Читать книгу "Мозг. Такой ли он особенный? - Сюзана Херкулано-Хузел"

Ответ очевиден: дело в том, что человек принадлежит к отряду приматов и как таковой располагает большим числом нейронов по отношению к массе тела, чем животные, к отряду приматов не относящиеся. На рис. 9.12 показано отношение между числом мозговых нейронов и массой тела, переведенное в относительную энергетическую стоимость мозга (при использовании среднего показателя 6 килокалорий на миллиард нейронов в сутки) в сравнении с потреблением энергии целым организмом (по правилу Клейбера)[210]. При сходной массе тела, которое стоит у грызунов столько же, сколько и у приматов, мозг приматов более дорог в сравнении с мозгом неприматов просто потому, что в мозге приматов больше нейронов.

Рис. 9.12. Тотальное суточное потребление энергии головным мозгом (в килокалориях), которое, как предсказано, варьирует между видами по закону простой линейной функции в зависимости от общего числа нейронов в мозге (при средней энергетической стоимости в 6 килокалорий на миллиард нейронов в сутки), у приматов изменяется по другому закону в зависимости от суточного потребления энергии организмом (тоже в килокалориях) (треугольники), с показателем степени +1,0, то есть линейно, а у неприматов (квадраты, светлые и темные кружки) по закону степенной функции с показателем +0,6

Внутри отряда приматов абсолютная метаболическая цена человеческого мозга больше, чем у остальных видов, потому что у человека больше всех нейронов. Мы обнаружили, что у приматов абсолютная энергетическая стоимость мозга возрастает линейно вместе с энергетической стоимостью всего тела (как степенная функция с экспонентой, равной 1,0), а у остальных млекопитающих нелинейно (согласно степенной функции с показателем +0,6; см. рис. 9.12). Вследствие этого относительная метаболическая стоимость мозга, хотя она и варьирует в некоторых небольших пределах, практически не меняется у разных видов приматов, но прогрессивно уменьшается с ростом массы тела у животных, не принадлежащих к отряду приматов (рис. 9.13). Мало того, выяснилось, что относительная энергетическая стоимость головного мозга у человека не самая высокая: пальма первенства здесь принадлежит крошечной беличьей обезьянке – саймири, у которой корковые нейроны, в связи с их особенно большим числом, потребляют 31,2 % всей энергии, расходуемой целым организмом, при том что у человека массой 70 кг и при общем потреблении энергии в 1700 ккал этот показатель не превышает 30 %.

Рис. 9.13. Относительное суточное потребление энергии, выраженное в процентах от суточного потребления энергии всего организма (в килокалориях), снижается по мере увеличения массы тела у животных, не относящихся к отряду приматов (квадраты, светлые и темные кружки), но варьирует бессистемно среди приматов (треугольники) – самый высокий показатель не у человека, а у саймири

Становится ясно, что метаболизм мозга неоднозначно соотносится с метаболизмом целого организма: любое соотношение может быть случайным и зависеть от скорости, с какой размер мозга изменяется как функция от числа его нейронов, которое, как уже было показано, варьирует от одного вида млекопитающих к другому. Приматы, мозг которых развивался согласно правилам нейронного шкалирования, имеют большее число нейронов относительно массы тела, соответственно, их мозг имеет большую относительную энергетическую стоимость, чем мозг других млекопитающих, например грызунов, у которых при такой же массе тела или размере мозга число нейронов меньше.

Снова повторю, оказывается, существует простое объяснение кажущейся исключительности человеческого головного мозга. Он относительно дорог при сравнении с потреблением энергии целым организмом, потому что у него мозг примата, и как таковой этот мозг содержит больше нейронов на единицу массы тела, чем мозг животных, не принадлежащих к этому отряду. На самом деле, человеческий мозг потребляет столько энергии, сколько можно ожидать для данного числа нейронов, и ровно столько, сколько можно было бы ожидать от небольшой человекообразной обезьяны со сходной массой тела. Ничего особенного в человеческом мозге, повторим еще раз, нет, если не считать удивительно большого числа нейронов.

10. Мозг и мышцы: или то, или другое

Насколько дорого обходится нам мозг в энергетическом отношении, зависит от того, как на это посмотреть. С одной стороны, он стоит около 500 килокалорий в сутки, что кажется немыслимо большой величиной в сравнении с 2000 килокалорий, которые весь организм потребляет в течение суток, даже если мы знаем, что именно такую цену следует ожидать для удивительно большого числа нейронов, упакованных в человеческом мозге, а это число ожидаемо для примата с нашей массой тела. С другой стороны, 500 килокалорий в сутки – это всего 24 ватта: все, что мы достигаем нашим умом и чувствами, обходится нам в половину энергии, потребляемой лампочкой в 40 ватт или ноутбуком (60 ватт). Скорость, с какой человеческий мозг потребляет энергию, то есть мощность, устойчиво равна 24 ваттам. Для сравнения, наши мышцы работают с втрое большей нагрузкой, потребляя 75 ватт, в некоторые короткие моменты, и больше, например во время спортивных состязаний. Поднятие тяжестей требует больше энергии, но тяжелая умственная работа не требует энергии больше, чем праздное ничегонеделанье. Справедливости ради надо, конечно, признать, что некоторые отделы мозга активируются, но перераспределение кровотока в пользу активированных отделов мозга говорит, что тотальное потребление энергии остается на прежнем уровне – не важно, работаем мы умственно или отдыхаем. С такой точки зрения, человеческий мозг является замечательно эффективной машиной – еще более эффективной, если вспомнить, что для работы в течение целого часа ему требуется всего полторы чайных ложки (около 5 г) глюкозы.

Тем не менее если мы примем в расчет потребление энергии всеми нейронами мозга в течение 24 часов, то цена большого числа мозговых нейронов, в частности нейронов мозговой коры, оказывается настолько высокой, что другие приматы не могут позволить себе такой роскоши. На поддержание деятельности своих почти 86 миллиардов нейронов человеческому мозгу требуется 129 г глюкозы, или 516 килокалорий в день. Чашка сахара содержит именно такое число калорий, и потребление такого количества сахара не является выдающимся подвигом в нашей урбанизированной культуре холодильников и супермаркетов. Наоборот, мы чаще сталкиваемся с противоположной проблемой: мы потребляем слишком много калорий.

Если бы было так же просто находить калории в дикой природе…

Потребление энергии = Расход энергии

Животные, одним из которых являемся и мы, каждый божий день сталкиваются с последствиями нашего главного недостатка – с неспособностью к фотосинтезу. Из-за отсутствия необходимых для этого генов мы не можем непосредственно поглощать углерод из атмосферного воздуха и фиксировать его в своих тканях с небольшой помощью солнечного света. Для выживания нам, животным, приходится есть другие живые организмы, будь то животные, растения или грибы, и преобразовывать их вещества в наши.