Рассказ предка. Путешествие к заре жизни. - Ричард Докинз

Я не являюсь особым знатоком математики (это мягко сказано), но даже я могу видеть в этом очарование. И еще больше мне нравится, что тот же самый принцип работает для любых тел, не только для таких аккуратных, как кубы и сферы, но и для тел сложной формы: животных и частей животных, таких как почки и мозг. Все, что требуется – чтобы изменение размера сопровождалось простым увеличением или сжатием, без изменения формы. Это дает нам своего рода нереальные перспективы сравнивать реальные размеры. Когда один вид животных в 10 раз длинней другого, то их масса будет в 1 000 раз большей, но только если их форма одинакова. Фактически же формы, весьма вероятно, эволюционировали, становясь систематически различными, если двигаться от маленьких животных к большим, и мы можем теперь понять, почему.

Большие и малые животные должны иметь различную форму, если учитывать правила масштабирования площади/объема, которые мы только что рассмотрели. Если бы Вы превратили землеройку в слона, только равномерно увеличивая ее, сохраняя ту же самую форму, то она бы не выжила. Поскольку она теперь была бы приблизительно в миллион раз тяжелее, возникло бы много новых проблем. Некоторые из проблем животных зависят от объема (массы). Другие зависят от площади поверхности. Еще другие зависят от некоторой сложной функции этих двух величин или нескольких различных факторов вместе. Как скорость растворения куска сахара, скорость потери тепла животного или потери воды через кожу будет пропорциональна поверхности, которую оно представляет внешнему миру. Но его скорость выработки тепла, вероятно, сильнее связана с числом клеток в теле, которое является функцией объема.

У землеройки, приведенной к масштабу слона, были бы веретенообразные ноги, которые сломались бы под весом, и ее тонкие мышцы были бы слишком слабы, чтобы работать. Сила мышцы пропорциональна не ее объему, а площади ее поперечного сечения. Это справедливо потому, что мускульное движение – суммарное движение миллионов молекулярных волокон, скользящих друг мимо друга параллельно. Число волокон, которые Вы можете упаковать в мышцу, зависит от площади ее поперечного сечения (вторая степень линейного размера). Но задача, которую мышца должна выполнять – поддержка слона – пропорциональна массе слона (третья степень линейного размера). Так слон нуждается в пропорционально большем количестве мышечных волокон, чем землеройка, чтобы поддержать свою массу. Поэтому поперечное сечение мышц слона должно быть большим, чем Вы ожидали бы при простом масштабировании, и объем мышц слона также должен быть больше, чем Вы ожидали бы при простом масштабировании. По различным специфическим причинам подобное заключение справедливо и для костей. По этой причине большие животные, вроде слонов, имеют массивные ноги, подобные стволам деревьев. Галилей был одним из первых, кто понял это, хотя его диаграмма преувеличивает истинный результат. 

Галилей был одним из первых, кто понял это.

Иллюстрации Галилея сравнительных размеров кости, из «Бесед и математических доказательств двух новых наук», изданных в 1638 году.

Предположим, что животное размером со слона в 100 раз больше животного размером с землеройку. Без изменения формы площадь поверхности его кожи была бы в 10 000 раз большей, чем у землеройки, и его объем и масса были бы в миллион раз большими. Если сенсорно-тактильные клетки будут одинаково располагаться на коже, то слону их будет необходимо в 10 000 раз больше, и область мозга, обслуживающая их, возможно, должна быть пропорционально увеличена. Общее количество клеток в теле слона будет в миллион раз большим, чем у землеройки, и они все должны быть обслужены капиллярными кровеносными сосудами. Как это отразится на количестве миль кровеносных сосудов, которое мы ожидаем у большого животного, в отличие от маленького? Это – сложное вычисление, и к нему мы возвратимся в более позднем рассказе. В настоящий момент этого нам достаточно, чтобы понять, что когда мы производим эти расчеты, мы не можем игнорировать правила вычисления для объемов и площадей поверхности. И логарифмический график – хороший метод для того, чтобы получить интуитивные ключи к разгадке подобных вещей. Главный вывод состоит в том, что, поскольку животные становятся большими или меньшими в ходе эволюции, мы, безусловно, ожидаем, что их форма изменится в предсказуемых направлениях.

Мы пришли к этому, размышляя о размере мозга. Нельзя просто сравнить свой мозг с таковыми у Homo habilis, Australopithecus или любого другого вида, не делая поправку на размер тела. Мы нуждаемся в некотором индексе размера мозга, который делает поправку на размер тела. Мы не можем разделить размер мозга на размер тела, хотя это было бы лучше, чем простое сравнение абсолютных размеров мозга. Лучший метод состоит в том, чтобы использовать логарифмические графики, которые мы только что обсуждали. Представьте графически зависимость логарифма массы мозга от логарифма массы тела для большого количества видов разного размера. Отметки, вероятно, лягут близ прямой линии, как действительно происходит на графике. Если наклон линии будет 1/1 (размер мозга строго пропорционален размеру тела), то это предполагает, что каждая клетка мозга способна обслуживать некоторое фиксированное число соматических клеток. Наклон 2/3 означал бы, что мозг подобен костям и мускулам: для данного объема тела (или числа соматических клеток) необходима определенная поверхностная область мозга. Любой другой наклон нуждался бы в другой интерпретации. Итак, каков действительный наклон линии?

Его значение не 1/1, и не 2/3, но примерно между ними. Чтобы быть точным, оно удивительно хорошо соответствует наклону 3/4. Почему 3/4? . Что ж, это – отдельная история, которая будет рассказана, как Вы, несомненно, догадываетесь, цветной капустой (ведь мозг действительно немного похож на цветную капусту). Не забегая наперед, я только скажу, что наклон 3/4 не является специфичным для мозга, а неожиданно возникает везде у всех видов живых существ, включая такие растения, как цветная капуста. Относительно размера мозга, учитывая наглядное объяснение, ожидающее нас в «Рассказе Цветной Капусты», эта наблюдаемая линия с ее наклоном 3/4 подразумевает, что мы могли бы использовать слово «ожидаемая» в начальных абзацах этого рассказа.

Хотя отметки группируются вокруг «ожидаемой» прямой линии с наклоном 3/4, не все отметки строго с ней совпадают. «Мозговитый» вид – тот, чья отметка на графике ложится выше линии. Его мозг больше, чем «ожидаемый» для его размера тела. Вид, мозг которого меньше, чем «ожидаемый», располагается ниже линии. Величина отклонения от линии в одну или другую сторону является нашей мерой того, насколько мозг больше или меньше, чем «ожидаемый». Отметка, которая лежит точно на линии, представляет вид, мозг которого имеет размер, точно совпадающий с ожидаемым для его размера тела.

Ожидаемым, при каких условиях? При условии, что он типичен для набора видов, данные которых использовались при расчете линии. Так, если линия была вычислена для типичного ряда наземных позвоночных животных от гекконов до слонов, то факт, что все млекопитающие располагаются выше линии (а все рептилии, ниже) означает, что млекопитающие имеют больший мозг, чем Вы «ожидали бы» обнаружить у типичного позвоночного животного. Если мы рассчитаем отдельную линию для типичного ряда млекопитающих, то она будет параллельна линии позвоночных, все еще будет обладать наклоном 3/4, но ее абсолютная высота будет больше. Отдельная линия, рассчитанная для типичного ряда приматов (обезьян), будет еще выше, но все еще параллельной, с наклоном 3/4. И Homo sapiens выше любой из них.

Человеческий мозг «слишком» большой даже по стандартам приматов, и средний мозг примата слишком большой по стандартам млекопитающих вообще. В этом отношении средний мозг млекопитающего слишком большой по стандартам позвоночных животных. Другой способ сказать все это состоит в том, что разброс отметок на графике позвоночных более широк, чем разброс отметок на графике млекопитающих, который в свою очередь более широк, чем разброс приматов, включаемых в него. Разброс отметок на графике неполнозубых (неполнозубые – отряд южноамериканских млекопитающих, включающий ленивцев, муравьедов и броненосцев) располагается ниже среднего значения разброса млекопитающих, в котором он является составной частью (Мы должны принимать во внимание такие вещи, реконструируя вымерших животных. Великий викторианский анатом Ричард Оуэн описал вымершее австралийское сумчатое хищное животное и назвал его Tkylacoko, потому что он думал, что оно был размером со льва. Затем было обнаружено, что его мозг был всего лишь размером с мозг леопарда, поэтому люди начали реконструировать целое животное как размером с леопарда. Но потом они поняли, что сумчатые вообще имеют меньший мозг для своих размеров, чем плацентарные млекопитающие. Так, если у этого сумчатого был мозг размером с мозг леопарда, у него, вероятно, было тело размером со льва, и Оуэн был, в конце концов, прав.).