Эволюция как сопротивление энтропии Биологическая эволюция не просто создает новые формы — она создает формы, устойчивые к дальнейшей эволюции. Статья доктора биологических наук Виктора Щербакова

Чтобы стать людьми, обезьянам не хватает рабочей памяти

25.12.2008

Шимпанзе из национального парка Таи (Кот-д’Ивуар) колет орехи камнем (кадр из фильма на YouTube)

Предложена гипотеза, согласно которой качественное различие между интеллектом человека и обезьян состоит в отсутствии у последних способности мыслить рекурсивно, то есть применять логические операции к результатам предшествующих аналогичных логических операций. Неспособность к рекурсии объясняется малой емкостью «рабочей памяти», которая у обезьян не может одновременно вместить более двух-трех концепций (у человека — до семи).

Мозг человека отличается от мозга наших ближайших невымерших родственников — шимпанзе и бонобо — в основном размером (он втрое массивнее). Структурные различия сравнительно невелики и приурочены в основном к отделам, связанным с решением социальных задач. Этот факт, наряду с результатами исследований обезьяньего интеллекта, позволяет предположить, что различия между интеллектом человека и высших обезьян имеют не столько качественный, сколько количественный характер: обезьяны обладают теми же умственными способностями, что и мы, только все эти способности у них развиты слабее (см. подборку ссылок в заметке Обезьяны осмысленно пользуются человеческими жестами, «Элементы», 12.12.2008). Впрочем, не исключено, что в ряде случаев количественные изменения могли перерасти в качественные.

Некоторые способности в ходе эволюции человека могли развиваться быстрее других — например, социальный интеллект (см. Найдено ключевое различие между человеческим и обезьяньим интеллектом, «Элементы», 13.09.2007). С этим согласуется и тот факт, что некоторые отделы мозга (например, префронтальная кора) в ходе антропогенеза увеличились сильнее, чем другие.

Больше памяти — больше ума

Увеличение мозга должно было практически неизбежно и автоматически вести к росту объема памяти. Ведь память, как известно, хранится не в каком-то специально выделенном для этой цели участке мозга, а распределяется по всем отделам, причем для запоминания используются те же нейроны, которые возбуждались при непосредственном переживании события (см.: Нейроны соревнуются за право участия в формировании рефлексов, «Элементы», 26.04.2007). Увеличение объема памяти, в свою очередь, теоретически может оказаться достаточным объяснением всех прочих «усовершенствований» нашего мыслительного аппарата. В данном случае допустима аналогия с компьютером: известно, что чем больше у компьютера памяти, тем более сложные программы он может выполнять, причем эта зависимость работает в довольно широких пределах даже при одном и том же процессоре.

Антрополог Дуайт Рид (Dwight W. Read) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, следуя за многими другими специалистами, полагает, что интеллектуальные способности особенно сильно зависят от объема так называемой рабочей памяти (working memory). Говоря упрощенно, это та часть памяти, в которой хранится и обрабатывается информация, непосредственно необходимая субъекту в данный момент.

По современным представлениям, рабочая память имеет довольно сложную структуру. Центральное место в ней занимает «исполнительный компонент» (central executive component), локализованный в одном из участков префронтальной коры (а именно в полях Бродмана 9 и 46). Его главная задача — удерживать внимание на той информации, которая необходима субъекту для решения насущных задач. Сама эта информация может храниться где-то еще. Ее обычно называют кратковременной памятью (short-term memory) и рассматривают как компонент рабочей памяти (хотя между экспертами есть терминологические разногласия, и в других контекстах термин «кратковременная память» может иметь иной смысл — например, более широкий, включающий не только то, на чём сконцентрировано внимание). Компьютер! ным аналогом кратковременной памяти (понимаемой как часть рабочей памяти) являются регистры процессора. Кроме того, в состав рабочей памяти входит ряд вспомогательных структур (см. Baddeley's model of working memory).

Ключевое значение имеет объем кратковременной памяти, измеряемый количеством идей или концепций, с которыми «исполнительный компонент» рабочей памяти может работать одновременно. Эту важнейшую характеристику рабочей памяти называют short-term working memory capacity (ST-WMC). Многочисленные эксперименты показали, что у человека ST-WMC ≈ 7 (хотя некоторые исследователи склоняются к более низким оценкам, порядка 4-5). Большинство животных не может обдумывать комплексно, как часть единой логической операции, более одной, максимум двух идей (ST-WMC ≤ 2).

Гипотеза, предложенная Ридом, состоит из трех основных положений:

    1) У наших ближайших родственников (шимпанзе и бонобо) ST-WMC ≤ 3. Одновременное оперирование тремя понятиями — предел возможностей для современных обезьян, а также, скорее всего, для последнего общего предка шимпанзе и человека, жившего около 6 млн лет назад (иначе пришлось бы предполагать умственную деградацию в линии шимпанзе, а для этого нет никаких оснований).

    2) Малый объем кратковременной памяти не позволяет обезьянам мыслить рекурсивно, и в этом состоит важнейшее качественное отличие обезьяньего интеллекта от человеческого. Рекурсивное мышление необходимо для решения самых разнообразных задач — от изготовления каменных орудий, более совершенных, чем ручное рубило Homo erectus, до выяснения родственных отношений и формирования структуры рода («я — сын такого-то, сына такого-то» — образец рекурсивного рассуждения).

    3) В ходе антропогенеза происходил постепенный рост ST-WMC от 2-3 (у общего предка человека и шимпанзе) до 7 (у современного человека). Этот рост отражен в увеличении объема мозга (особенно сильно увеличилась префронтальная кора, где находится «исполнительный компонент» рабочей памяти), а также в усложнении каменных орудий.

Основная часть статьи посвящена доказательствам первого положения.

Колоть орехи дано не каждому

В некоторых популяциях диких шимпанзе из поколения в поколение тысячелетиями передается умение колоть орехи камнями. Это не врожденное поведение: молодые обезьяны учатся ему у матери или старших товарищей. Судя по всему, обезьянам требуется предельное напряжение ума, чтобы овладеть этой наукой. Рид подчеркивает, что далеко не все популяции шимпанзе владеют тайной раскалывания орехов, хотя орехи потенциально являются для них весьма ценным пищевым ресурсом. Шимпанзе, содержащиеся в неволе, обычно не могут сами догадаться, как вскрыть орех, даже если им предоставить в изобилии и орехи, и подходящие камни.

Детальные наблюдения за раскалывающими орехи шимпанзе проводились в национальном парке Таи (Taï) в Кот-д’Ивуар и в лесах у деревни Боссу (Bossou) в Гвинее.

Шимпанзе из Таи манипулируют двумя объектами: орехом и камнем, который используется в качестве молотка (см. видео). Наковальней служат элементы рельефа, которыми не нужно манипулировать — например, плоский выход скальных пород или корень дерева. В Таи все взрослые обезьяны умеют колоть орехи. Очевидно, управляться с двумя объектами может научиться любой шимпанзе.

Шимпанзе из Боссу пытаются совладать сразу с тремя объектами, потому что у них принято использовать в качестве наковальни небольшой камень, который нужно выбрать и правильно установить. Обычно наковальня получается шаткая, и ее нужно придерживать. Иногда используется и четвертый объект — камень-клин, которым шимпанзе подпирают наковальню, чтобы не шаталась. Но в этом случае сначала обезьяна возится с двумя объектами (наковальней и клином), а потом с тремя (наковальней, которую всё равно нужно придерживать, орехом и молотом). С четырьмя предметами одновременно никто работать не пытается (клин не придерживают).

Обучение искусству раскалывания орехов протекает долго и мучительно. В возрасте полутора лет обезьяны начинают имитировать отдельные действия, входящие в комплекс (например, стучат по ореху рукой). Примерно в 2,5 года они уже выполняют последовательности из двух действий (например, кладут орех на камень и стучат рукой). Лишь в возрасте 3,5 лет они оказываются в состоянии правильно выполнить всю цепочку операций: найти наковальню, положить орех и стукнуть камнем.

Если шимпанзе из Боссу не научился колоть орехи до 5 лет, то не научится уже никогда. Бедная обезьяна будет до конца своих дней с завистью смотреть на соплеменников, ловко колющих орехи, но так и не сообразит, в чём же тут секрет. Таких «двоечников» в популяции Боссу примерно четверть. Они иногда возобновляют попытки, но не могут понять, что нужны три предмета, и пытаются обойтись двумя. Например, одна семилетняя самка, не научившаяся колоть орехи правильно, время от времени пыталась разбить лежащий на камне орех рукой или ногой (как мы помним, так обычно поступают детеныши в возрасте 2,5 лет).

Подробно проанализировав все мнения, высказанные специалистами на сей счет, Рид заключает, что для того, чтобы колоть орехи, как это принято в Таи, достаточно иметь ST-WMC = 2. Для более сложной технологии, практикуемой шимпанзе из Боссу, требуется ST-WMC = 3, однако не все особи достигают таких интеллектуальных высот. Вероятно, у тех обезьян, которые так и не осваивают это искусство, кратковременная память в состоянии вместить только два объекта (ST-WMC = 2). Теоретически можно предложить и другие объяснения наблюдаемым фактам (например, шимпанзе могли бы делить между собой обязанности — одни ищут орехи, другие раскалывают, и тогда сборщикам не нужно учиться колоть орехи). Рид скрупулезно разбирает это и ряд других возможных объяснений и показывает, что они не подтверждаются фактами.

К аналогичным выводам можно прийти и на основе наблюдений за другими видами орудийной деятельности шимпанзе. Одновременное манипулирование двумя объектами встречается сплошь и рядом, тремя — редко, четырьмя — никогда.

Красные кубики налево, зеленые направо

Если дать маленькому ребенку множество различающихся объектов (например, кубиков разного цвета и размера), то иногда ребенок без всяких подсказок начинает раскладывать их на кучки по какому-то принципу. Это дает возможность наблюдать за развитием мышления. Такие эксперименты многократно проводились и с человеческими детьми, и с детенышами обезьян.

Дети начинают создавать «классификации первого порядка» (создание одной группы объектов, объединенных по какому-то признаку — например, красные кубики) уже в возрасте 12 месяцев. Шимпанзе достигают этой стадии лишь в 2 года. Создавать одновременно две группы предметов дети начинают в 18 месяцев, шимпанзе — около 4 лет. К трем годам дети уже могут создавать одновременно три группы предметов. Шимпанзе до этой стадии не доходят почти никогда, если не считать нескольких особо одаренных индивидуумов, воспитанных людьми и овладевших речевыми навыками. Для шимпанзе это предел, а дети продолжают развиваться дальше.

Эти результаты, по мнению Рида, опять-таки указывают, что рабочая память у шимпанзе вмещает не более 2-3 понятий.

Рид также проанализировал данные по двум знаменитым обезьянам, овладевшим речью (шимпанзе Ним и бонобо Канзи). Они научились общаться с людьми при помощи специально разработанной для них системы знаков-слов. Если отбросить высказывания с повторяющимися словами (вроде «дай банан, дай, дай, дай»), то выясняется, что частота употребления фраз у Нима и Канзи убывала экспоненциально по мере роста числа слов в предложении. До конца своих дней обе обезьяны остались приверженцами односложных высказываний. Канзи использовал фразы из двух слов примерно в 10 раз реже, чем одиночные слова, из трех — в единичных случаях. Более длинные фразы не только крайне редки, но и сомнительны (третье, а тем более четвертое слово-знак обычно не добавляло нового смысла к первым двум знакам). Дети, напротив, уже в возрасте двух лет используют фразы из двух слов чаще, чем односложные высказывания. Ним и Канзи! так и не достигли этого уровня.

Точно такое же экспоненциальное убывание частоты событий наблюдается и для манипуляций с объектами (по мере возрастания числа объектов), и для последовательностей жестов (по мере возрастания числа жестов в последовательности).

Обобщив все доступные данные, на основании которых можно судить о динамике увеличения ST-WMC с возрастом у человека и обезьян, Рид пришел к выводу, что разнообразные когнитивные способности, предположительно отражающие величину ST-WMC, раньше всего начинают развиваться у людей, позже всего — у низших (нечеловекообразных) обезьян; человекообразные обезьяны занимают промежуточное положение. Скорость, с которой развиваются эти способности, максимальна у человека, минимальна у низших обезьян; человекообразные опять оказываются посередине. Наконец, завершение развития этих способностей происходит раньше всего у низших обезьян, позже всего — у людей; человекообразные, как всегда, посередине.

Таким образом, у людей умственное развитие начинается раньше, идет быстрее и заканчивается позже, чем у обезьян. В целом, интеллектуальное развитие человека и шимпанзе остается более или менее сравнимым примерно до трехлетнего возраста. После этого развитие шимпанзе резко затормаживается, и люди начинают их стремительно опережать. Для шимпанзе всё заканчивается в возрасте около четырех лет при уровне ST-WMC = 2 или, самое большее, 3. Люди же продолжают развиваться по прежней «траектории», достигая уровня ST-WMC ≈ 7 примерно к 12 годам.

Эволюция разума, запечатленная в камне

В заключительной части статьи Рид анализирует развитие палеолитических технологий, а также увеличение размеров мозга, и пытается по этим косвенным признакам выяснить, как менялся в ходе антропогенеза объем кратковременной памяти. Технологии изготовления орудий Рид делит на 7 групп по уровню «концептуальной сложности»: начиная от использования готовых палок, от которых нужно только оторвать лишние сучки и листья (уровень 1) до верхнепалеолитической технологии последовательного отщепления множества призматических лезвий от одного и того же ядра (уровень 7). По мнению Рида, только технологии уровня 7, появившиеся менее 50 тысяч лет назад, бесспорно являются рекурсивными. Их рекурсивность состоит в том, что лезвия отщепляются не как попало, а с таким расчетом, чтобы одновременно подготовить ядро для отщепления следующего лезвия. При этом нужно одновременно держать в голове трехмерную форму ядра,! контролировать его позицию и с большой точностью манипулировать отбойником. Технология шестого уровня — леваллуазское расщепление (см. Levallois technique), появившееся около 300 тысяч лет назад, тоже, возможно, требовало рекурсивного мышления, но в этом Рид не совсем уверен.

По прикидкам исследователя, у Homo habilis, овладевшего технологией четвертого уровня (олдувайские галечные орудия с одним режущим краем), величина ST-WMC составляла около 4. У Homo erectus с его обоюдоострыми рубилами (уровень 5) ST-WMC достигла пяти. У неандертальцев и древнейших сапиенсов, овладевших технологиями шестого уровня, ST-WMC была примерно равна шести. Наконец, первые признаки «подлинно человеческой» культуры, появившиеся около 70 тысяч лет назад в Африке (см.: Зарождение человеческой культуры в Африке проходило в два этапа, «Элементы», 05.11.2008), а также несколько более позднее появление технологий седьмого уровня, возможно, маркируют распространение генетической мутации, увеличившей производительность «исполнительного компонента» рабочей памяти и поднявшей ST-WMC до семи, что внезапно открыло п! еред сапиенсами все возможности полноценного рекурсивного мышления.