Чеширская улыбка кота Шрёдингера: мозг, язык и сознание

В заключение следует подчеркнуть, что результаты обозначенных направлений имеют не только серьезное фундаментальное значение, но и практическую пользу для прикладных областей, в первую очередь для медицины, педагогики, психологии и образования, для развития новых систем искусственного интеллекта. Бесспорна антропологическая, мировоззренческая роль этой области знаний: мы хотим понять, кто мы… Совершенно ясно и то, что для такой сложной области нужны не только содружества ученых разных профилей, но и специалисты другого, многодисциплинарного типа, и их нужно готовить в лучших университетах.

P. S. Сколько лет человеку?

Как справедливо пишет А. Г. Козинцев [2009], стремительное развитие геномики в последние годы заставляет постоянно пересматривать взгляды на возникновение человека и раннюю его историю. Даже такой, казалось бы, решенный вопрос, как определение самого вида Homo sapiens (кого к нему относить), все еще является предметом ожесточенных дискуссий, особенно оживившихся в связи с данными палеогенетики, и в частности с публикацией результатов секвенирования генома денисовского человека и сопоставления его с геномом неандертальца [Meyer et al., 2012]. Один из авторов этой работы и человек, под чьим руководством и при непосредственном участии денисовец был обнаружен и исследован, А. П. Деревянко [2011], подчеркивает, что антропогенез является мультидисциплинарной проблемой и в ее решении должны принимать участие специалисты из многих областей знания, а не только генетики, антропологи или археологи.

Не будучи узким специалистом в области антропогенеза и дальнейшей эволюции человека, я вижу, тем не менее, много оснований для того, чтобы считать генетику первой скрипкой в ансамбле разных наук о человеке. За генетическим вердиктом будет главное слово при сопоставлении данных археологии, геологии, антропологии, лингвистики и этнографии. Из этого следует, что осведомленность о состоянии дел в секвенировании древних ДНК и геномов современных людей более не является обязательной лишь для генетиков, а становится основой не только интеграции наук о жизни, но и теперь уже и истории [Янковский, Боринская, 2009].

В кросс-культурных исследованиях генетика, и прежде всего этногенетика, также стала мостом между разными науками, проверяя существующие гипотезы или создавая новые, что открывает совершенно особую страницу в изучении родства этносов, языков и культур [Хуснутдинова, 2003; Scally, Durbin, 2012].

Возможности современной науки таковы, что позволяют изучать нейрональные механизмы языка не только на макро-, но и на молекулярном уровне. Достаточно вспомнить знаменитые работы, показавшие, что аномалии гена FOXP2 вызывают серьезные нарушения языкового развития, и это дало основание объявить его «геном языка» или даже «геном грамматики» [Hurst et al., 1990; Lai et al., 2001]. И хотя известно, что его вариации есть у многих других биологических видов, этот ген, тем не менее, бесспорно связан с языковой компетенцией человека. Работы, изучающие функции FOXP2 у других биологических видов, в частности проводимые на трансгенных животных, могут показать, на основе чего возникли языковые возможности человека, каковы их эволюционные предпосылки.

Стало понятно [Enard et al., 2002], что ничего специфически «языкового» в этом гене нет, и даже его экспрессия вовсе не ограничивается зонами Брока и Вернике, а проявляется в ряде других областей (стриатум, фронтальные и затылочные отделы, таламус, мозжечок, ствол мозга и даже области вне мозга). Так что вопрос о «гене грамматики» закрыт. Тем не менее интересно, что у мышей, которым был «вставлен» человеческий вариант гена FOXP2, изменился спектральный состав коммуникационных сигналов и увеличилась длина нервных волокон в кортико-базальных ганглиях…

Генетические различия между современным человеком и шимпанзе изучены, известны также и различия между нами и древними гоминидами. Было бы невероятно интересно сопоставить специфически человеческие мутации и появлявшиеся когнитивные фенотипы. Исследование Сомель с соавторами [Somel, Liu, Khaitovich, 2013] как раз и посвящено изучению экспрессии генов и метаболизму, ассоциирующимся с эволюцией регуляторных механизмов; это показывает, как на генетическом уровне выстраивался эволюционирующий мозг человека.

Вопросы эволюции мозга и природы языка являются одними из центральных в когнитивной науке (см. [Fitch, 2010; Berwick, Friederici, Chomsky, Bolhuis, 2013; Козинцев, 2013]). Взгляды на нашу древнюю историю меняются. Например, генетические и антропологические данные показывают, что неандертальцы и денисовцы могли быть способны к артикулированной речи [Dediu, Levinson, 2013]. Их анатомия и физиология вполне годились для речевосприятия и речепроизводства: слуховой аппарат имел подходящие характеристики сенсорного диапазона, а морфология ларингса и тонко настраиваемый механизм контроля воздушного потока давал возможность производства серий сложных звуков. Ген FOXP2, регулирующий тонкую моторику органов звукопроизводста, имеет у этих древних людей современную форму, хотя, вероятно, не все регуляторные факторы уже сформировались.

Все эти изменения произошли, по всей видимости, на переходе от Homo erectus к Homo heidelbergensis – общему предку как неандертальцев, так и людей современного анатомического типа. Из этого следует важный вывод: наш общий предок уже мог говорить, а значит, история эволюции языка оказалась гораздо более долгой, и здесь может быть материал для исследований в области сравнительно-исторического языкознания (хотя глубина возможных реконструкций праязыка и оценивается лингвистами примерно в десять тысяч лет и так далеко лингвистика не заглядывает). Хорошо было бы найти следы древних пластов языка, на котором говорили разные подвиды рода Homo… Интересно, как будущие генетические и лингвистические находки повлияют на теории глоттогенеза, в частности на споры между сторонниками моногенеза и полигенеза происхождения языка (см. [Николаева, 1996; Барулин, 2007, 2012; Бурлак, 2011; Алпатов, 2012]), и не дадут ли они новые основания для объяснения языкового разнообразия?

Общепринято датировать возраст человеческого языка в пятьдесят – сто тысяч лет. Новая датировка отодвигает начало языковой эволюции на несколько сотен тысяч лет, а значит вынуждает нас существенно скорректировать представления о собственной эволюции, и особенно – взгляды на происхождение языка. К примеру, сценарий внезапной мутации (языкового взрыва) придется отвергнуть, обратив большее внимание на культурно-генетическую коэволюцию, продолжающуюся и сейчас.

Что рассказал нам кот…

…Об эволюции …О языке …О мозге

ИЛЬ ВОТ: ЖИВОЙ ПРЕДМЕТ ЖЕЛАЯ ИЗУЧИТЬ,

ЧТОБ ЯСНОЕ О НЕМ ПОЗНАНЬЕ ПОЛУЧИТЬ,

УЧЕНЫЙ ПРЕЖДЕ ДУШУ ИЗГОНЯЕТ,

ЗАТЕМ ПРЕДМЕТ НА ЧАСТИ РАСЧЛЕНЯЕТ

И ВИДИТ ИХ, ДА ЖАЛЬ: ДУХОВНАЯ ИХ СВЯЗЬ

ТЕМ ВРЕМЕНЕМ ИСЧЕЗЛА, УНЕСЛАСЬ!

Гёте. Мефистофель

…Об эволюции

Общие черты эволюции функций гомеостатических и информационных систем3

Рассмотрены закономерности эволюции системы водно-солевого гомеостаза у животных и человека, естественных языков и языка программирования для вычислительных машин. Выявлены общие структурные уровни организации рассматриваемых систем: элемент, функциональная единица, подсистема (орган) и система. На каждом уровне во всех анализируемых системах выявлены характерные черты эволюции функций, которые оказались аналогичными (увеличение дифференцировки, интенсификация функций, олигомеризация, появление морфофункциональных единиц, смена функции и др.). Это свидетельствует о сходстве принципов эволюции в гомеостатических и информационных системах.

* * *

Закономерности эволюционного процесса выходят далеко за рамки проблем только биологической эволюции и, вероятно, имеют общий характер. Аргументации этого положения посвящена настоящая работа, в которой выбраны три не похожих друг на друга объекта изучения: физиологическая система и языки – естественный и искусственный (язык программирования). Точнее говоря, из физиологических систем проанализирована система поддержания постоянства физико-химических параметров во внутренней среде организма. Особое внимание уделено одному из высших достижений биологической эволюции – появлению языка как средства общения. В отличие от огромного периода времени эволюции живых организмов, эволюции человека, на протяжении всего нескольких десятилетий усилиями одного поколения были созданы и достигли высокого развития искусственные языки – языки программирования.

Не требует пояснения, обоснования целесообразность сопоставления, анализа принципов эволюции естественных языков и языков программирования. В то же время следует аргументировать, почему было интересно сопоставить принципы эволюции таких столь далеких объектов, как гомеостатические системы, в данном случае система водно-солевого гомеостаза, во многом зависящая от деятельности почки, и высшее проявление деятельности мозга не только одного человека, но и многих поколений людей, благодаря чему совершается эволюция языка.

Как это ни парадоксально, между этими явлениями имеется глубокая внутренняя связь. Еще Клод Бернар [Бернар, 1878] сформулировал исключительно важное для развития физиологии положение, согласно которому животные на достаточно высоких ступенях эволюции имеют две среды – внешнюю (milieu exterieur), в которой живет организм, и внутреннюю (milieu interieur), в которой живут клетки и ткани этого организма. Гомеостатические системы живого существа, контролируемые работой мозга, делают все возможное, чтобы обеспечить высшую степень постоянства внутренней среды при резчайших колебаниях в среде внешней. Почти шесть десятилетий спустя после Бернара Баркрофт [Баркрофт, 1937] писал, что «постепенно, веками, постоянство внутренней среды регулировалось со все возрастающей точностью, до тех пор, пока, в конце концов, эта регуляция достигла такой степени совершенства, при которой смогли развиваться человеческие способности и человек смог познавать мир вокруг себя в терминах абстрактного знания». Баркрофт дает образный ответ на вопрос, почему требуется высшая степень стабильности физико-химических параметров внутренней среды: «Химические и физиологические процессы, связанные с психической деятельностью, столь деликатны по своему характеру, что рядом с ними изменения, измеряемые термометром или водородным электродом, представляются огромными, катастрофическими… Предполагать высокое интеллектуальное развитие в среде, свойства которой не стабилизированы, – это значит искать музыку в треске плохой радиопередачи или зыбь от лодки на поверхности бурного Атлантического океана».

Таким образом, можно прийти к заключению, что высокое развитие высших функций мозга, в том числе информационных систем, нуждается в, возможно, более стабильной внутренней среде организма. Эта мысль в афористической форме выражена Бернаром: «Постоянство внутренней среды есть условие свободной жизни». В соответствии с духом времени и темой статьи можно добавить к этому утверждению, что постоянство внутренней среды предопределяет возможность не только свободной жизни, но и информационной свободы.

Наконец, следует обосновать необходимость обстоятельного анализа в разделе гомеостатических систем обсуждения принципов эволюции почки. В представлениях недалекого прошлого назначение почки рассматривалось, по образному выражению Смита, как «превращение ширазского вина в мочу». Однако почка играет ведущую роль в поддержании физико-химических констант внутренней среды у человека и животных [Smith, 1951; Гинецинский, 1964], и чем выше находится организм на эволюционной лестнице, тем более стабилизированы объем внеклеточных жидкостей, их химический состав, осмоляльность, рН [Наточин, 1976; Наточин и др., 1980]; особенно это проявляется у млекопитающих. Итак, задача настоящей работы состоит в том, чтобы сопоставить черты эволюции гомеостатических и информационных систем, попытаться выявить принципы эволюции этих систем.

В «Происхождении видов» Дарвина [Дарвин, 1872], в работах его последователей – Геккеля [Геккель, 1940], Дорна [Дорн, 1937], Люкаса [Люкас, 1986], Коштоянца [Коштоянц, 1932], Орбели [Орбели, 1933, 1961] рассматривались вопросы происхождения, эволюции функций. На основании данных преимущественно эволюционной морфологии в конце XIX – начале XX века были сформулированы некоторые принципы эволюции функций ряда органов. В 1887 году Дорн [Дорн, 1937] обосновал принцип смены функций в процессе эволюции органов, в 1886-м Клейненберг [Kleinenberg, 1886] – принцип субституции органов, Федотов дополнил его принципом физиологической субституции, Северцов [Северцов, 1939] и Шмальгаузен [Шмальгаузен, 1940] показали роль интенсификации функций, мультифункциональности органов в качестве принципов эволюции функций. В своих построениях эти авторы исходили в большей степени из морфологических представлений и, основываясь на этих подходах, рассматривали эволюцию функций органов. Однако, с точки зрения физиолога, при характеристике любой функции организма очевидно, что тот или иной орган, являющийся носителем функции, может выполнять ее только в целостной системе. Поэтому, по нашему мнению, следует рассматривать принципы эволюции функций физиологических систем на нескольких различных уровнях [Наточин, 1984]. В случае гомеостатической системы, в частности обеспечения водно-солевого гомеостаза, речь может идти об эволюции функций специализированной клетки почки, следующий уровень – это эволюция функций нефронов – функциональных единиц органа. Более высокий уровень – эволюция функций органа, в данном случае самой почки. Высшим уровнем является система регуляции водно-солевого обмена, включающая специфические рецепторы (осморецепторы, волюморецепторы, ионные рецепторы), нервные центры интеграции, эфферентные нервные пути и гуморальные факторы регуляции.

Такой же четырехуровневый характер системы можно выделить и в случае естественных языков и языков программирования. В настоящей работе предпринята попытка рассмотрения принципов эволюции функций для всех анализируемых объектов на основании представлений об иерархии их функциональной организации. Мы исходили из представления, что элементарной единицей в случае физиологических систем является клетка, ибо в конечном счете процесс отбора действует на уровне особей, а их выживание в борьбе за существование зависит от адекватности работы физиологических систем.

В отличие от биологии, эволюционные идеи для лингвистики не являются признанными. Тем не менее в XIX столетии, когда началось систематическое изучение языка, предпринимались не всегда успешные попытки применения к описанию языка методов, характерных для естественных наук [Schleicher, 1873]. Такие попытки не воспринимались всерьез до сравнительно недавнего времени, хотя этими проблемами занимались такие крупнейшие языковеды, как Сепир [Sapir, 1949] и Есперсен [Jespersen, 1964]. Основная мысль, проводимая в работах этого направления, сводилась к тому, что человеческие языки развиваются, становясь более эффективными. Этот факт вполне тривиальный для биологии и совершенно парадоксальный для языкознания. В XX веке эти идеи не получили поддержки: Соссюр [Saussure, 1931], Якобсон [Jakobson, 1931, 1966] и другие последователи этого направления (вплоть до Хомского [Chomsky, 1957]) описывают язык прежде всего как статичную систему с набором правил соединения и замены элементов, без учета развития эволюции языков – от праязыков к современным.

Тем не менее со времени возникновения и широкого распространения в XIX веке сравнительных лингвистических исследований обсуждаются вопросы универсальных и типологических черт в языках, родственных и далеких друг от друга, закономерности их развития, которые прослеживаются на разных уровнях – от фонологического до построения предложения. Стремительно развиваются работы по реконструкции протоязыков [Гамкрелидзе, Иванов, 1984]. Общие черты эволюции языка можно проследить на примере семьи индоевропейских языков, так как они наиболее полно изучены и в течение длительного интервала времени – шести-семи тысяч лет. Оказалось, что закономерности, найденные при изучении индоевропейских языков, приложимы к эволюции других групп языков – хамито-семитских, финно-угорских, алтайских и др. [Иванов, 1982; Елизаренкова, 1982].

Изменения, наблюдаемые в разных языках, могут существенно отличаться: одно и то же значение в зависимости от типа языка может быть выражено разными способами – сменой тона при том же звуке речи в тональных языках (китайский, бирманский, вьетнамский) или сменой самой фонемы в языках других фонологических типов. Важно также помнить, что лингвистические признаки «рассыпаны» по разным языкам мира, и не обязательно они присутствуют в каждом отдельном языке. Системы нижестоящего уровня в языке представляют собой компоненты систем более высокого уровня: так, элементы самого нижнего уровня (фонемы) лишь косвенно выполняют собственно функцию языка – коммуникацию или выражение мысли. Роль большинства элементов языка заключается в обслуживании вышележащего уровня, чем и обеспечивается его функционирование.

Несмотря на все сказанное, эволюционные процессы в языке, характеризующие сопоставимые, хотя и иным способом выраженные явления, обнаруживаются вполне отчетливо, подобно тому как основные черты эволюции прослеживаются в ходе эволюции разных групп животного мира.

Для междисциплинарного анализа принципов эволюции перспективно сопоставление данных исторической лингвистики о развитии языков, с одной стороны, и, с другой стороны, онтогенетических данных, касающихся усвоения ребенком первого языка.

Существенное значение имеют работы по моделированию звукопроизводящего аппарата ископаемых антропоидов и синтезированию звуков, которые могли быть этим аппаратом произнесены; важно также сопоставление этих данных с общим когнитивным уровнем древних людей и данными антропологии о развитии определенных зон мозга [Lieberman, 1976; Бунак, 1980; Wind, 1976; Leiner, Leiner, 1991]. Полезная для обсуждаемой темы информация содержится в работах по нейролингвистике, касающихся языковых функций в связи с механизмами работы мозга [Прибрам, 1975; Лурия, 1979; Балонов, Деглин, Черниговская, 1985; Chernigovskaya, 1992].

Термины биологической эволюции в последнее время пытаются приложить к развитию языка: говорят о педоморфизме, неотении, рекапитуляции, гибридизации языков, моногенезе и полигенезе и т. д. Наиболее существенным вкладом в этот аспект проблемы являются работы Бишакджана [Bichakjian, 1988, 1991]. В этой статье будут кратко рассмотрены лишь сведения по эволюции языка на примере наиболее изученных – индоевропейских.

Как отмечалось выше, интерес представляет сопоставление естественных и искусственных языков. Языки программирования, в отличие от естественных, предназначены для общения между человеком и вычислительной машиной. По сравнению с физиологическими системами эволюция языков программирования очень коротка по времени и берет свое начало с конца 1950-х годов. Теоретическую основу языков программирования составляет концепция Хомского о формальных грамматических структурах. В данной работе остановимся только на языке BASIC [Кетков, 1988], который на начальном этапе своего развития почти не признавался профессионалами – программистами и считался языком для начинающих. Расцвет языка BASIC связан с широким распространением персональных компьютеров. Современные версии BASIC почти достигли возможностей языков высокого уровня, как PL-1, PASCAL, СИ, что делает рассмотрение эволюции этого языка особенно интересным.

В языке программирования как в эволюционирующей функциональной системе можно выделить следующие структурные уровни: идентификатор, оператор, процедура и программа. Простейший элемент языка – символ – выделять в качестве эволюционирующей единицы нет смысла, так как набор символов практически не меняется и больше связан с устройствами ввода-вывода, чем с конструкцией языка программирования. Идентификатор, точнее, имя идентификатора [Баррон, 1980] – это уже название некоторого объекта, связанного ссылкой с некоторой областью памяти вычислительной машины. Оператор уже способен к некоторой элементарной переработке информации. Например, простейший оператор присваивания пересылает значение некоторого объекта в новую область памяти и придает ему новое имя. Следующий структурный уровень – процедура, которая способна к выполнению достаточно сложных действий и обладает определенной степенью замкнутости и автономности. Программа целиком служит для выполнения какой-то определенной вычислительной или информационной задачи.

Аналогия между гомеостатической системой и программой на языке BASIC заключается в том, что идентификаторы подобно специализированным клеткам являются элементами функциональной системы, способными к выполнению элементарных действий, но не функций всей системы. Следующий уровень – нефрон и оператор уже способны к выполнению определенных преобразований вещества или информации. Орган, например почка, как и процедура, обладает определенной морфологической и функциональной обособленностью и автономией.

В ходе дальнейшего изложения будут рассмотрены принципы эволюции функций, характерных для всех четырех уровней раздельно для каждой из трех анализируемых нами систем.

* * *

Эволюция функций на клеточном уровне

Выделительные органы у Metazoa состоят из специализированных клеток, которые в разной степени способны к ультрафильтрации веществ из крови или внеклеточной жидкости; клетка этих органов осуществляет обратное всасывание профильтровавшихся веществ, секретирует ряд веществ из крови в просвет канальца, осуществляет синтез новых соединений, необходимых для более эффективного удаления веществ из организма; почки участвуют также в осуществлении инкреторной, эндокринной функции. Выполнение клетками всех перечисленных функций, очевидно, связано с необходимостью направленного транспорта веществ (в самой общей форме из крови в мочу или из канальцевой жидкости в кровь), с секрецией веществ из клетки в кровь или мочу. Первичным актом в происхождении выделительного органа была специализация исходных клеток, основанная на возникновении полярной, асимметричной клетки, способной к направленному транспорту веществ. Это было связано с формированием разных свойств апикальной и базальной плазматических мембран, распределением в одной из них преимущественно ионных каналов, в другой – ионных насосов, рецепторов для гормонов и медиаторов, с изменением расположения внутри клетки митохондрий [Наточин, 1976]. Следовательно, в основе эволюции клетки выделительного органа лежит образование асимметричной клетки, то есть специализация клетки.

В основе эволюции функций почки позвоночных, особенно у эндотермных по сравнению с эктотермными, лежит увеличение энерготрат, энергетического обмена, кровотока. Это находит отражение в увеличении интенсивности процессов транспорта веществ в клетке, усилении трансцеллюлярных транспортных потоков.

В конечном счете важным принципом эволюции функций клетки служит интенсификация ее функций, что находит отражение в увеличении числа митохондрий, повышении потребления кислорода, большей активности ферментов окислительного метаболизма и т. п.

При сопоставлении в гомологичном ряду нефронов почки у представителей различных классов позвоночных от миксин до млекопитающих очевидно возрастание числа морфологически и функционально различных типов клеток, иначе говоря, эволюция функций связана с дифференцировкой клеток нефрона. Это может быть связано с упрощением ряда функций клетки, повышением (или утратой) только отдельных форм исходной активности клетки, например способности к всасыванию аминокислот, моносахаров.

Эволюция функций клетки сопровождается увеличением ее способности воспринимать и реагировать на внешние воздействия, точнее выполнять свои функции в организме. Это находит отражение в возрастании количества специфических рецепторов для разного типа гормонов и медиаторов и систем внутриклеточной реализации сигналов.

Эволюция функций клеток в целостной системе связана не только с эффективностью дистантно действующих регуляторов (гормонов, медиаторов), но и с межклеточными взаимодействиями, что сопровождается специализацией зон клеточных контактов. Изменение характера проницаемости стенки нефрона для отдельных типов ионов, например С1 в начальной и конечной частях проксимального сегмента, осмотической проницаемости разных участков дистального сегмента и собирательных трубок сыграло важную роль в эволюции почки и формировании системы осмотического концентрирования мочи.

Эволюция функций фонемы

Фонема – это минимальная звуковая единица языка, дающая возможность различать значения разных слов и морфем.