Wir Menschen bewundern unsere großen Gehirne, die uns zu den fortschrittlichsten Tieren auf dem Planeten gemacht haben. Aber sie zu betreiben, kostet viel Energie. Eine neue Studie legt nahe, dass wir einen hohen Preis für unsere Intelligenz bezahlt haben. Im Laufe unserer Evolution wurde der Mensch im Vergleich zu anderen Primaten schwächer und tauschte seine Muskeln gegen sein Gehirn ein.

Mit einem durchschnittlichen Volumen von 1400 Kubikzentimetern sind unsere Gehirne dreimal so groß wie die unserer nächsten lebenden Verwandten, der Schimpansen. Während Forscher darüber diskutieren, warum unsere Gehirne so groß geworden sind, ist eines sicher: Das Gehirn ist ein kostspieliges Organ. Unser Gehirn verbraucht 20 % unserer Energie, wenn wir uns ausruhen, mehr als doppelt so viel wie bei Schimpansen und anderen Primaten. Bereits in den 1990er Jahren haben die britischenLeslie Aiello und Peter Wheeler schlugen in den 1990er Jahren die so genannte Hypothese des teuren Gewebes vor, die besagt, dass das menschliche Verdauungssystem, das viel Energie für die Verstoffwechselung unserer Nahrung verbraucht, erheblich geschrumpft ist, um diesen Preis zu zahlen.

Um herauszufinden, welche anderen Kompromisse es gegeben haben könnte, untersuchte ein Team unter der Leitung von Philipp Khaitovich, einem Biologen am CAS-MPG Partner Institute for Computational Biology in Shanghai, China, die Energieverbrauchsprofile von fünf verschiedenen Geweben bei vier Tierarten. Drei der Gewebe befanden sich im Gehirn: der präfrontale Kortex (der an fortgeschrittener Kognition beteiligt ist), der primäre visuelle Kortex (der den Sehsinn verarbeitet) und der Kleinhirnkortex (Schlüssel zur motorischen Kontrolle). Bei den beiden anderen Geweben handelte es sich um die Niere und den Oberschenkelmuskel. Bei den untersuchten Tierarten handelte es sich um Menschen, Schimpansen, Rhesusaffen und Mäuse, deren Gewebe kurz nach ihrem Tod entnommen wurde.

Anstatt den Energieverbrauch direkt zu messen, verwendeten die Forscher einen Ersatzindikator, das so genannte Metabolom, d. h. die Gesamtheit der kleinen Moleküle oder Metaboliten, die lebende Gewebe entweder mit Energie versorgen oder ihre Strukturen ausmachen, einschließlich Aminosäuren, Fette, Zucker, Vitamine und andere Verbindungen. Das Team entdeckte etwa 10.000 verschiedene Metaboliten in jedem Gewebetyp und verglich die metabolischen und genetischen Unterschiede zwischen diesen verschiedenen Tieren anhand einer Stichprobe von 14 Individuen aus jeder der vier Arten. Wie die Forscher heute in PLOS Biology berichten, waren die Unterschiede in den Metabolom-Profilen zwischen Mäusen, Affen und Schimpansen nicht größer als die relativ geringen genetischen Unterschiede zwischen ihnen, was bedeutet, dass die Evolution wahrscheinlich keines ihrer Gewebe wesentlich verändert hat. Auch bei der menschlichen Niere oder dem visuellen oder zerebellären Kortex gab es keine Hinweise auf signifikante evolutionäre Veränderungen.

Das Metabolom-Profil des menschlichen präfrontalen Kortex unterschied sich dagegen dramatisch von dem der anderen Primaten: Ausgehend von der Trennung zwischen Mensch und Maus (vor 130 Millionen Jahren) und zwischen Mensch und Affe (vor 45 Millionen Jahren) errechnete das Team, dass sich das Metabolom des Menschen in den rund 6 Millionen Jahren seit der Trennung zwischen Mensch und Schimpanse viermal schneller entwickelt hat als das des Schimpansen. (Die genetischen Unterschiede zwischen den beiden Arten betragen dagegen nur etwa 2 %.)

Dieses Ergebnis war nicht schockierend, wenn man bedenkt, dass es Berge von Beweisen für die größere kognitive Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns im Vergleich zu dem anderer Primaten gibt. Was das Team jedoch überraschte, waren die Unterschiede in den Profilen der Skelettmuskulatur von Primaten und Menschen: Das menschliche Metabolom hatte sich mehr als achtmal schneller entwickelt als das der Schimpansen, seit die beiden Spezies ihre getrennten evolutionären Wege gegangen sind.

Um sicherzugehen, dass diese Diskrepanz nicht einfach auf Unterschiede in der Umwelt und der Ernährung zurückzuführen war, setzte das Team die Affen einer Lebensweise aus, die der des modernen Menschen ähnelt. Die Forscher nahmen 12 Makaken und teilten sie in zwei Gruppen von je sechs Tieren auf. Die eine Gruppe wurde in Einzelkäfigen untergebracht, um die Bewegungsmöglichkeiten einzuschränken, und erhielt eine gekochte, fett- und zuckerreiche Nahrung; die zweite Gruppe wurde in Einzelkäfigen untergebracht, erhielt aber eine normale Ernährung mit pflanzlicher Rohkost. Als diese 12 Probanden mit einer Kontrollgruppe von 17 Affen verglichen wurden, die mit normaler Nahrung gefüttert wurden und in Familiengruppen draußen herumtollen durften, waren die Unterschiede in ihren Metabolomen minimal und betrugen nicht mehr als 3 % der beim Menschen festgestellten Stoffwechselveränderungen. Das schließt eine Erklärung für die Unterschiede durch die Ernährung oder die Umwelt aus, so die Forscher.

Schließlich führte das Team einen entscheidenden Test durch: den Vergleich der Stärke von Makaken, Schimpansen und Menschen. Obwohl sehr wenige frühere Studien darauf hindeuteten, dass der Mensch die schwächere Spezies ist, wenn man die Körpergröße berücksichtigt, gab es keine systematischen Vergleiche. Daher entwickelten die Forscher ein Experiment, bei dem Makaken, Schimpansen und Menschen ein einstellbares Gewicht mit ihrer ganzen Kraft ziehen mussten, wobei sie sowohl die Muskeln ihrer Arme als auch ihrer Beine einsetzen mussten (siehe Video). Die Affen und Schimpansen wurden durch den Wunsch motiviert, eine Nahrungsbelohnung zu ergattern, während die Menschen – darunter fünf Universitätsbasketballspieler und vier Profikletterer – durch die Ermahnungen der Forscher zu Höchstleistungen motiviert wurden. Das Ergebnis: Die Menschen waren im Durchschnitt nur halb so stark wie die beiden anderen Primaten.

Das Team räumt ein, dass noch nicht klar ist, warum die Unterschiede im Metabolom zwischen Menschen und anderen Primaten zu einer schwächeren Muskelkraft führen; als die Forscher mögliche strukturelle Unterschiede zwischen Schimpansen und menschlichen Oberschenkelmuskeln untersuchten, fanden sie keine, so dass noch unbekannte Unterschiede im Energieverbrauch die wahrscheinlichste Erklärung sind. Und obwohl die Forscher darauf hinweisen, dass die Unterschiede zwischen Menschen und anderen Primaten zum Teil auf die unterschiedliche Motivation beim Ziehen der Gewichte zurückzuführen sein könnten, deutet die Konsistenz der Ergebnisse darauf hin, dass die Menschen insgesamt tatsächlich schwächer sind. Die Wissenschaftler stellen die Hypothese auf, dass die parallele Entwicklung von größeren Gehirnen und schwächeren Muskeln in der menschlichen Abstammungslinie kein Zufall war, sondern vielmehr auf eine „Umverteilung“ der Energieressourcen zwischen den beiden Geweben zurückzuführen ist. Die Idee eines solchen Ausgleichs „ist eine sehr einfache Hypothese“, sagt Khaitovich, „aber in der Evolution sind einfache Erklärungen oft die besten.

Aiello, die heute Präsidentin der Wenner-Gren Foundation for Anthropological Research in New York City ist, sagt, dass neuere Forschungen darauf hindeuten, dass „die energetischen Kompromisse, die für die Evolution des Gehirns relevant sind, komplexer sind“, als sie und Wheeler in ihrer Hypothese „Gehirn gegen Darm“ ursprünglich angenommen hatten, und dass „diese Arbeit einen weiteren möglichen Kompromiss zwischen den metabolischen Anforderungen des Gehirns und der Skelettmuskulatur aufzeigt.“

Aiello und andere Forscher sind jedoch der Meinung, dass die Menschen nicht einfach schwächer wurden, sondern ihre Muskeln auf eine andere Art und Weise einsetzten, die weniger Gesamtkraft erforderte, z. B. für Ausdauerläufe bei der Jagd oder anderen Aktivitäten – eine Idee, die von Daniel Lieberman, einem Anthropologen an der Harvard University, vertreten wird.

Lieberman sagt, dass die neue Arbeit „sehr cool und interessant“ ist, aber er glaubt nicht an die Annahme eines Kompromisses zwischen Gehirn und Muskeln während der menschlichen Evolution. „Menschen sind weniger stark als Schimpansen, aber ich glaube nicht, dass wir weniger athletisch sind“, sagt Lieberman. So argumentiert er, dass die Menschen zwar immer noch viel Muskelkraft einsetzten, diese aber eher für Aufgaben verwendeten, die ihr Überleben langfristig sicherten, als für Kraftakte, die mit roher Gewalt verbunden waren. Mit unseren größeren und klügeren Gehirnen, so Lieberman, haben die Menschen Wege gefunden, energieeffizienter zu sein, indem sie effektivere Jäger wurden, lernten, ihre Nahrung zu kochen, und Ressourcen in größeren Gruppen zu teilen. Mit anderen Worten: Im evolutionären Wettstreit gewinnt manchmal der Klügste und nicht der Stärkste.

(Video credit: Kasia Bozek)