VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Биофизика сложных многокомпонентных систем. Математическое моделирование. Биоинформатика

О времени возникновения познавательной способности в ходе биологической эволюции

В.А. Антонец1,2*

1.Институт прикладной физики РАН;
2.Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевсчкого;

* antonetsva(at)gmail.com

За последний век для многих видов животных этологами достоверно установлено наличие познавательной способности, т.е. способности в определенном объеме воспринимать окружающий мир и, в соответствии с этим, управлять своими действиями. Разумеется, у разных исследованных биологических видов она оказалась реализованной в разных формах и использует разные способы получения и использования информации об окружающем мире и о себе.

В силу разнообразия как механизмов познавательной способности, так и занимаемых эволюционных ниш выработать разумные критерии сравнения этой способности у различных видов, включая человека, не так легко.

Различные направления палеонтологии позволяют по обнаруженным следам с той или иной точностью реконструировать время происхождения и условия жизни тех или иных видов. Поэтому вопрос об установлении времени возникновения познавательной способности у многоклеточных животных смотрится как естественный.

Проведенный в работе анализ опирается на то общеизвестное обстоятельство, что характерный размер одноклеточных организмов, составлял и до нынешнего времени составляет 10 – 100 мкм. Из самого факта существования одноклеточных следует, что такой размер позволяет использовать диффузионную доставку внутрь клетки кислорода из окружающей среды в качестве механизма дыхания, обеспечивающего пластические и энергетические процессы, необходимые для существования и воспроизводства одноклеточных.

При появлении многоклеточных механизм дыхания каждой из клеток остался диффузионным, каким и был у одноклеточных. Механизм питания изменился и стал диффузионным, так как встроенные в единый организм клетки не могут поглощать себе подобных, как это происходит у одноклеточных.

Однако энергетическое и пластическое обеспечение каждой из клеток макроскопического организма за счет прямого диффузионного всасывания веществ из окружающей среды через его внешнюю оболочку, невозможно поскольку это весьма медленный процесс.

Многоклеточные животные оказались жизнеспособными, осуществив переход к другому типу питания. Не являясь автотрофами, они могут быть только консументами, употребляющими в пищу сопоставимые с ними по размеру фрагменты других многоклеточных – растений и животных, вплоть до поглощения добычи целиком.

Однако, для этого надо, чтобы консумент и его жертва могли приблизиться друг к другу. Поэтому многоклеточные животные должны обладать макроскопической подвижностью в масштабах существенно превышающих размер их тела.

Но если в локомоционный аппарат не интегрирована навигационная система, то перемещения многоклеточного организма не могут быть упорядоченно направленными. Траектория такого мотивированного, но неупорядоченного движения выглядит как запутанная кривая с самопересечениями. Поэтому консумент и пища могут приблизиться друг к другу только случайно. В примитивных случаях, скажем, когда мелкое многоклеточное поглощает одноклеточных, вероятность приближения, по-видимому, бывает достаточной для жизнеобеспечения.

Таким образом, направленное (не хаотическое) движение — это признак наличия у многоклеточного животного механизма навигации. Этот механизм, в свою очередь, предполагает наличие сенсоров той или иной физической природы, которые позволяют обнаружить в окружающем мире удаленную цель (пищу или угрозу). Он также предполагает способность животного использовать навигационную информацию для управления локомоциями. Это возможно только при наличии у него внутренней модели и сенсоров состояния собственного тела.

Всё вместе это и есть самостоятельный элемент познавательной способности, т.е. способности воспринять окружающий мир и использовать полученные сведения для осуществления необходимых для выживания действий. Любой факт направленного движения животного однозначно подтверждает наличие у него познавательной способности.

Таким образом, время возникновения познавательной способности у многоклеточных животных может быть оценено двумя способами: а) по датировке первых палеонтологических следов направленного движения и б) по сопоставлению эволюционного возраста последнего общего предка способных и неспособных к упорядоченному движению родственных видов.

Можно определенно утверждать, что когнитивная способность (интеллект) возникла не позднее 520 миллионов лет назад. Это соответствует возрасту Diania cactiformis, которая, как известно, была способна двигаться направленно (doi:10.1038/nature09704).

Полученный вывод несколько обескураживает своей простотой. Однако подобные простые доказательства важных научных положений, меняющих представление о мире, встречались и раньше. Например, так же просто выглядит демонстрация гелиоцентрической организации нашей планетной системы, основанная на открытии Галилеем фаз Венеры с помощью простейшего телескопа.

Предложенный подход намеренно укрупнен. Он не предназначен для рассмотрения всех деталей и исключений. Но он позволяет сформулировать новые задачи для когнитивных и палеонтологических наук, направить их внимание на изучение эволюции познавательной способности вплоть до возникновения мышления, как элемента познавательной способности.



Автор благодарен А.К. Лабуцкому, С.В. Голубеву, В.Е. Турлапову и А.Ю. Журавлева за поддержку и плодотворные обсуждения.



Работа профинансирована Министерством науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания ИПФ РАН, проект № FFUF-2021-0014

On the estimation of the emergence of cognitive ability during biological evolution

V.A. Antonets1,2*

1.Institute of Applied Physics RAS;
2.Lobachevsky University;

* antonetsva(at)gmail.com

In the last century, the presence of cognitive ability, i.e. the ability to perceive the surrounding world to a certain extent and act accordingly, has been reliably established for many animal species by ethologists. Of course, this ability was realized in different forms and used different methods of obtaining and using information about the surrounding world and oneself among different researched biological species.

Due to the diversity of mechanisms of cognitive ability and evolutionary niches occupied, it is not easy to establish reasonable criteria for comparing this ability among different species, including humans.

Paleontology is a scientific field that reconstructs the time of origin and living conditions of various species based on discovered evidence. This leads to the natural question of determining the time when multi-cellular animals first developed the ability to perceive.

The analysis in this work is based on the well-known fact that the size of single-celled organisms has been and still is 10-100 micrometers. The existence of single-celled organisms implies that this size allows for the use of diffusion to deliver oxygen from the surrounding environment into the cell for breathing, which is sufficient for the plastic and energy needs of single-celled organisms to exist and reproduce.

With the appearance of multicellular organisms, the biological mechanism of respiration remained diffusion-based while the mechanism of nutrition became diffusion-based. The cells integrated within the organism cannot consume each other.

However, the energy and plastic supply of each cell in the macroscopic organism due to direct diffusion absorption of substances from the environment through its outer shell is not possible because it is a very slow process.

Multicellular animals have proven to be viable by transitioning to a different type of nutrition. Not being autotrophs, they can only be consumers, consuming comparable in size fragments of other multicellulars - plants and animals, including the consumption of prey in its entirety.

However, this requires that the consumer and its victim be able to approach each other. Therefore, multicellular animals must possess macroscopic mobility that far exceeds the size of their body.

However, if a navigation system is not integrated into the localization apparatus, the movements of the multicellular organism cannot be ordered. The trajectory of such motivated but unordered movement looks like a tangled curve with self-intersections. Therefore, the consumer and food can only approach each other by chance. In primitive cases, for example, when a small multicellular organism consumes unicellular ones, the probability of approach appears to be sufficient for survival.

Thus, directed (not chaotic) movement is a sign of the presence of a navigation mechanism in multicellular animals. This mechanism, in turn, assumes the presence of sensors of one or another physical nature that allow one to detect a remote goal (food or threat) in the surrounding world. It also assumes the ability of the animal to use this information to control its own movements, i.e. to direct them towards the target.

All together, this is the independent element of cognitive ability, i.e. the ability to perceive the surrounding world and use the information received to carry out necessary actions for survival. Any fact of directed animal movement confirms the presence of cognitive ability in it.

Thus, the emergence of cognitive ability in multicellular animals can be estimated in two ways: a) by dating the first paleontological traces of directed movement, and b) by comparing the evolutionary age of the last common ancestor of capable and incapable relatives capable of ordered movement.

It can definitely be stated that cognitive ability (intelligence) emerged no later than 520 million years ago. This corresponds to the age of Diania cactiformis, which was known to be capable of directed movement (doi:10.1038/nature09704).

The obtained conclusion is somewhat disappointing in its simplicity. However, such simple proofs of important scientific positions that change the world view have been encountered before. For example, the demonstration of the heliocentric organization of our planetary system, based on Galileo's discovery of the phases of Venus using the simplest telescope, also looks simple.

The proposed approach is intentionally oversimplified. It is not intended to consider all the details and exceptions. But it allows formulating new tasks for cognitive and paleontological sciences, directing their attention to the study of the evolution of cognitive ability up to the emergence of thinking as an element of cognitive ability.



The author is grateful to A.K. Labutsky, S.V. Golubev, V.E. Turlapov and A.Yu. Zhuravlev for their support and productive discussions.



The study has been supported in the frames of the Governmental Project of the Institute of Applied Physics RAS (Project#FFUF-2021-0014).



The text translated from Russian to English using https://chat.openai.com



Докладчик: Антонец В.А.
278
2023-02-08

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists