Wij mensen verwonderen ons over onze grote hersenen, die ons tot de meest geavanceerde dieren op de planeet hebben gemaakt. Maar het kost veel energie om ze te gebruiken. Een nieuwe studie suggereert dat we een hoge prijs betalen om zo slim te zijn. In de loop van onze evolutie werd de mens zwakker ten opzichte van andere primaten, en ruilde hij spierkracht in voor hersenen.

Met een gemiddeld volume van 1400 kubieke centimeter zijn onze hersenen drie keer zo groot als die van onze naaste levende evolutionaire neven, chimpansees. Onderzoekers debatteren over de vraag waarom onze hersenpan zo groot is geworden, maar één ding is zeker: de hersenen zijn een kostbaar orgaan. Onze hersenen verbruiken 20% van onze energie als we rusten, meer dan twee keer zoveel als chimpansees en andere primaten. In de jaren ’90 stelden de Britsede onderzoekers Leslie Aiello en Peter Wheeler de zogeheten dure-weefsel-hypothese, waarbij zij aanvoerden dat het menselijke spijsverteringsstelsel, dat veel energie gebruikt om ons voedsel te metaboliseren, aanzienlijk was ingekrompen om die prijs te helpen betalen.

Om te zien welke andere afwegingen er mogelijk hebben plaatsgevonden, bekeek een team onder leiding van Philipp Khaitovich, een bioloog aan het CAS-MPG Partner Institute for Computational Biology in Shanghai, China, de energiegebruik-profielen van vijf verschillende weefsels in vier diersoorten. Drie van de weefsels bevonden zich in de hersenen: de prefrontale cortex (betrokken bij geavanceerde cognitie), de primaire visuele cortex (die het gezichtsvermogen verwerkt), en de cerebellaire cortex (sleutel tot motorische controle). De andere twee weefsels waren de nieren en de dijspieren. De diersoorten in de studie waren mensen, chimpansees, resusapen en muizen, waarvan de weefsels kort na hun dood werden bemonsterd.

In plaats van het energiegebruik rechtstreeks te meten, gebruikten de onderzoekers een proxy-indicator die het metaboloom wordt genoemd – het geheel van kleine moleculen, of metabolieten, die ofwel levende weefsels van brandstof voorzien of hun structuren vormen, waaronder aminozuren, vetten, suikers, vitaminen en andere verbindingen. Het team detecteerde ongeveer 10.000 verschillende metabolieten in elk weefseltype en vergeleek de metabolische en genetische verschillen tussen deze diverse dieren, met behulp van een steekproef van 14 individuen van elk van de vier soorten. Zoals de onderzoekers vandaag rapporteren in PLOS Biology, waren de verschillen in metabolome profielen tussen de muizen, apen en chimpansees niet groter dan de relatief kleine genetische verschillen tussen hen, wat betekent dat de evolutie waarschijnlijk geen van hun weefsels significant had veranderd. Evenmin was er bewijs van significante evolutionaire veranderingen in de menselijke nier of de visuele of cerebellaire cortex.

Anderzijds was het metaboloomprofiel van de menselijke prefrontale cortex dramatisch veranderd van dat van andere primaten: Met behulp van de splitsing tussen mens en muis (130 miljoen jaar geleden) en tussen mens en apen (45 miljoen jaar geleden) als basislijnen, berekende het team dat het metaboloom vier keer sneller was geëvolueerd dan dat van de chimpansee gedurende de ruwweg 6 miljoen jaar sinds de menselijke en chimpansee lijnen splitsten. (De genetische verschillen tussen de twee soorten bedragen daarentegen slechts ongeveer 2%.)

Dit resultaat was niet schokkend, gezien de bergen bewijsmateriaal voor de grotere cognitieve bekwaamheid van het menselijk brein in vergelijking met dat van andere primaten. Maar wat het team wel verbaasde, waren de verschillen in de profielen van de skeletspieren van primaten en mensen: het menselijke metaboloom was meer dan acht keer sneller geëvolueerd dan dat van de chimpansees sinds de twee soorten hun eigen evolutionaire weg gingen.

Om er zeker van te zijn dat dit verschil niet gewoon te wijten was aan verschillen in omgeving en dieet, stelde het team de apen bloot aan iets dat leek op de moderne menselijke levensstijl. De onderzoekers namen 12 makaakapen en verdeelden ze in twee groepen van elk zes. De ene groep werd in individuele, eenzame kooien geplaatst om de lichaamsbeweging te beperken, en kreeg een gekookt dieet met veel vetten en suikers; de tweede groep werd in eenzame kooien geplaatst maar kreeg een normaal dieet van rauw plantaardig voedsel. Toen deze 12 proefpersonen werden vergeleken met een controlegroep van 17 apen die een normaal dieet kregen en buiten mochten ravotten in familiegroepen, waren de verschillen in hun metabolomen minimaal, niet meer dan 3% van de metabolische veranderingen die bij mensen werden waargenomen. Dat sluit dieet- of milieu-verklaringen voor de verschillen uit, concluderen de onderzoekers.

Ten slotte voerde het team een belangrijke test uit: het vergelijken van de kracht van makaken, chimpansees, en mensen. Hoewel zeer beperkte eerdere studies hadden gesuggereerd dat de mens de zwakkere soort was wanneer rekening werd gehouden met de lichaamsgrootte, waren er geen systematische vergelijkingen gedaan. Daarom stelden de onderzoekers een experiment op waarbij makaken, chimpansees en mensen met al hun kracht aan een verstelbaar gewicht moesten trekken, waarbij ze de spieren van zowel hun armen als hun benen gebruikten (zie video). De apen en chimpansees werden gemotiveerd door hun verlangen naar een voedselbeloning, terwijl de mensen – onder wie vijf universitaire basketballers en vier professionele bergbeklimmers – gemotiveerd werden door de aansporingen van de onderzoekers om hun competitieve best te doen. Het resultaat: Mensen bleken gemiddeld slechts half zo sterk te zijn als de andere twee primaten.

Het team geeft toe dat het nog niet duidelijk is waarom de verschillen in metabolome tussen mensen en andere primaten leiden tot zwakkere spierkracht; toen de onderzoekers keken naar mogelijke structurele verschillen tussen chimpansee- en menselijke dijspieren, vonden ze er geen, waardoor nog onbekende verschillen in energiegebruik als de meest waarschijnlijke verklaring overblijven. En hoewel de onderzoekers waarschuwen dat de verschillen tussen mensen en andere primaten gedeeltelijk te wijten kunnen zijn aan verschillende motivatieniveaus tijdens het trekken van de gewichten, wijst de consistentie van de bevindingen erop dat mensen inderdaad over het algemeen zwakker zijn. De wetenschappers veronderstellen dat de parallelle evolutie van grotere hersenen en zwakkere spieren in de menselijke lijn wellicht geen toeval is, maar eerder te wijten is aan een “herverdeling” van energiebronnen tussen de twee weefsels. Het idee van zo’n afweging “is een heel eenvoudige hypothese,” zegt Khaitovich, “maar in de evolutie zijn eenvoudige verklaringen vaak de beste.”

Aiello, die nu voorzitter is van de Wenner-Gren Foundation for Anthropological Research in New York City, zegt dat recent onderzoek heeft gesuggereerd dat “de energetische trade-offs die relevant zijn voor de evolutie van de hersenen complexer zijn” dan zij en Wheeler oorspronkelijk hadden gesuggereerd in hun hersenen versus darmen hypothese, en dat “dit werk een andere mogelijke trade-off aantoont tussen de metabolische vereisten van de hersenen en skeletspieren.”Aiello en andere onderzoekers denken echter dat mensen niet alleen zwakker zijn geworden, maar hun spieren op andere manieren zijn gaan gebruiken waarvoor minder totale kracht nodig was, bijvoorbeeld voor duurlopen tijdens de jacht of andere activiteiten – een idee dat wordt bepleit door Daniel Lieberman, een antropoloog aan de Harvard University. “Mensen zijn minder sterk dan chimpansees, maar ik geloof niet dat we minder atletisch zijn,” zegt Lieberman. Hij beweert dat de mens nog steeds veel spierkracht gebruikte, maar die gebruikte voor taken die zijn overleving op lange termijn bevorderden in plaats van voor brute krachtmetingen. Met onze grotere en slimmere hersenen, zegt Lieberman, bedachten mensen manieren om energie-efficiënter te zijn, door effectievere jagers te worden, ons voedsel te leren koken en hulpbronnen te delen met grotere groepen. Met andere woorden, in de evolutionaire sweepstakes gaat de overwinning soms naar de slimste in plaats van de sterkste.

(Video credit: Kasia Bozek)