Не сделает ли птицу человеческое разумение слишком дорогим для полета?

Мы не знаем, что необходимо для интеллекта человеческого уровня, поэтому давайте возьмем за отправную точку человеческий мозг и рассмотрим три характеристики:

• вес : наш мозг весит около 1,5 кг. Как отмечает @Slarty, некоторые люди проявляют интеллект с удаленной почти половиной мозга, так что, вероятно, есть место для маневра.
• калории : нашему мозгу требуется не менее 260 ккал в день, чтобы функционировать .
• кровоснабжение : нашему мозгу требуется около 750 миллилитров в минуту, или 15% сердечного выброса

Известно, что самое крупное животное, способное летать, — это кетцалькоатль . По самым скромным подсчетам его вес составляет около 80 кг, с большей вероятностью 250 кг. Это ставит его в пределах досягаемости человеческого тела, так что это делает его хорошим кандидатом.

Шаг первый, вес мозга. Можем ли мы вложить 1,5 кг мозга в голову Кетцалькоатля, не сломав ничего? Одной из многообещающих целей является гигантский клюв. Если мы изменим рацион разумных птиц (и потребуем от них речи), мы сможем избавиться от 90% клюва и заменить этот вес мозгом. Я не могу найти вес черепа кетцалькоатля, но у людей весь скелет составляет около 15% от нашего веса, и, несмотря на полые кости, скелеты птиц имеют примерно такой же вес . С этой цифрой, консервативно оценивая клюв как одну двадцатую часть скелета, мы получаем экономию веса примерно на 0,5 кг, если мы укорачиваем клюв на 90%, если масса тела составляет 70 кг. Для менее консервативных оценок массы тела мы приближаемся к 1,5 кг.

Далее, калории. Для неворобьиных птиц потребление калорий на кг очень похоже на млекопитающих . При массе тела 70 кг получаем около 2000 ккал, при 200 кг получаем 5000 ккал. В любом случае, 260 килокалорий, необходимых для работы мозга, являются относительно небольшим дополнением, которое, вероятно, можно было бы уменьшить, сделав имеющуюся пищу немного более питательной (возможно, в результате увеличения интеллекта с эволюцией, как это было у людей). .

Наконец, кровоснабжение. Шея Кетцалькоатля длинная, и ей требуется мощное сердце, чтобы накачивать туда достаточно крови. Жирафы имеют аналогичную конфигурацию. Их мозг весит половину того, что весит человеческий мозг, и им требуется сердце весом 11 кг, чтобы снабжать его кровью. Добавление 10 кг к 70-килограммовому птерозавру может стать решающим фактором. У 200-килограммового зверя, вероятно, места для маневра немного больше.

Одно очевидное решение — укоротить шею. В то время как у многих крупных птиц длинная шея, у других, таких как дрофы и кондоры, шея короткая, поэтому причина, по которой у кетцалькоатля была длинная шея, может быть больше связана с кормлением, чем с аэродинамикой. Итак, начиная с (вероятно, большого) сердца, которое уже было у кетцалькоатля, если мы укоротим шею и клюв, мы сможем сохранить сердечный выброс прежним, посылая больше крови в мозг. В качестве бонуса, поскольку меньший клюв помещает центр масс черепа ближе к концу шеи, на шее требуется меньше мышечной ткани, что также означает больше крови для мозга.

Я уверен, что что-то упустил, но, глядя на эти соображения, кажется правдоподобным встроить человеческий мозг во что-то, что летает, как кетцалькоатль.

Обновление после комментария

Что мы можем сделать, если ограничимся основными размерами белоголового орлана? Подсчитано, что максимальная нагрузка на крыло (количество веса на единицу поверхности крыла) для животных составляет 20 кг/м^2. Я не могу найти поверхность крыльев белоголового орлана, но полагаю, что при размахе крыльев в 2 м достаточно одного квадратного метра (длина крыльев составляет около четверти ширины). Другими словами, белоголовый орлан намного легче своего максимального веса. У лебедей примерно такой же размах крыльев при вдвое большем весе, так что это подтверждается. У них также гораздо больше проблем при взлете, поэтому при 12 кг мы, вероятно, приближаемся к пределу того, что природа может сделать с 2-метровым размахом крыльев.

Таким образом, при весе 6 кг для стандартного белоголового орлана достаточно места, чтобы поместиться в 1,5-килограммовый мозг и при этом быть в состоянии взлететь.

Диета белоголового орлана составляет около 150 ккал, поэтому ему нужно более чем удвоить потребление до 310. Приготовленная пища и сельское хозяйство должны помочь вам в этом, но вы также можете дать гораздо более богатый естественный источник питания.

Общий сердечный выброс голубя составляет 200 мл/мин в состоянии покоя и 1000 мл/мин в активном состоянии. Предполагая, что это масштабируется линейно, сердце белоголового орлана производит около 1200 мл/мин в состоянии покоя, что нам нужно почти удвоить, чтобы приспособить новый мозг (мы можем игнорировать выход, необходимый для снабжения первоначальных 12 граммов мозга). Масса сердца и сердечный выброс имеют линейную зависимость, поэтому нам нужно удвоить размер сердца и, возможно, легких. Масса сердца человека весом 6 кг составляет не более нескольких десятков граммов, так что это легко укладывается в наш весовой бюджет. Масса легких приближается к нескольким сотням граммов, но ее все же достаточно легко удвоить без каких-либо проблем.

Наконец, при таком размере большой проблемой является объем черепа. Нам необходимо увеличить объем черепа с 16 до 1000 куб.см. Обратите внимание, что это кажется хуже, чем есть на самом деле, из-за кубического отношения между масштабом и объемом. Четырехкратного увеличения длины, ширины и высоты головы было бы достаточно. Это изменило бы пропорции головы и тела на что-то вроде тукана. Его голова составляла бы около 1/10 его тела. Было бы трудно сохранить эту аэродинамику, но сжатие мозга до минимума, необходимого для разума, размещение гораздо большего количества мозгового вещества в нервной системе и удлинение его до шеи будет иметь большое значение.

Короче говоря, я думаю, у вас получится что-то похожее на лебедя без шеи и с гигантской головой, но я думаю, что это может сработать.

В этой статье отмечается , что в ходе эволюции у птиц развился мозг, который имеет значительно более высокую плотность нейронов, чем у млекопитающих, а также говорится, что нейроны меньше, что, наряду с меньшим объемом спинномозговой жидкости для данного количества нейронов, означает большее количество нейронов на единицу. массы мозга.

Благодаря более высокой плотности нейронов (рис. 3 A–C) мозг певчих птиц и попугаев вмещает примерно в два раза больше нейронов, чем мозг приматов той же массы, и в два-четыре раза больше нейронов, чем мозг грызунов эквивалентной массы (рис. 1B).

В документе также отмечается, что у птиц более высокая доля нейронов приходится на мозжечок — часть мозга млекопитающих и птиц, отвечающую за более сложные и гибкие формы познания (у млекопитающих мантийный слой — это в основном кора головного мозга, у птиц — это кора головного мозга). только что названный паллием, но конвергентно эволюционировавший , чтобы играть аналогичную роль, см. статьи здесь и здесь о том, как он функционирует аналогично коре головного мозга млекопитающих). В статье говорится о повышенной доле нейронов в конечном мозге птиц , который у млекопитающих включает кору (маллий) и базальные ганглии (субмаллий):

Таким образом, в отличие от млекопитающих, более крупный мозг певчих птиц и попугаев содержит увеличивающуюся долю нейронов в конечном мозге и, соответственно, уменьшающуюся долю нейронов головного мозга в мозжечке и других областях мозга (рис. 4 C и D). Плотность нейронов в паллиуме птиц превышает наблюдаемую в паллиуме приматов в 3–4 раза (рис. 3А). Таким образом, конечный мозг содержит 38–62% всех нейронов головного мозга у певчих птиц и 53–78% у попугаев (рис. 4С); паллий содержит 33–55% певчих птиц и 46–61% попугаев (рис. 3D и таблица S4). Это заметно контрастирует с ситуацией, наблюдаемой у млекопитающих, у которых на мозжечок приходится большая часть общего объема мозга, но в мозжечке находится подавляющее большинство нейронов головного мозга.

В документе делается вывод:

Наше обнаружение большего, чем у приматов, количества нейронов в мантии попугаев и певчих птиц предполагает, что большое абсолютное количество телэнцефалических нейронов в этих двух кладах обеспечивает средства увеличения вычислительной мощности, поддерживая их повышенную поведенческую и когнитивную сложность, несмотря на их физический размер. меньше мозгов. Более того, короткое межнейронное расстояние, являющееся следствием чрезвычайно высокой плотности упаковки их телэнцефалических нейронов, вероятно, приводит к высокой скорости обработки информации, что может еще больше повысить когнитивные способности этих птиц. Таким образом, ядерная архитектура птичьего мозга, по-видимому, демонстрирует более эффективную упаковку нейронов и их взаимосвязей, чем многослойная архитектура неокортекса млекопитающих.

В этой статье говорится, что кора головного мозга человека имеет среднюю массу 1233 грамма, поэтому, если мы предположим, что птица с интеллектом, подобным человеческому, будет иметь примерно такое же количество нейронов в мантии, но вдвое меньше массы, которая составит около 600 граммов, и если мы предположим, что около 60% массы находится в паллии, весь мозг будет иметь массу около 1000 граммов. (Хотя может случиться так, что, хотя 60% близко к максимуму с точки зрения того, насколько преобладающим паллием может быть мозг меньшего размера, с более крупным мозгом доля массы мозга, занимаемая паллием, может быть даже больше - в этой статье отмечается , что«Хотя кора головного мозга человека является самой крупной среди млекопитающих по своим относительным размерам, составляя 75,5% (4), 75,7% (5) или даже 84,0% (6) всей массы или объема мозга, другие животные, приматы и не приматы , не сильно отстают: кора головного мозга составляет 73,0% всей массы мозга у шимпанзе (7), 74,5% у лошади и 73,4% у короткоперого кита (3)». Так что, возможно, было бы не так уж нереально иметь птицу с интеллектом на уровне человека и мозгом массой всего, скажем, 0,7 кг.)

Это немного тяжелее любого существующего мозга ( в этой статье говорится, что у ара один из самых тяжелых мозгов - около 25 граммов), но если вы предполагаете, что птица с большим размером тела, чем ара, возможно, она могла бы летать с мозгом в 1 кг. , особенно если бы он мог откинуть голову назад, чтобы положить ее на тело, как это делают пеликаны :

И в этой статье отмечается, что пеликан может весить примерно до 13,6 кг, поэтому, возможно, мозг весом около 1 кг или чуть меньше не будет слишком большим, чтобы сделать полет невозможным для птицы размером с большого пеликана. Более крупные пеликаны, такие как большой белый пеликан, имеют большой размах крыльев, в этой статье говорится, что он составляет 2,3–3,6 метра (7,4–11,8 футов), поэтому, если вам нужна птица значительно меньшего размера, это может быть сложно (если вы хотите что-то вроде умной хищной птицы, был гигантский доисторический орел в этом диапазоне размеров).

Человеческий уровень способностей может поддерживаться при значительно меньшем мозге, что видно из многих случаев, когда люди с рядом аномальных мозгов ведут нормальную или почти нормальную жизнь.

Таким образом, учитывая очень крупное тело птицы, вполне возможно, что в черепе можно было бы разместить достаточно большой мозг, чтобы обеспечить достаточно развитые когнитивные функции. Другое дело, как эта комбинация может развиваться.