Эволюция мозга в живом мире

Государственный университет управления

Институт  информационных систем управления

Кафедра инновационного менеджмента 
 
 
 
 
 
 

Реферат на тему:

«Эволюция мозга в живом  мире» 
 
 
 

Выполнила:  Торчанская Алиса

ИИСУ

1 курс

Аналитическое обеспеченье управленческих решений 

Проверил:  Лебедев Алексей Викторович 
 
 

Москва 2011 

Оглавление:

1. Введение………………………………………………….......3
2. Происхождение мозга у живых организмов……………….4
1. Возникновение нервной системы……………………….4
2. Развитие нервной системы………………………………5

1. Зарождение органов чувств………………………….5
2. Формирование памяти……………………………….6
3. Изменения на суше…………………………………...7

3. Энергопотребление нервной системы………………….8
4. Питание мозга…………………………………………...10
3. Эволюция мозга человека………………………………….11
1. Развитие мозга гоминид………………………………...11

1. Особенности мозга австралопитеков и «ранних Homo»……………………………………………….11
2. Особенности мозга Homo erectus………………….12
3. Особенности мозга Гейдельбергского человека и Хомо Сапиенса……………………………………..13
4. Мозг Homo sapiens верхнего палеолита…………..14

2. Изменение объёма мозга гоминид……………………..15
3. Общие тенденции эволюции мозга человека…………15
4. Заключение………………………………………………….18
5. Список литературы…………………………………………20
6. Приложения…………………………………………………21

1. Введение

  Я выбрала тему «эволюция мозга в живом мире», поскольку считаю резервные потенциал мозга человека до конца не изученным. А прошлый опыт развития мозга поможет нам найти подход к будущему развитию.

   Мозг человека – это бесценный дар. Исходя из последних исследований, обычный человек задействует свой мозг максимум на 2-3 процента. К примеру, Эйнштейн задействовал свой мозг на 10 процентов. Возникает вопрос: зачем человеку развитый мозг, если использует он его так неэффективно?

   Развитый  мозг – это одно из главных различий между животным и человеком. Именно благодаря мозгу люди заняли доминирующее положение на Земле.

   Мозг позволяет придумывать и воплощать в жизнь все то, что мы имеем сейчас. Если брать животных – их мозг ограничен. Его достаточно лишь для поддержания жизни. Но вот у человека он не исследован до конца, он еще и способен развиваться. Этому свидетельствует наша история: 100 лет назад люди в основном ездили на лошадях, сегодня мы летаем в космос.

   Зачем же человеку даны такие резервы? Что будет, если человек научится использовать большую часть своего мозга?

   Сегодня большинство из нас использует свой мозг чуть больше чем животные. 2-3 процента позволяют человеку стать сборищем привычек, знаний (зачастую бесполезных), навыков и опыта, которые позволяют поддерживать ему более-менее сносный уровень жизни – только и всего.

Но для развития  этого явно недостаточно.

    Сейчас человек избавлен от большинства проблем – есть крыша над головой, горячая и холодная вода, есть на чем приготовить еду, за которой не надо бегать, а можно просто сходить в магазин, и даже, чтобы переключить телевизор, не надо вставать с дивана. Все это приводит к тому, что человек перестает использовать свой мозг, а значит и перестает развиваться.

   Задайте  себе вопрос: когда вы в последний раз  действительно использовали свой мозг для решения своих задач? Ответ большинства будет – в детстве. Когда человек рождается – его мозг чист. И, чтобы продолжить свое существование, он начинает изучать все вокруг – ползать, трогать, слушать, лепетать. Подумайте,  на что действительно способен мозг, если всего за 2-3 года дети уже ходят, говорят, а некоторые умножают трехзначные числа. И все это абсолютно с нуля.

   Затем человек попадает под пресс системы воспитания – детский сад, школа, институт, работа. Где все уже придумано. Изучай предметы и никаких проблем. Именно на этом этапе и происходит остановка задействования мозга. Да, он используется, но лишь для изучения того, что предлагают другие. А для собственного развития – нет. И человек перестает мыслить в действительном понимании этого слова.

   Мозг  дан человеку с целью самому определить свою жизненную цель и найти к ней путь, который позволит ее реализовать. Вы знаете себя лучше всех остальных, вы являетесь экспертом в области самого себя.

   Повторяя действия успешных людей, вы в лучшем случае добьетесь того же, что и они. Ваш жизненный путь зависит от вас и от того как вы будите использовать ваш мозг.

   Что же  такое мозг? Как он зародился  у живых организмов и как развивался у человека? 

2. Происхождение мозга у живых  организмов

   Нервная система живых существ в процессе эволюции прошла долгий путь от совокупности примитивных рефлексов у простейших до сложной системы анализа и синтеза информации у высших приматов. Что послужило стимулом к формированию и развитию мозга?

   Нервная система требуется далеко не всем живым существам. Она не нужна тем, кто был и будет неподвижен, то есть растениям. Для выживания им не требуется ни быстрой реакции, ни мгновенной перестройки организма. Есть и другая возможность существования без нервной системы - жить в чудесном месте, где много пищи и организм всегда защищен и согрет. Жизнь паразитического червя вполне соответствует этим требованиям. Поэтому он, как растение, не обладает нервной системой. Правда, у растений нервной системы никогда не было, а у солитера она полностью исчезла. И у растений и у солитера функции реагирования на изменение внешних условий выполняет не нервная система, а отдельные клетки, обладающие химической, электромагнитной и механической чувствительностью.

   Однако судьба паразитических червей скорее исключение, чем правило в животном мире. Для большинства организмов окружающий мир слишком нестабилен и требует постоянного приспособления к нему. Органом быстрого и целостного реагирования на изменяющиеся внешние условия стала нервная система.

1. Возникновение нервной системы

   Наиболее древнее свойство нервной системы простейших живых существ - способность распространять информацию о контакте с внешним миром с одной клетки на весь многоклеточный организм. Самое первое преимущество, которое дала такая примитивная нервная система многоклеточным, - это способность реагировать на внешние воздействия так же быстро, как простейшие одноклеточные.

   У животных, прикрепленных к конкретному месту, - актиний, асцидий, малоподвижных моллюсков с крупными раковинами, коралловых полипов - несложные задачи: фильтрация воды и захват проплывающей мимо пищи. Поэтому нервная система таких малоподвижных организмов по сравнению с нервной системой активных животных устроена очень просто. Она в основном представляет собой небольшое окологлоточное нервное кольцо с совокупностью примитивных рефлексов. Тем не менее даже эти простые реакции протекают на несколько порядков быстрее, чем у растений такого же размера.

   Свободноживущим кишечнополостным требуется более обширная нервная сеть. У них нервная система распределена почти равномерно по всему телу или по большей его части (исключение составляют скопления нервных клеток у подошвы и в области окологлоточного кольца), что обеспечивает быструю согласованную реакцию всего организма на раздражители. Равномерно распределенную нервную систему обычно называют диффузной. На различные воздействия организм таких живых существ откликается быстро, но неспецифически, то есть однотипно. Например, пресноводная гидра при любых информационных сигналах - если качнуть лист, на котором она сидит, прикоснуться к ней щетинкой или вызвать движение воды - реагирует одинаковым образом - сжимается. 

2. Развитие  нервной системы

1. Зарождение органов чувств

   Следующим этапом в эволюции нервной системы стало появление нового качества - упреждающей адаптации. Это означает, что организм успевает подготовиться к изменению окружающей среды заранее, до непосредственного контакта с раздражителем. Для этого природа создала огромное разнообразие органов чувств, в основе работы которых лежат три механизма: химическая, физическая и электромагнитная чувствительность мембраны нервной клетки.(см. приложение №1) Химическая чувствительность может быть представлена обонянием и контактным органом вкуса, осморецептором и рецептором парциального давления кислорода. Механочувствительность реализуется в виде слуха, органов боковой линии, грави- и терморецепторов. Чувствительность к электромагнитным волнам обусловлена наличием рецепторов внешних или собственных полей, светочувствительностью либо способностью воспринимать магнитные поля планеты и Солнца.

   Три типа чувствительности в процессе эволюции выделились в специализированные органы, что неизбежно привело к повышению направленной чувствительности организма. Рецепторы сенсорных органов приобрели возможность воспринимать различные воздействия на расстоянии. В процессе эволюции органы чувств возникли у нематод, свободноживущих плоских и круглых червей, кишечнополостных, иглокожих и многих других примитивных живых существ. Такая организация нервной системы в стабильной среде вполне оправдывает себя. Животное недорогой ценой приобретает высокие адаптивные возможности. До тех пор, пока нет внешнего стимула, нервная система "молчит" и не требует особых расходов на свое содержание. Как только ситуация меняется, она воспринимает это органами чувств и отвечает направленной активностью эффекторных органов.

   Однако с появлением упреждающей адаптации у живых существ возникли проблемы.

   Во-первых, одни сигналы идут от фоторецепторов, другие - от хеморецепторов, а третьи - от рецепторов электромагнитного излучения. Как сравнить столь разнородную информацию? Сопоставить сигналы можно только при их однотипной кодировке. Универсальным кодом, позволяющим сравнивать сигналы из разных органов чувств, стал электрохимический импульс, генерирующийся в нейронах в ответ на информацию, полученную от органов чувств. Он передается с одной нервной клетки на другую за счет изменения концентрации заряженных ионов по обе стороны клеточной мембраны. Такой электрический импульс характеризуется частотой, амплитудой, модуляцией, интенсивностью, повторяемостью и некоторыми другими параметрами.

   Во-вторых, сигналы от разных органов чувств должны прийти в одно и то же место, где их можно было бы сравнить, и не просто сравнить, а выбрать самый важный на данный момент, который и станет побуждением к действию. Это реально осуществить в таком устройстве, где были бы представлены все органы чувств. Для сравнения сигналов от разных органов чувств необходимо скопление тел нервных клеток, которые отвечают за восприятие информации различной природы. Такие скопления, называемые ганглиями или узлами, появляются у беспозвоночных. В узлах располагаются чувствительные нейроны или их отростки, что позволяет клеткам получать информацию с периферии тела.

   Но вся эта система бесполезна без управления ответами на сигналы - сокращением или расслаблением мышц, выбросом различных физиологически активных веществ. Для осуществления функций как сравнения, так и управления у хордовых возникает головной и спинной мозг. 

2. Формирование памяти

   В постоянно меняющихся условиях окружающей среды простых адаптивных реакций становится недостаточно. К счастью, изменения среды подчиняются неким физическим и планетарным законам. Сделать адекватный поведенческий выбор в нестабильной среде можно, только сравнивая разнородные сигналы с аналогичными сигналами, полученными ранее. Поэтому в процессе эволюции организм вынужден был приобрести еще одно важное преимущество - возможность сравнивать информацию во времени, как бы оценивая опыт предыдущей жизни. Это новое свойство нервной системы называется памятью.

   В нервной системе объем памяти определяется числом нервных клеток, вовлекаемых в процесс запоминания. Чтобы запомнить хоть что-то, надо иметь примерно 100 компактно расположенных нейронов, как у актиний. Их память краткосрочна, неустойчива, но эффективна. Если собрать актиний и поместить в аквариум, то все они воспроизведут предыдущую природную ориентацию. Следовательно, каждая особь помнит, в каком направлении "смотрело" ее ротовое отверстие. Еще более сложное поведение актинии обнаружили в экспериментах по обучению. К одним и тем же щупальцам этих животных в течение 5 дней прикладывали несъедобные кусочки бумаги. Актинии сначала отправляли их в рот, проглатывали, а потом выбрасывали. Через 5 дней они перестали есть бумагу. Затем исследователи стали прикладывать бумажки к другим щупальцам. На этот раз животные прекратили поедание бумаги значительно быстрее, чем в первом эксперименте. Этот навык сохранялся в течение 6-10 дней. Такие эксперименты демонстрируют принципиальные отличия животных, обладающих памятью, от существ, не имеющих никаких способов сохранять информацию о внешнем мире и о себе. 

3. Изменения на суше

   Роль нервной системы стала особенно значительной после выхода позвоночных на сушу, который поставил бывших первичноводных в крайне сложную ситуацию. Они прекрасно приспособились к жизни в водной среде, которая мало походила на наземные условия обитания. Новые требования к нервной системе были продиктованы низким сопротивлением среды, увеличением массы тела, хорошим распространением в воздухе запахов, звуков и электромагнитных волн. Гравитационное поле предъявило крайне жесткие требования к системе соматических рецепторов и к вестибулярному аппарату. Если в воде упасть невозможно, то на поверхности Земли такие неприятности неизбежны. На границе сред сформировались специфические органы движения - конечности. Резкое повышение требований к координации работы мускулатуры тела привело к интенсивному развитию сенсомоторных отделов спинного, заднего и продолговатого мозга. Дыхание в воздушной среде, изменение водно-солевого баланса и механизмов пищеварения обусловили развитие специфических систем контроля этих функций со стороны мозга и периферической нервной системы.

   В результате возросла общая масса периферической нервной системы за счет иннервации конечностей, формирования кожной чувствительности и черепно-мозговых нервов, контроля над органами дыхания. Кроме того, произошло увеличение размеров управляющего центра периферической нервной системы - спинного мозга. (см. приложение №2) Сформировались специальные спинномозговые утолщения и специализированные центры управления движениями конечностей в заднем и продолговатом мозге. У крупных динозавров эти отделы превысили размеры головного мозга. Важно и то, что сам головной мозг стал крупнее. Увеличение его размеров вызвано повышением представительства в мозге анализаторов различных типов. В первую очередь это моторные, сенсомоторные, зрительные, слуховые и обонятельные центры. Дальнейшее развитие получила система связей между различными отделами мозга. Они стали основой для быстрого сравнения информации, поступающей от специализированных анализаторов. Параллельно развились внутренний рецепторный комплекс и сложный эффекторный аппарат. Для синхронизации управления рецепторами, сложной мускулатурой и внутренними органами в процессе эволюции на базе различных отделов мозга возникли ассоциативные центры.

3. Энергопотребление нервной системы

   Насколько новые функции нервной системы окупают затраты на ее содержание?

   Обладатели развитой нервной системы столкнулись с неожиданными проблемами. Память обременительна. Ее надо поддерживать, "бесполезно" тратя энергию организма. Ведь воспоминание о каком-либо явлении может пригодиться, а может и никогда не понадобиться. Следовательно, роскошная возможность что-либо запоминать - удел энергетически состоятельных животных, животных с высокой скоростью обмена веществ. Но обойтись без нее нельзя - она нужна существам, активно адаптирующимся к внешней среде, использующим разные органы чувств, хранящим и сравнивающим свой индивидуальный опыт.

   С появлением теплокровности требования к нервной системе еще более возросли. Любое повышение скорости метаболизма приводит к увеличению потребления пищи. Совершенствование приемов добывания пищи и постоянная экономия энергии - актуальные условия выживания животного с высоким метаболизмом. Для этого необходим мозг с развитой памятью и механизмами принятия быстрых и адекватных решений. Активная жизнь должна регулироваться еще более активным мозгом. Мозгу необходимо работать с заметным опережением складывающейся ситуации, от этого зависят выживание и успех конкретного вида. Однако повышение метаболизма мозга приводит к неизбежному возрастанию затрат на его содержание. Возникает замкнутый круг: теплокровность требует усиления обмена веществ, которое может быть достигнуто только повышением метаболизма нервной системы.

   Исходя из величины относительной массы мозга обычно определяют долю энергетических затрат, приходящуюся на "содержание" нервной системы. (см. приложение №3) Однако в этих подсчетах, как правило, остается неучтенной масса спинного мозга, периферических ганглиев и нервов. Тем не менее все эти компоненты нервной системы, так же как и мозг, потребляют кислород и питательные вещества, а общая масса спинного мозга и периферической нервной системы может существенно превышать массу головного мозга.

   На самом деле общий баланс энергетических затрат на функционирование нервной системы складывается из нескольких компонентов. Помимо мозга постоянно в активном состоянии находятся все периферические отделы, поддерживающие тонус мускулатуры, контролирующие дыхание, пищеварение, кровообращение и т. д. Понятно, что отключение одной из таких систем приведет к гибели организма. Нагрузка на эти системы постоянна, но нестабильна. Она меняется в зависимости от поведения. Если животное потребляет пищу, то активность пищеварительной системы возрастает и расходы на содержание ее нервного аппарата увеличиваются. Аналогично повышаются расходы на иннервацию и контроль за скелетной мускулатурой, если животное находится в активном движении. Однако различие между этими энергозатратами в активном состоянии и состоянии покоя относительно невелико, так как тонус мускулатуры или активность кишечника организм вынужден поддерживать постоянно.

   Головной мозг тоже активен всегда. Память - это динамический процесс передачи нервного импульса с одного нейрона на другой. Поддержание как наследуемой, так и приобретенной памяти крайне энергозатратно. Многие органы чувств работают, постоянно воспринимая и обрабатывая проходящий сигнал из внешней среды, что тоже требует непрерывного расходования энергии. Но все же потребление энергии мозгом в разных физиологических состояниях сильно различается. Если животное находится в состоянии относительного покоя, то мозг потребляет минимальное количество энергии. Если животное активно добывает пищу, пытается избежать опасности или находится в брачном периоде, затраты организма на содержание мозга существенно увеличиваются. Сытая и сонная львица затрачивает на содержание своего мозга намного меньше энергии, чем голодная во время охоты.

   Для теплокровных животных с относительно большим мозгом становится критичным размер тела. Маленьким "головастикам" без высококалорийного интенсивного питания просто не обойтись. Мелкие насекомоядные съедают ежедневно огромное количество пищи. Бурозубка ежедневно потребляет в несколько раз больше массы собственного тела. Обильно питание мелких летучих мышей и птиц. У более крупных млекопитающих отношение масса нервной системы/масса тела увеличивается в пользу тела. Вместе с уменьшением относительных размеров нервной системы снижается и доля потребляемой ею энергии. В связи с этим крупное животное с большим мозгом находится в более благоприятном положении, чем небольшое.

   Энергетические затраты на содержание мозга становятся ограничителем интеллектуальной активности для мелких животных. Допустим, что американский крот-скалепус решил попользоваться своим мозгом так же интенсивно, как приматы или человек. Крот массой 40 г обладает головным мозгом массой 1,2 г и спинным мозгом вместе с периферической нервной системой массой примерно 0,9 г. Имея нервную систему, составляющую более 5% массы тела, крот затрачивает на ее содержание около 30% всех энергетических ресурсов организма. Если он задумается над решением шахматной задачи, то расходы его организма на содержание мозга удвоятся, а сам крот моментально погибнет от голода. Мозгу крота потребуется столько энергии, что возникнут неразрешимые проблемы со скоростью получения кислорода и доставки компонентов обмена веществ из желудочно-кишечного тракта. Появятся трудности с выведением продуктов метаболизма нервной системы и ее охлаждением. Таким образом, мелким насекомоядным и грызунам не суждено стать шахматистами.

   У многих небольших животных с относительно большим мозгом возник механизм защиты организма от перерасхода энергии - торпидность, или впадание на несколько часов в спячку. Мелкие теплокровные вообще могут находиться в двух основных состояниях: гиперактивности и спячки. Промежуточное состояние малоэффективно, поскольку энергетические расходы не компенсируются поступающей пищей.

   В физиологии крупных млекопитающих торпидность невозможна, но все же крупные теплокровные тоже различными способами защищают себя от повышенных энергозатрат. Всем известна длительная зимняя псевдоспячка медведей, которая позволяет не расходовать энергию во время неблагоприятного для добычи пищи периода. В отношении экономии энергии еще более показатель но поведение кошачьих. Львы, гепарды, тигры и пантеры, как и домашние кошки, основное время проводят в полудреме. Подсчитано, что кошачьи около 80% времени неактивны, а 20% тратят на поиск добычи, размножение и выяснение внутривидовых отношений. Но у них даже спячка не означает почти полной остановки жизненных процессов, как у небольших млекопитающих, амфибий и рептилий. 

4. Питание мозга

   Из каких источников берет энергию мозг? Если у любого млекопитающего потребление кислорода мозгом становится меньше 12,6 л/(кг•ч), наступает смерть. При уменьшении количества кислорода мозг может сохранять активность только 10-15 секунд. Через 30-120 секунд угасает рефлекторная активность, а спустя 5-6 минут начинается гибель нейронов. Собственных кислородных ресурсов у нервной ткани практически нет. Тем не менее совершенно неверно связывать интенсивность метаболизма мозга с общим потреблением кислорода. Энергетические затраты на содержание мозга складываются еще и из потребления питательных веществ, а также из поддержания водно-солевого баланса. Мозг получает кислород, воду с растворами электролитов и питательные вещества по законам, не имеющим никакого отношения к интенсивности метаболизма других органов. К примеру, у землеройки потребление кислорода составляет 7,4 л/ч, а у слона - 0,07 л/ч на 1 кг массы тела. Тем не менее величины потребления всех "расходных" компонентов не могут быть ниже определенного уровня, который обеспечивает функциональную активность мозга.

   Стабильное снабжение мозга кислородом достигается в разных систематических группах за счет различий в скорости кровотока. Скорость кровотока зависит от частоты сердечных сокращений, интенсивности дыхания и потребления пищи. Чем меньше плотность капиллярной сети в ткани, тем выше должна быть скорость кровотока для обеспечения необходимого притока в мозг кислорода и питательных веществ.

3. Эволюция мозга человека

   Эволюция человека – сложный процесс, имеющий множество причин и проявлений. Давно классическим стало понятие "гоминидной триады", включающей три комплекса признаков, отличающих человека от прочих приматов.(Гоминиды – в «классическом» смысле семейство прямоходящих приматов,включающее людей и их ископаемых предшественников) Один из них описывает развитый головной мозг. Разные аспекты поведения древних предков человека изучаются целым рядом наук, в их числе этология приматов, археология, палеопсихология, но материальной основой этого поведения является именно головной мозг, и именно его изучение может дать основополагающие сведения об уровне развития ископаемых гоминид.

1. Развитие мозга гоминид

1. Особенности мозга австралопитеков и «ранних Homo»

   Австралопитеки, первые двуногие существа, жившие от 7 до 1 миллиона лет назад, имели мозг, очень мало отличавшийся от мозга современных человекообразных обезьян. Как объём мозга в целом, так и строение деталей различаются у этих двух групп незначительно.

   Мозг грацильных австралопитеков, известный по южно- и восточноафриканским находкам древностью от 4 до 2,5 миллионов лет назад, отличался от мозга шимпанзе в основном несколько большей длиной, что обуславливалось вытянутостью теменной доли. На основании того, что мы знаем о функциях разных долей мозга современного человека(см. приложение №4), можно предположить, что грацильные австралопитеки, вероятно, обладали несколько большей чувствительностью и подвижностью рук, чем современные человекообразные обезьяны. В сравнении же с массивными австралопитеками, грацильные, вероятно, имели более развитый зрительный анализатор, что, возможно, в некоторой мере отражает специфику пищевого поведения.

   Массивные австралопитеки имели мозг в среднем длиннее и выше, чем у человекообразных обезьян, и сферичнее, нежели у грацильных австралопитеков. При этом лобная доля мозга у них была сужена спереди, теменная удлинена, а височный полюс выступал вперёд крайне слабо.

   Можно предположить, что массивные австралопитеки, в сравнении с грацильными, обладали лучшей координацией движений, но меньшим контролем за эмоциями и возбудимостью, меньшей эмоциональностью и пониженными способностями к прогнозированию своих действий. Кроме того, массивные австралопитеки, вероятно, обладали большими возможностями распознавания звуков, запахов и вкуса.

   Одновременно с массивными австралопитеками в Южной и Восточной Африке обитали "ранние Homo", обладавшие более крупныммозгом, среди которых имелись и наши непосредственные предки. Большинство признаков их мозга оставалось на прежнем – австралопитековом – уровне развития, с поправкой на большие размеры; несколько интенсивнее прочих увеличивалась ширина мозга. Надо сказать, что общим является прогрессивное развитие области, которая у современного человека отвечает за согласование устной речи и движений рук, что вполне логично, учитывая, что "ранние Homo" были первыми создателями каменных орудий и первыми регулярными охотниками, что, несомненно, требовало усложнения коммуникации между индивидами.

2. Особенности мозга Homo erectus