна бабочка не предпринимала сознательного усилия приспособиться к окружающей среде. Этот процесс хаотичен и случаен.
Такие крупные и сложные организмы, как люди, в среднем имеют примерно одну мутацию на десять гамет, то есть существует десятипроцентная вероятность, что каждый данный сперматозоид или яйцеклетка будет иметь новое и передающееся по наследству изменение в генетической программе, которая определяет собой облик нового поколения. Эти мутации происходят случайно и почти все без исключения вредны: ведь крайне редко случается, что сложная машина становится лучше после того, как в инструкцию по ее изготовлению были наобум внесены какие-то изменения.
Большинство этих мутаций рецессивны – они не проявляют себя немедленно. Тем не менее уже существует такой высокий уровень мутаций, что, как считают некоторые биологи, увеличение молекулы ДНК принесло бы с собой неприемлемо высокие темпы мутаций: будь у нас больше генов, слишком многое слишком часто происходило бы с ошибкой. Если это верно, то должен существовать практическим верхним предел количества наследственной информации, которую может заключать в себе ДНК больших организмов. Таким образом, большие и сложные организмы, для того чтобы существовать, должны иметь достаточные источники внегенетической информации. Эта информация у всех высших животных, кроме человека, содержится почти исключительно в головном мозге.
Какую информацию содержит мозг? Рассмотрим два крайних противоположных взгляда на работу мозга. Согласно первому мозг (или, во всяком случае, высшие его разделы, кора головного мозга) эквипотенциален: любая часть его может заменить собой любую другую часть, и не существует никакой локализации функций. Согласно другому взгляду мозг представляет собой схему, все блоки которой предельно специализированы: каждая отдельная его функция локализована во вполне определенном месте. Истина, видимо, лежит где-то посередине между этими двумя крайними точками зрения. С одной стороны, любой лишенный мистики подход к работе мозга должен связывать физиологию с анатомией – любая функция мозга должна обеспечиваться соответствующим расположением нейронов или иной формой организации мозга. С другой стороны, можно ожидать, что естественный отбор, чтобы обеспечить точность работы мозга и защитить его от различного рода случайностей, привел к избыточности в его конструкции. Того же следует ожидать и от неисповедимых путей эволюции, которыми, скорее всего, следовал мозг.
Избыточность памяти была ясно продемонстрирована Карлом Лешли, психоневрологом из Гарвардского университета, который хирургическим путем удалял значительную часть коры головного мозга крыс, и при этом не было отмечено никаких изменений в их способности использовать ранее полученный опыт преодоления лабиринтов. Благодаря таким экспериментам становится ясно, что память должна быть локализована во многих различных частях мозга, а теперь мы знаем, что некоторые воспоминания переливаются между правым и левым полушариями мозга через трубу, называемую мозолистым телом (corpus callosum).
Лешли установил также, что не происходит видимых изменений в общем поведении крысы, когда удаляется значительная часть – скажем, десять процентов – ее мозга. Но никто не спросил крысу, каково ее мнение по этому поводу. Чтобы правильно ответить на этот вопрос, потребуется тщательно изучить «социальное», пищевое и защитно-атакующее поведение крысы. Существует много скрытых изменений в поведении, являющихся результатом экстрипации, то есть удаления части мозга, которые могут ускользнуть от не слишком внимательного исследователя, но в то же время иметь для крысы существенное значение. К примеру, кто знает, сохраняется ли у нее после экстрипации прежний интерес к привлекательной крысе противоположного пола и не становится ли она вдруг безразличной к подкрадывающейся кошке?
Иногда приводят следующее соображение. Раны или повреждения важных частей коры головного мозга, возникшие, например, при двусторонней префронтальной лоботомии или же в результате несчастного случая, оказывают малое воздействие на поведение человека. Но некоторые формы нашего поведения не очень доступны для наблюдения не только извне, но даже изнутри. Есть типы активности и специфически человеческой способности воспринимать мир, которые в жизни данного человека могут встречаться нечасто, например творческая деятельность. Чтобы образовалось сцепление идей, свойственное любому, даже самому малому творческому акту, нужны значительные ресурсы мозга. А именно эти творческие акты характерны для всей нашей цивилизации и для человека как вида. И тем не менее у многих людей они случаются весьма редко, и отсутствие их не воспринимается как серьезная потеря ни самим больным, у которого поврежден мозг, ни наблюдающим его врачом.
Хотя известная избыточность в работе мозга неизбежна, категорическое мнение, будто мозг являет собой единое целое, почти наверняка ошибочно, и потому большинство современных нейрофизиологов отказываются от подобных представлений. С другой стороны, менее сильные утверждения – например, что память есть функция всей коры головного мозга, – не могут быть отвергнуты с такой же легкостью, хотя они, как мы убедимся в дальнейшем, доступны проверке.
Много споров идет по поводу того, что половина или даже еще большая часть мозга человеком не используется. С эволюционной точки зрения такое положение было бы совершенно необычным: как могли бы развиваться эти его части, если они не выполняют никаких функций? Но в действительности само утверждение базируется на слишком малом числе данных. Оно по-прежнему выводится из того факта, что многие повреждения мозга, по большей части его коры, не оказывают видимого воздействия на поведение. При этом не принимается во внимание, во-первых, возможность избыточности в работе мозга и, во-вторых, то обстоятельство, что многое в человеческом поведении трудно уловимо. К примеру, повреждение правого полушария коры головного мозга может вызвать нарушения в мыслительной деятельности и в действиях больного, но лишь в тех их формах, что не связаны со словесными конструкциями. Стало быть, эти нарушения трудно описать как самому больному, так и изучающему его врачу.
Известно одно важное свидетельство в пользу локализации различных функций в мозге. Были обнаружены лежащие под корой головного мозга отдельные его участки, связанные с аппетитом, поддержанием равновесия, терморегуляцией, циркуляцией крови, тонкими движениями и дыханием. Классические исследования высших нервных функций головного мозга были проведены канадским нейрохирургом Уайлдером Пенфилдом. Он воздействовал электрическим током на различные части коры головного мозга, пытаясь облегчить страдания людей, больных эпилепсией. В сознании пациентов возникали обрывки воспоминаний, они ощущали запахи, слышали звуки и видели цветные образы прошлого – и все это было вызвано действием слабого электрического тока на определенную точку их мозга.
Типичный пример: когда Пенфилд пропускал с помощью своего электрода ток через участок коры, видимый в отверстие черепа, пациент мог слышать игру оркестра во всех ее деталях. Если Пенфилд говорил пациенту, который, как правило, во время всей операции находился в абсолютном сознании, что он якобы раздражает током его мозг, в то время как на самом деле он этого не делал, то во всех случаях в сознании пациента не возникало следов каких-либо воспоминаний. Но когда безо всякого предупреждения через электрод подавался ток, возникали картины прошлого или же продолжались прерванные воспоминания. Пациент сообщал, что к нему приходит ощущение чего-то знакомого или даже в его сознании полностью прокручивались события, бывшие много лет назад. Одновременно пациент вполне сознавал, что находится в операционной и ведет беседу с врачом, и это не вызывало у него никакого внутреннего конфликта. Несмотря на то что некоторые пациенты оценивали эти «обратные кадры» как своего рода легкие сны, в таких ощущениях не было никакой символики, характерной для сновидений. Эксперименты ставились почти исключительно на эпилептиках, но, возможно, хотя никаких доказательств тому нет, что и неэпилептики, оказавшись в сходных обстоятельствах, будут испытывать те же состояния.
В одном из экспериментов, когда электрическим путем стимулировали затылочную часть коры головного мозга, которая связана со зрением, пациент видел порхающую бабочку с такой убеждающей ясностью, что протянул руку с операционного стола, чтобы поймать ее. В аналогичном эксперименте, проводимом с обезьяной, животное внимательно всматривалось в нечто прямо перед собой, делало быстрое хватательное движение правой рукой, а затем в очевидном замешательстве исследовало свою пустую ладонь.
Безболезненная электростимуляция коры головного мозга, по крайней мере, у многих людей вызывала целые каскады воспоминаний о некоторых конкретных событиях. Но удаление участка мозга, примыкающего к электроду, не стирало памяти. Трудно удержаться от вывода, что, во всяком случае, у людей воспоминания находятся где-то в коре головного мозга, ожидая, когда мозг оживит их, послав электрические импульсы, которые, конечно, в этом случае приходят не извне, от экспериментатора, а вырабатываются внутри самого мозга.
Если считать память функцией коры головного мозга как целого – наподобие своего рода динамической реверберации или стоячей электрической волны, – а не чем-то статически расположенным в различных отсеках мозга, то становится понятным, почему после серьезных поражений мозга память все-таки сохраняется. Известные науке факты, однако, говорят об обратном. В экспериментах, которые провел американский нейрофизиолог Ральф Джерард в Мичиганском университете, хомячки были обучены выбираться из простого лабиринта, а затем их охлаждали почти до точки замерзания, ввергая тем самым в искусственную спячку. Температура была столь низкой, что приостанавливалась любая электрическая активность мозга, которую удавалось зафиксировать. Если бы динамический подход к памяти был правильным, то хранящийся в памяти опыт успешного преодоления лабиринта в эксперименте стирался бы. Однако после отогревания хомячки помнили все. Похоже, что память локализована в определенных участках мозга и ее «выживание» после массивных поражений мозга является результатом хранения в различных участках мозга избыточного количества статических следов памяти.
Пенфилд, расширив исследования своих предшественников, обнаружил также примечательную локализацию функций в двигательной части коры. Определенные части поверхности нашего мозга посылают сигналы строго определенным частям тела или же принимают сигналы от них. На рис. 2 и 3 дана карта чувствительных и двигательных участков коры, разработанная Пенфилдом. На ней в чрезвычайно наглядном виде отражена относительная важность различных частей нашего тела. Необычайно большая часть мозга, отданная пальцам руки и особенно большому пальцу, а также рту и органам речи, в точности соответствует тем особенностям нашей физиологии, что выделили нас из всего животного мира. Человеческая культура, способность людей к обучению никогда не могли бы развиться без участия речи, а наша нынешняя техника и все, что создано человечеством, никогда не появились бы на свет, не будь у нас такой руки. В определенном смысле карта двигательной части коры головного мозга человека представляет собой точный портрет всего человечества.
Однако сегодня появились и новые свидетельства в пользу локализации различных функций в мозге. Изящные опыты, проведенные Дэвидом Хюбелом в Гарвардской медицинской школе, показали, что в мозге существуют особые нейрональные сети, которые избирательно реагируют на воспринимаемые глазом линии, различно ориентированные в пространстве. Одни нейроны отзываются на горизонтальные линии, другие – воспринимают вертикальные и диагональные линии, и стимулом для каждого из них являются только такие линии, которые ориентированы в пространстве соответствующим данному нейрону образом. Значит, хотя бы минимальные проявления абстрактной мысли можно проследить в мозге до уровня отдельных клеток.
Существование специфических участков мозга, связанных с конкретными познавательными, чувствительными или двигательными функциями, предполагает, что не должно быть жесткой зависимости между массой мозга и умственными способностями. Очевидно, что некоторые части мозга более важны, чем другие. Среди обладателей особенно большого по массе мозга были Оливер Кромвель, Иван Тургенев и лорд Байрон. Но, с другой стороны, мозг Альберта Эйнштейна не отличался особой величиной. Анатоль Франс, один из самых блестящих умов, обладал мозгом вдвое меньшим, чем у Байрона. У новорожденного человеческого детеныша исключительно велико отношение массы мозга к массе тела (около 12 процентов), и его мозг, особенно кора больших полушарий, продолжает быстро расти в течение первых трех лет жизни – периода наиболее быстрого обучения. К шести годам масса мозга достигает 90 процентов от ее величины во взрослом состоянии. В среднем масса мозга современного человека составляет примерно 1 375 граммов. Так как плотность мозга, как и всех других тканей тела, примерно равна плотности воды (один грамм на кубический сантиметр), то объем такого усредненного мозга – 1 375 кубических сантиметров, что немного менее полутора литров.