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

Мозг или мышцы

Мы пока даже не рассматривали энергетическую стоимость большего числа нейронов, но уже определили значимый энергетический предел для увеличения массы тела приматов. Но что если мы теперь сосредоточимся на энергетической стоимости мозговых нейронов? Так как мы знали массу мозга каждого из упомянутых видов, мы могли вычесть ее из массы тела для того, чтобы посчитать энергетическую стоимость тела за вычетом мозга (это формальность, потому что масса мозга относительно мала в сравнении с тотальной массой тела). Поскольку мы знали или могли оценить число нейронов мозга каждого вида приматов, то мы могли добавить и количество калорий, необходимое для поддержания жизнедеятельности этих нейронов. Действительно, мы могли бы оценить число килокалорий, необходимое для снабжения энергией мозга любого примата, просто по предсказанному числу нейронов для данной массы головного мозга при допущении, что мозг потребляет те же 6 килокалорий на 1 миллиард нейронов в сутки, что, как мы выяснили ранее, присуще мозгу людей, грызунов и приматов еще двух видов[216]. Теперь мы были в состоянии положить на одну чашу наших весов количество энергии, которую приматы могут получить из своего рациона (в зависимости от массы тела и количества часов, потраченных в сутки на поиск и потребление пищи), а на другую чашу общую энергетическую стоимость при разных сочетаниях «безмозглой» массы тела и числа нейронов. Зная, что скорость потребления калорий уже недостаточна для поддержания жизни тел более крупных приматов, мы понимали, что добавление энергетической стоимости нейронов на другую чашу весов быстрее приведет к нарушению равновесия. Вопрос, следовательно, заключался в том, насколько быстро приматы с данным числом нейронов выйдут за максимальный предел числа часов, чтобы компенсировать увеличенную потребность в энергии за счет добывания и потребления пищи.

Уравновесив потребление калорий и их расход для мозга и тела, который зависит от массы тела, числа мозговых нейронов и числа часов, потраченных на добывание и потребление пищи, мы смогли определить и изобразить «зоны жизнеспособности»: сочетания массы тела, числа мозговых нейронов и часов, потраченных на добывание и потребление пищи, которые можно было бы поддерживать при поглощении установленного числа килокалорий при данных условиях, как это показано на рис. 10.3. Тот факт, что такие зоны вообще удалось обозначить, указывал, что на самом деле потребление калорий является лимитирующим фактором не только размера тела, но и числа нейронов в мозге, которое мог позволить себе примат в зависимости от числа часов, потраченных на кормодобычу в течение суток.

Рис. 10.3. Затененные области под каждой кривой указывают жизнеспособные сочетания числа нейронов мозга и массы тела, которые могут поддерживаться данным числом часов, потраченных на добывание и потребление пищи (часов). Направленные вниз правые части каждой кривой указывают на компромисс: по достижении максимального числа мозговых нейронов масса тела может возрастать только за счет числа нейронов; точно так же число нейронов может возрастать за пределы кривых только за счет массы тела

Очень важна форма зон жизнеспособности, показанных на рис. 10.3: даже для приматов, которые могут потратить 10 часов на добывание и потребление еды, эти зоны круто снижаются справа. Это означало, что существует определенный предел количества нейронов, которое может позволить себе примат с определенной массой тела (максимальная вертикальная величина каждой кривой на рис. 10.3), но не только это, но еще и то, что после определенного значения увеличение массы тела может происходить довольно дорогой ценой: либо добывание и потребление еды в течение более долгого периода (то есть выход за пределы кривых, обозначенных на рис. 10.3), либо, если это невозможно, уменьшение числа нейронов в головном мозге.

Это крутой и физиологически очень важный компромисс, который становится еще более отчетливым, если учесть максимальное число нейронов, которое животное может себе позволить при данном числе часов в сутки, в течение которых оно потребляет килокалории, а также максимальную массу тела, при которой возможно содержание стольких нейронов, как при приведенной ниже комбинации. Например, потребление пищи в течение 8 часов в сутки позволяет примату иметь максимально 53 миллиарда нейронов, и не больше – и в этом случае ценой ограничения максимальной массы тела 25 кг. Увеличение массы тела при тех же 8 часах добывания и потребления пищи, согласно нашим расчетам, было возможно только за счет уменьшения числа нейронов, и, таким образом, максимальное число нейронов, которое может позволить себе животное, уменьшается по мере увеличения массы тела, как показано на следующей схеме:

По достижении определенного момента слишком крупное тело начинает обходиться очень дорого в энергетическом плане, а добыть энергию можно, только собирая еду в течение определенного числа часов в сутки, невзирая на дополнительную энергетическую цену самих нейронов. Но слишком много нейронов – это тоже неподъемная ноша для тела средних размеров. Для 75-килограммового примата, согласно нашим подсчетам, 30 миллиардов нейронов являются пределом. Гориллы и орангутаны, с их 33 миллиардами нейронов и массой тела 50–100 кг, достигают предела при трате 8 часов в сутки на добывание и потребление пищи. Калории, которые они суммарно потребляют, могут, конечно, пойти и на поддержание большего числа нейронов, но только при условии уменьшения массы тела. При их реальной массе они просто не смогут употребить дополнительное количество калорий для того, чтобы поддержать большее число нейронов. Другие, более мелкие приматы могут легко увеличить число часов, которые они тратят на добывание и потребление пищи, если им это потребуется, и они могут, в течение многих поколений, позволить себе рост числа нейронов, и это, видимо, на самом деле произошло, так как мы видим отчетливую тенденцию к увеличению массы мозга и тела у приматов в ходе их эволюции.

Но такое увеличение уже не могло происходить, когда размер тела в эволюции приматов стал таким большим, что оно потребовало опасного уровня потребления килокалорий в сутки. Мозг орангутана приблизительно в три раза меньше, чем мозг человека, и, следовательно, учитывая линейность правил нейронного шкалирования, действующих у приматов, имеет в три раза меньше нейронов, то есть требует в три раза меньше калорий на поддержание его жизнедеятельности – около 180 килокалорий в сутки. В периоды недостатка плодов, когда, по некоторым оценкам, суточное потребление энергии у самки орангутана составляет около 1800 килокалорий (это в лучшем случае, если принять стопроцентную калорийность потребляемой пищи, что на самом деле не так, как мы убедимся ниже), то есть мозг потребляет 10 % всех калорий, принятых за сутки, а остатка не хватает для поддержания жизнедеятельности остального организма, и животные начинают терять в весе. Удвоение массы мозга орангутана потребовало бы дополнительно еще 180 килокалорий, что, в свою очередь, потребовало бы еще одного часа сбора плодов. Учитывая, что орангутаны и так ищут еду максимально возможное для них число часов в сутки, становится ясно, что любое значимое увеличение числа нейронов поставило бы под угрозу само выживание этого вида.