Vi människor förundras över våra stora hjärnor, som har gjort oss till de mest avancerade djuren på planeten. Men att driva dem kräver mycket energi. En ny studie tyder på att vi betalade ett högt pris för att vara så smarta. Under vår utveckling blev människan svagare i förhållande till andra primater och bytte ut muskler mot hjärnor.

Med en genomsnittlig volym på 1 400 kubikcentimeter är våra hjärnor tre gånger så stora som hjärnorna hos våra närmaste levande evolutionära kusiner, schimpanserna. Forskarna diskuterar varför våra hjärnor blev så stora, men en sak är säker: hjärnan är ett dyrt organ. Våra hjärnor förbrukar 20 procent av vår energiförbrukning när vi vilar, vilket är mer än dubbelt så mycket som hos schimpanser och andra primater. På 1990-talet undersökte brittiskaDe föreslog vad de kallade hypotesen om dyra vävnader och hävdade att människans matsmältningssystem, som använder mycket energi för att metabolisera vår mat, hade minskat avsevärt för att hjälpa till att betala det priset.

För att se vilka andra avvägningar som kan ha skett undersökte en grupp under ledning av Philipp Khaitovich, biolog vid CAS-MPG Partner Institute for Computational Biology i Shanghai, Kina, energianvändningsprofilerna för fem olika vävnader i fyra djurarter. Tre av vävnaderna fanns i hjärnan: den prefrontala hjärnbarken (involverad i avancerad kognition), den primära visuella hjärnbarken (som behandlar synen) och den cerebellära hjärnbarken (nyckel till motorisk kontroll). De andra två vävnaderna var njurarna och lårmusklerna. Djurarterna i studien var människor, schimpanser, rhesusapor och möss, vars vävnader provtogs strax efter deras död.

Istället för att mäta energiförbrukningen direkt använde forskarna en proxyindikator som kallas metabolom – en uppsättning små molekyler, eller metaboliter, som antingen ger bränsle till levande vävnader eller bygger upp deras strukturer, inklusive aminosyror, fetter, sockerarter, vitaminer och andra föreningar. Teamet upptäckte cirka 10 000 olika metaboliter i varje vävnadstyp och jämförde de metaboliska och genetiska skillnaderna mellan dessa olika djur med hjälp av ett urval av 14 individer från var och en av de fyra arterna. Som forskarna rapporterar idag i PLOS Biology var skillnaderna i metabolomprofiler mellan möss, apor och schimpanser inte större än de relativt små genetiska skillnaderna mellan dem, vilket innebär att evolutionen troligen inte hade förändrat någon av deras vävnader nämnvärt. Det fanns inte heller tecken på betydande evolutionära förändringar i människans njure eller i den visuella eller cerebellära cortexen.

Däremot var metabolomprofilen i människans prefrontala cortex dramatiskt förändrad jämfört med den hos andra primater: Genom att använda uppdelningen mellan människa och mus (för 130 miljoner år sedan) och mellan människa och apa (för 45 miljoner år sedan) som baslinjer beräknade teamet att metabolomet hade utvecklats fyra gånger snabbare än schimpansens under de cirka 6 miljoner år som gått sedan människans och schimpansens linjer delades upp. (De genetiska skillnaderna mellan de två arterna är däremot bara cirka 2 %.)

Detta resultat var inte chockerande, med tanke på de berg av bevis för den mänskliga hjärnans större kognitiva förmåga jämfört med andra primater. Vad som däremot överraskade teamet var skillnaderna i profilerna hos primatens och människans skelettmuskulatur: människans metabolom hade utvecklats mer än åtta gånger snabbare än schimpansernas sedan de två arterna gick skilda evolutionära vägar.

För att försäkra sig om att denna skillnad inte bara berodde på skillnader i miljö och kost utsatte teamet aporna för något som liknade den moderna människans livsstil. Forskarna tog 12 makakapor och delade in dem i två grupper om sex vardera. Den ena gruppen sattes i individuella, ensamma burar för att begränsa hur mycket motion de kunde få, och matades med en tillagad kost som var rik på fett och socker; den andra gruppen sattes i ensamma burar men matades med en normal kost med rå vegetabilisk föda. När dessa 12 försökspersoner jämfördes med en kontrollgrupp bestående av 17 apor som fick normal kost och fick leka utomhus i familjegrupper, var skillnaderna i deras metabolom minimala och uppgick till högst 3 % av de metaboliska förändringar som upptäcks hos människor. Det utesluter kost- eller miljöförklaringar till skillnaderna, konstaterar forskarna.

Slutligt utförde teamet ett nyckeltest: att jämföra styrkan hos makaker, schimpanser och människor. Även om mycket begränsade tidigare studier hade antytt att människan var den svagare arten när man tar hänsyn till kroppsstorlek, hade inga systematiska jämförelser gjorts. Forskarna utformade därför ett experiment där makaker, schimpanser och människor var tvungna att dra en justerbar vikt med all sin styrka, med hjälp av musklerna i både armar och ben (se video). Aporna och schimpanserna motiverades av sin önskan att få tag på en matbelöning, medan människorna – som bestod av fem universitetsbasketspelare och fyra professionella klättrare – motiverades av forskarnas uppmaningar att göra sitt tävlingsmässiga bästa. Resultatet: När forskarna undersökte eventuella strukturella skillnader mellan schimpansens och människans lårmuskler fann de inga sådana, vilket gör att ännu okända skillnader i energianvändning är den mest sannolika förklaringen. Och även om forskarna varnar för att skillnaderna mellan människor och andra primater delvis kan ha berott på olika nivåer av motivation när de drog vikter, tyder konsekvenserna av resultaten på att människor verkligen är svagare överlag. Forskarna antar att den parallella utvecklingen av större hjärnor och svagare muskler i människans släktlinje kanske inte är en tillfällighet, utan snarare beror på en ”omfördelning” av energiresurser mellan de två vävnaderna. Idén om en sådan avvägning ”är en mycket enkel hypotes”, säger Khaitovich, ”men i evolutionen är enkla förklaringar ofta de bästa.”

Aiello, som nu är ordförande för Wenner-Gren Foundation for Anthropological Research i New York, säger att den senaste forskningen har antytt att ”de energimässiga avvägningar som är relevanta för hjärnans utveckling är mer komplexa” än vad hon och Wheeler ursprungligen hade föreslagit i sin hypotes om hjärnan kontra tarmen, och att ”det här arbetet visar på en annan möjlig avvägning mellan hjärnans och skelettmuskulaturens metabola krav.”

Aiello och andra forskare tror dock att människor inte bara blev svagare, utan började använda sina muskler på olika sätt som krävde mindre total styrka, till exempel för uthållighetslöpning under jakt eller andra aktiviteter – en idé som har förespråkats av Daniel Lieberman, antropolog vid Harvard University.

Lieberman säger att den nya artikeln ”är väldigt häftig och intressant”, men han köper inte dess förslag om en avvägning mellan hjärna och muskler under människans utveckling. ”Människor är mindre starka än schimpanser, men jag tror inte att vi är mindre atletiska”, säger Lieberman. Han hävdar därför att människor fortfarande använde en stor mängd muskelkraft, men att de använde den till uppgifter som förbättrade deras överlevnad på lång sikt snarare än till brutala kraftprestationer. Med våra större och smartare hjärnor, säger Lieberman, har vi människor hittat på sätt att vara mer energieffektiva genom att bli effektivare jägare, lära oss att laga mat och dela resurser mellan större grupper. Med andra ord, i den evolutionära tävlingen går segern ibland till den smartaste snarare än den starkaste.

(Video: Kasia Bozek)