Как у людей менялась длина рук и ног
В ходе эволюции некоторые кости человека не подчинялись экологическим закономерностям.
Человек со времени своего возникновения прошёл долгий эволюционный путь и сильно изменился. Как и в случае других живых существ, на него действовал естественный отбор, то есть выживали и/или оставляли больше потомства в популяции только те, кто обладал признаками, наиболее выгодными в конкретных обстоятельствах. Но что это были за обстоятельства? И какие именно признаки оказались эволюционно более выгодными? Человек (как и любое другое живое существо) устроен довольно сложно, так что, очевидно, разные особенности строения формировались под давлением разных условий.
Исследователи из Университета Теннесси попытались выяснить, какие эволюционно-экологические факторы влияли на длину человеческих рук и ног. До сих пор считалось, что человек в отношении конечностей подчиняется двум известным экологическим законам: правилу Аллена и правилу Бергмана.
По правилу Аллена, у теплокровных животных со сходным образом жизни выступающие части тела (то есть ноги, уши, хвосты и т. д.) будут меньше в холодном климате и больше – в тёплом. Особенно хорошо это проявляется, например, у лис: у северного песца самые маленькие уши и короткая морда, а у пустынного фенека всё наоборот – большие уши и длинная морда.
Правило Бергмана говорит в целом о величине тела: согласно ему, те из теплокровных, что живут в холодном климате, будут крупнее тех, что живут в тепле. Например, самые крупные медведи – арктические белые, а самые мелкие – очковые из Южной Америки. Правило Бергмана также выполняется для многих близких видов и для популяций внутри одного вида (иными словами, не стоит сравнивать слонов с леммингами).
С физиологической точки зрения оба правила говорят об одном и том же – об экономии тепла. Общая теплопродукция у теплокровных зависит от объёма тела, а скорость теплоотдачи – от площади его поверхности. При увеличении размеров организмов объём тела растет быстрее, чем его поверхность, так что в холодных широтах выгодно быть большим. Выступающие части тела, в свою очередь, сильно увеличивают поверхность и слабо увеличивают объём, так что ради экономии тепла уши, ноги и прочее должны быть поменьше.
Довольно долго считалось, что правила Аллена и Бергмана выполняются и для людей, и потому у экваториальных и тропических народов руки и ноги будут длиннее, а у северных – короче. Кристен Савейл (Kristen R. R. Savell) и её коллеги ещё раз перепроверили это на людях из Северной Африки, из так называемой Чёрной Африки, которая лежит к югу от Сахары, из Европы и из Арктики – всего 14 популяций и 400 индивидуумов.
Конечности сравнивали не целиком, а по костям: плечевые и лучевые кости в руках, бедренные и большие берцовые кости в ногах. Насчёт лучевой и большой берцовой костей всё подтвердилось: они действительно укорачивались при движении к северу. Бедренная кость тоже менялась в размере, однако, как говорится в статье в PNAS, изменения в нём не были связаны с окружающим климатом.
Что же до плеча, то оно, вопреки правилу Аллена, у северных популяций становилось длиннее, а не короче – по мнению авторов работы, тут свою роль сыграли генетические взаимовлияния: укорочение лучевой и большой берцовой костей через какой-то внутренний молекулярный механизм спровоцировали удлинение плечевой кости.
Тут стоит заметить, что правило Бергмана (и примыкающее к нему правило Аллена) вовсе не универсально – из него есть исключения, и сейчас про него говорят, что оно носит статистический характер и отчётливо проявляется лишь при прочих равных условиях. На размеры животных влияют и другие факторы, кроме температуры, а приспосабливаться к суровому климату можно разными способами, например, перенастраивая свою биохимию.
В случае с разными человеческими популяциями видно, как один признак (длина конечностей) распадается на несколько (длина разных костей), так что правило может действовать и не действовать в пределах одного и того же вида, и что рассматривая такие комплексные признаки, следует всегда помнить о влиянии генов друг на друга.
Всё это, очевидно, относится не только к рукам и ногам, но и к другим характерным особенностям организма, чью эволюционную историю мы пытаемся восстановить.
.
Нейтрино расскажут, почему мы существуем
Новые результаты нейтринной физики объясняют, почему во Вселенной преобладает материя.
T2K представила на проходящей в Чикаго Международной конференции по физике высоких энергий доклад с результатами исследования нейтрино. В частности, речь идет о различных превращениях нейтрино и антинейтрино, что свидетельствует о нарушении CР симметрии.
Возникшая в результате Вселенная должна быть симметричной: в ней должно существовать одинаковое количество материи и антиматерии. За это отвечает так называемая CР симметрия, принцип, согласно которому законы физики должны быть такими же, если физическую систему отразить в зеркале, а всю материю поменять на антиматерию. Однако сегодня во Вселенной преобладает материя, благодаря чему мы и существуем. Иначе наша Вселенная содержала бы только фотоны в результате неизбежной аннигиляции материи и-антиматерии. Почему это именно так – один из самых интригующих вопросов во всей науке.
Объяснить наблюдаемое преобладание материи над антиматерией можно только при условии нарушения CP симметрии. Такое нарушение впервые обнаружено еще в 1964 году (Нобелевская премия 1980 года). Оно позволяет очень тяжелым нейтральным частицам распадаться на нейтрино с немного более высокой скоростью, чем на антинейтрино, что создает первоначальный дисбаланс в количестве вещества и антивещества. Без этого процесса мы не могли бы существовать.
Нейтрино представляют собой слабовзаимодействующие с веществом элементарные частицы, существующие в трех видах – «ароматах»: электронное, мюоное и тау нейтрино и антинейтрино, которые могут превращаться друг в друга (осциллировать). Если для них происходит нарушение СР симметрии, то оно будет проявляться в виде разницы вероятностей осцилляций нейтрино и антинейтрино.
В эксперименте T2K (Tokai to Kamioka, «Токай в Камиоку») физики в первую очередь исследуют превращение мюонных нейтрино в электронные нейтрино, впервые обнаруженные в нем в 2011 году. Существующее оборудование позволяет осуществить наиболее точные на сегодняшний день измерения вероятности этих осцилляций и разности между массами нейтрино. Пучок мюоных нейтрино или антинейтрино производится на ускорителе протонов исследовательского комплекса J-PARC, расположенного в деревне Токай на восточном побережье Японии. Затем он проходит 295 км и поступает в гигантский подземный детектор Супер-Камиоканде в Камиока, недалеко от западного побережья Японии. В состав коллаборации T2K входят около 500 исследователей из 61 института 11 стран, в том числе из московского Института ядерных исследований РАН.
В наблюдаемая вероятность появления электронного антинейтрино оказалась ниже, чем следовало ожидать в предположении, что СР-симметрия сохраняется. Так при наличии сохранения СР-симметрии на 23 нейтрино должно приходиться примерно 7 антинейтрино, в то время как было зарегистрировано 32 электронных нейтрино и всего 4 электронных антинейтрино.
Физики осторожничают, говоря о том, что результаты T2K отнюдь не окончательное открытие. Скорее, это первый важный шаг к выяснению вопроса о причинах преобладания материи во Вселенной.
Как мозг учится читать
К тому времени, как мы начинаем учиться читать, в нашем мозге уже есть специальная область со всей нейронной инфраструктурой, которая готова заняться распознаванием слов.
В мозге человека есть зона чтения – её функция состоит в том, чтобы распознавать написанные слова, воспринимать их не просто как какие-то изображения, а как языковые символы. Но читать человек научился совсем недавно, несколько тысяч лет назад, по эволюционным меркам всего ничего. То есть если бы здесь работал естественный отбор, то понадобилось намного больше времени, чтобы среди людей закрепилось преимущество за теми, кто может разбирать письменный язык и чтобы в мозге оформилась зона чтения.
Вообще говоря, в коре полушарий есть несколько таких участков, которые, как может показаться, появились неким странным образом, но у нейробиологов есть для них вполне удовлетворительное объяснение: зоны со своеобразной специализацией, которые занимаются чтением, распознаванием лиц и т. д. получили свои функции благодаря уже существующим связям с другими областями коры. Иными словами, когда возникала какая-то своеобразная нужда, мозг использовал уже сформированную инфраструктуру. Проверить эту гипотезу непросто, но всё-таки можно, и тут очень кстати пришлась всё та же зона чтения.
Нэнси Кэнвишер (Nancy Kanwisher) и её коллеги из Массачусетского технологического института сканировали мозг у детей сначала в 5 лет, а потом в 8 лет, то есть до и после того, как те начинали читать. Исследователей интересовала веретенообразная извилина, в которой зона чтения как раз и возникает.
Авторы работы не просто анализировали её активность, но и оценивали, как она связана с остальным мозгом. У пятилетних детей, как и ожидалось, никакой «читательной» активности в веретенообразной извилине не проявлялось, но при том характерные связи с другими зонами у неё уже сформировались – в частности, были налажены контакты с языковыми анализаторами.
Тут стоит заметить, что чтение не тождественно языковой способности вообще: задача зоны чтения в том, чтобы узнать слово, прочесть его и отправить собранную информацию в языковой отдел. И вот специфические каналы связи, по которым слово передаётся в языковой анализатор, у зоны чтения уже были, только эти каналы пока не работали.
В строении мозга у разных людей есть вариации, и зона чтения у одного человека может «проснуться», пусть и рядом, но всё-таки не совсем на точно том же месте, что и у другого человека. Однако архитектура вышеупомянутых информационных каналов уже в «дочитательском» возрасте была настолько чёткой, что по ним можно было заранее точно определить, где именно проявит себя зона чтения, когда ребёнку стукнет 8 лет и он уже научиться читать. Полностью результаты экспериментов опубликованы в Nature Neuroscience.
Иными словами, нейронный «департамент» в зрительной коре, отвечающий за распознавание слов, формируется не одновременно с обучением чтению – к тому времени он уже предсуществует благодаря соответствующей нейронной инфраструктуре, тянущейся из языковых центров.
Как и почему эти контакты образуются на ранних этапах жизни, пока неясно, однако не стоит искать целеполагающих объяснений – скорее всего, и зона чтения, и её характерные связи могут ранее использоваться для других целей. Так, авторы работы предполагают, что данная область, прежде чем начать заниматься словами, распознаёт какие-то другие сложные объекты.
Возможно, проблемы с чтением, вроде дислексии, связаны как раз с тем, что зона распознавания слов никак не переключится на новую задачу, или же её связи с языковыми центрами сложились как-то не так, и потому есть надежда, что подобные исследования помогут нам не только точно такие расстройства, но и найти способ избавления от них.
.


