Жар в черепной коробке

Как-то летом мы с женой отправились в небольшое путешествие: нам хотелось взглянуть на пещеры, в которых жили индейцы племени модок. Пещеры эти находятся на северо-востоке Калифорнии, виды которой странным образом напоминают пейзаж юго-запада США. И, в точности как на юго-западе нашей страны, там стояла жара. Местность и пещеры произвели на меня большое впечатление, однако из этой поездки я вынес и новое понимание того, каково мозгу приходится в голове.

Выбравшись из прохладных подземных пещер, замечаешь, как невыносимо жарко прямо над поверхностью земли. Когда поднимаешься на ноги, приходит спасительная прохлада. И чем выше, тем прохладнее. Кто бы сомневался, на высоте шесть футов¹⁰ над землей прохладнее, чем на уровне земли! И лишь двуногое существо имеет возможность выпрямиться в полный рост, чтобы не перегреваться.

Однако там, на солнце, почти что в саванном климате, всё равно жарко. Поэтому для той поездки я заказал устройство, про которое писали, что оно охлаждает жарким летом. Это кепка с солнечной батареей на макушке, обдувающая лоб ветерком и тем самым охлаждающая голову. И ведь номер действительно прошел! Вентиляция головы помогает лучше, чем вентиляция любой другой части тела. Я даже мог думать! Мышцы, осуществляющие работу и выделяющие тепло, расположены отнюдь не на голове. Однако потеет голова очень сильно. Спортсмены-бегуны даже носят на лбу специальную повязку, чтобы пот не затекал в глаза. Мы устроены так, чтобы иметь возможность охлаждать голову. Кстати сказать, у человека на лбу в три-четыре раза больше потовых желез на единицу площади, чем где бы то ни было на теле.

Эволюция повысила эффективность охлаждения организма наших предков. Кожа их стала безволосой, чтобы они могли беспрепятственно потеть. Волосы на теле ограничивают обтекающий кожу воздушный поток, и охлаждать тело посредством потения при этом невозможно. Даже такой орган, как ухо, используется, чтобы отводить тепло от головы, в особенности у слонов.

Почему так важно охлаждать голову? Потому, что кора головного мозга постоянно находится под угрозой перегрева, причем значительно в большей степени, чем внутренние структуры мозга. Эти глубинные структуры на самом деле нагреваются сильнее, чем кора. И разумно было бы допустить, что для нас очень важно держать голову в холоде. Новые важные исследования, начиная от работ по эволюции кровотока и заканчивая недавно проведенным анализом систем охлаждения организма, связанных с прямохождением, указывают, что потребность в отведении тепла, излучаемого мозгом, могла оказаться одним из ведущих факторов увеличения его размеров.

Один из первых бегунов?

Резкий скачок в увеличении размеров мозга должен был привести к образованию новой мозговой ткани, которая впоследствии могла взять на себя новые функции. Вспомнив Блеза Паскаля, писавшего, что Le coeur a ses raisons, que la raison ne connait point (“У сердца есть свои основания, которых разум не знает”), не могу не отметить, что мозг увеличивался исходя из своих собственных оснований, а не для поиска оснований.

Можно ли считать человеческую психику продуктом случайности?

Возможно, читателю покажется циничным мой отказ рассматривать интеллект как основополагающую цель эволюции, однако в лучшем случае интеллект был побочным продуктом какой-либо другой формы приспособления. Поскольку ранний человек вполне справлялся со своей охотничьей жизнью, обходясь без такого большого мозга, едва ли это увеличение анатомической сложности можно списать на какую-либо из форм культурного приспособления. Зачем громоздить мозг большего размера, чем был бы нужен для выживания? Основной вопрос заключается в том, какая из форм приспособления могла привести к увеличению размеров мозга, и что она сейчас может нам сказать о нашей психике?

Наш мозг в четыре раза превосходит по своим размерам мозг наших ближайших «соседей», а наши способности для них просто недосягаемы. Вполне естественно, что мы рассматриваем самих себя как нечто особенное. И кое в чем нас действительно можно назвать особенными. Мы живем повсюду и, судя по всему, пре-адаптированы к любому уголку земного шара и к обществам, которых никогда не было. Иными словами, наш мозг невероятно избыточен, не так ли?

И, конечно же, все факторы, упомянутые в разных гипотезах – прямохождение, язык и многое другое – внесли свой вклад в произошедшие с мозгом изменения. Но ни один из них, несмотря на всю их важность, не объясняет разрыва между нами и человекообразными обезьянами. Возможно, одним из основных стимулов стали здесь не социокультурные факторы, но физиологические ограничения, испытываемые мозгом, заключенным в черепной коробке.

В 1989 и 1990 гг. появился ряд статей, где обсуждалась неожиданная гипотеза, согласно которой стимулом к увеличению размеров мозга стали сугубо технические и «упаковочные» соображения. А дальше это увеличение, наряду с другими событиями, повлекло за собой новые изменения. И хотя, опять же, всё это весьма умозрительно, мне кажется, что такое увеличение размеров коры должно было определяться факторами отнюдь не социального характера, поскольку мозг резко вырос до появления у нас особенностей, которые мы считаем специфически человеческими.

У человека над (горячей) поверхностью земли приподнята бульшая часть массы тела по сравнению с шимпанзе (адаптировано из работы Питера Уилера)

Голова греется, и необходимость охлаждения может навести нас на догадку. Поскольку мозг нуждается в защите от перегрева, то его охлаждение должно быть весьма значительно. Наш мозг, равно как и близлежащие структуры, в ходе эволюции приспосабливался к отведению тепла.

Чудодейственная сеть, клетки коры и мозговой «радиатор»

Мозг особенно чувствителен к перегреву. Тепловой удар может причинить мозгу вред очень быстро. А когда наши давние предки освоили ходьбу и начали перемещаться на большие расстояния, мозг стал выделять ещё больше тепла.

У других животных есть специальные механизмы, посредством которых сердце избавляется от избыточного тепла. Обратите внимание, как в жаркий день ваша собака спасается от жары, часто дыша. Через открытую пасть прохладный воздух попадает в кровь благодаря специально организованной системе кровообращения. Большинство хищников в достаточной степени охлаждают мозг во время движения благодаря целому артериальному лабиринту, называемому rete mirabile – «волшебной сетью». Эта сеть проходит через морду, и когда животное открывает пасть и часто дышит, циркуляция воздуха способствует охлаждению крови.

Текущая по этой сети артериальная кровь охлаждается (благодаря испарению влаги со слизистой оболочки на стенках носовой полости) и только затем достигает мозга. Благодаря этому у таких животных охлаждение мозга происходит, даже когда они находятся под открытым солнцем. В отличие от наших домашних питомцев и от хищников саванны, мы лишены этой волшебной сети. Человек особенно чувствителен к высоким температурам, поскольку повышения температуры мозга лишь на 1—2 градуса Цельсия вполне достаточно, чтобы нарушить его работу, а тепловой удар может произойти при повышении температуры всего на 4 градуса.

Когда леса в Восточной Африке поредели, наши предки «внезапно» (в масштабах эволюционного времени, разумеется) обнаружили, что тенистых мест стало меньше, а температура выше. А поскольку им надо было покрывать большие расстояния, недостаток тени пришлось компенсировать новыми способами охлаждения организма. Необходимость выживать в более теплом климате привела к некоторым важным изменениям в строении тела, впоследствии повлекшим за собой быстрый рост мозга. Первой из форм приспособления к повышенной температурной нагрузке стало прямохождение.

Радиатор в морде (адаптировано из работы Питера Уилера)

К неожиданным выводам об истоках человеческой психики можно прийти, если рассмотреть расположение мозга в голове с инженерно-строительной точки зрения. Благодаря прямохождению солнце нагревает меньшую поверхность тела. В полдень тело двуногого животного поглощает на 60 % меньше тепла, чем тело четвероногого. А в густой субтропической растительности высотой не меньше полуметра двуногие избавляются от лишнего тепла на треть быстрее, чем четвероногие. Скачок в увеличении размеров мозга был во многом связан с насущной потребностью выпрямиться в полный рост и получить возможность охлаждения.

В африканской саванне, чтобы раздобыть себе пропитание, надежнее было охотиться, чем полагаться на растительность, которая не отличается богатством, подвержена сезонным изменениям и дает меньше энергии, чем мясо. Первобытная охота была соревнованием в выносливости, причем не то чтобы совсем ожесточенным. Став подвижнее, наши предки обрели способность держаться дольше жертвы и брать её измором. Это означало, что они бегали и бегали, гоняясь за антилопой и ожидая, пока та упадет на землю от перегрева. Преследуя дичь и затравливая её долгими часами под палящим солнцем, одинокие охотники (групповая охота появилась позднее) иногда перегревались так, что гибель отдельных клеток мозга была неизбежна.

Судя по всему, наших предков заставила встать на задние конечности изнуряющая жара – лишь так можно было одновременно избежать её по максимуму и избавиться от лишнего тепла. Эта потребность в охлаждении легко могла повлечь за собой рост мозга, поскольку ранние формы приспособления к прямохождению были достаточны только в известной мере. Когда мы поднялись на две ноги, артериальное давление в голове, разумеется, снизилось, как это бывает, когда вы направляете строго вверх поливальный шланг. В нашем случае это ведет к тому, что голова нагревается сильнее, а приток крови к ней оказывается меньше. А поскольку температура в разных мозговых структурах варьируется, то клетки разрушаются хаотично. Тогда одним из способов поддержания работы мозга должно было стать увеличение общего числа нейронов.

Однако еще не менее миллиона лет после того, как появилось прямохождение, никакого резкого увеличения размеров мозга не происходило. Чего же мозг ждал? Важным физическим пусковым механизмом могли оказаться изменения в кровообращении, вызванные прямохождением. Удаление головы от сердца потребовало усиления кровотока. Сила тяжести, под действием которой менялось расположение сосудов, ведущих к голове, могла модифицировать и кровеносную систему как таковую. Скажем, у жирафа на шее есть некоторое количество дополнительных клапанов, облегчающих кровоток. Однако у предков человека внутричерепной кровоток изменился, устремляясь к шейному сплетению (?vertical plexus = cervical plexus?) вместо яремной вены. Если рассмотреть весь ряд наших предков, то можно заметить кардинальное изменение в распределении крови по мозгу. У наших предков сформировалась широкая сеть эмиссарных вен, ведущих в мозг и из мозга. Размер мозга увеличивался у всех наших предков наряду с расширением этой сети, однако не увеличивался у австралопитеков, у которых столь широкой сети сосудов не было. Усиление кровотока предшествовало и, возможно, обусловило увеличение размеров мозга и изменение распределения в нем нервных клеток.

Наверху прохладнее (адаптировано из работы Питера Уилера)

Стоя тоже прохладнее (адаптировано из работы Питера Уилера)

Недавние открытия в области анатомии и физиологии мозга указывают на произошедшие в ходе эволюции человека специфические изменения, представляющие собой чисто биомеханические формы приспособления, которые, однако же, в результате подтолкнули развитие мозга. Антрополог Дин Фолк отмечает, что одной из важнейших форм приспособления, приведших к увеличению размеров мозга у человека, стал специфический механизм охлаждения мозга на основе эмиссарных вен, которые мы упоминали выше. Эти вены сформировались в эволюции до того, как два миллиона лет назад произошел резкий скачок в размерах мозга, и были характерны для австралопитеков, от которых произошли и мы.

В мозге кровь нагревается, и если с системой кровообращения всё в порядке, эмиссарные вены уносят из него подогретую кровь к поверхности головы, где она охлаждается. Но когда мозг перегревается, включается «радиатор»: кровь в этих сосудах начинает течь в обратном направлении. При повышении нагрузки кровь устремляется от кожи в полость черепа. Поэтому в условиях перегрева из-за повышения нагрузки эти вены несут в черепную коробку уже охлажденную кровь, чтобы обезопасить кору. Именно благодаря этому, по мнению Фолка, кора выдерживает столь существенные подъемы внутренней температуры мозга.