My, ludzie, zachwycamy się naszymi wielkimi mózgami, które uczyniły nas najbardziej zaawansowanymi zwierzętami na planecie. Ale ich działanie wymaga dużo energii. Nowe badanie sugeruje, że zapłaciliśmy wysoką cenę za bycie tak mądrym. W trakcie naszej ewolucji ludzie stali się słabsi w stosunku do innych naczelnych, handlując brawnami dla mózgów.

Przy średniej objętości 1400 centymetrów sześciennych, nasze mózgi są trzy razy większe niż te naszych najbliższych żyjących kuzynów ewolucyjnych, szympansów. Podczas gdy badacze debatują nad tym, dlaczego nasze mózgi stały się tak duże, jedno jest pewne: mózg jest kosztownym organem. Nasze mózgi zużywają 20% energii, gdy jesteśmy w stanie spoczynku, ponad dwa razy więcej niż szympansy i inne naczelne. Już w latach 90.oparte badacze Leslie Aiello i Peter Wheeler zaproponował to, co nazywali drogie tkanki hipotezę, twierdząc, że ludzki układ trawienny, który zużywa dużo energii do metabolizowania naszego jedzenia, zmniejszył się znacznie, aby pomóc zapłacić tę cenę.

Aby zobaczyć, co inne kompromisy mogły wystąpić, zespół kierowany przez Philippa Khaitovich, biologa w CAS-MPG Partner Institute for Computational Biology w Szanghaju, Chiny, spojrzał na profile wykorzystania energii z pięciu różnych tkanek w czterech gatunków zwierząt. Trzy z tych tkanek znajdowały się w mózgu: kora przedczołowa (zaangażowana w zaawansowane procesy poznawcze), pierwszorzędowa kora wzrokowa (przetwarzająca zmysł wzroku) oraz kora móżdżku (kluczowa dla kontroli motorycznej). Pozostałe dwie tkanki to nerka i mięsień uda. Gatunkami zwierząt w badaniu byli ludzie, szympansy, małpy rhesus i myszy, których tkanki zostały pobrane wkrótce po ich śmierci.

Raczej niż mierzyć zużycie energii bezpośrednio, badacze użyli wskaźnika zastępczego zwanego metabolomem – zespół małych cząsteczek, lub metabolitów, które albo napędzają żywe tkanki lub tworzą ich struktury, w tym aminokwasy, tłuszcze, cukry, witaminy i inne związki. Zespół wykrył około 10 000 różnych metabolitów w każdym typie tkanki i porównał różnice metaboliczne i genetyczne pomiędzy tymi różnorodnymi zwierzętami, używając próbki 14 osobników z każdego z czterech gatunków. Jak donoszą badacze w PLOS Biology, różnice w profilach metabolomów między myszami, małpami i szympansami nie były większe niż stosunkowo niewielkie różnice genetyczne między nimi, co oznacza, że ewolucja prawdopodobnie nie zmieniła znacząco żadnej z ich tkanek. Nie było też dowodów na znaczące zmiany ewolucyjne w ludzkiej nerce czy korze wzrokowej lub móżdżkowej.

Z drugiej strony, profil metabolomowy ludzkiej kory przedczołowej był dramatycznie zmieniony w stosunku do innych naczelnych: Używając podziału między człowiekiem a myszą (130 milionów lat temu) oraz między człowiekiem a małpą (45 milionów lat temu) jako linii bazowych, zespół obliczył, że metabolom ewoluował cztery razy szybciej niż metabolom szympansa w ciągu około 6 milionów lat od podziału linii człowieka i szympansa. (Różnice genetyczne między tymi dwoma gatunkami, w przeciwieństwie, są tylko około 2%.)

Ten wynik nie był szokujący, biorąc pod uwagę góry dowodów na większą sprawność poznawczą ludzkiego mózgu w porównaniu z tym z innych naczelnych. Ale to, co zaskoczyło zespół to różnice w profilach mięśni szkieletowych naczelnych i ludzi: ludzki metabolom ewoluował ponad osiem razy szybciej niż ten u szympansów, odkąd te dwa gatunki poszły swoją drogą ewolucyjną.

Aby upewnić się, że ta rozbieżność nie wynikała po prostu z różnic w środowisku i diecie, zespół wystawił małpy na coś przypominającego współczesny ludzki styl życia. Badacze wzięli 12 małp makaków i podzielili je na dwie grupy po sześć osób. Jedna grupa została umieszczona w indywidualnych, samotnych klatkach, aby ograniczyć ilość ruchu, jaki mogą uzyskać, i była karmiona gotowaną dietą o wysokiej zawartości tłuszczów i cukrów; druga grupa została umieszczona w samotnych klatkach, ale karmiona normalną dietą z surowych pokarmów roślinnych. Kiedy te 12 przedmiotów zostały porównane z grupą kontrolną 17 małp karmionych normalną dietą i pozwolono im się wyszaleć na zewnątrz w grupach rodzinnych, różnice w ich metabolomach były minimalne, wynoszące nie więcej niż 3% zmian metabolicznych wykrytych u ludzi. To wyklucza dietetyczne lub środowiskowe wyjaśnienia dla różnic, the researchers conclude.

Finally, zespół wykonał kluczowy test: porównanie siły makaków, szympansów i ludzi. Chociaż bardzo ograniczone wcześniejsze badania sugerowały, że ludzie byli słabszym gatunkiem, gdy rozmiar ciała jest brany pod uwagę, żadne systematyczne porównania nie zostały wykonane. Naukowcy wymyślili więc eksperyment, w którym makaki, szympansy i ludzie musieli ciągnąć regulowany ciężar z całej siły, używając mięśni zarówno ramion, jak i nóg (zobacz film). Małpy i szympansy były motywowane pragnieniem zdobycia nagrody w postaci pożywienia, podczas gdy ludzie – wśród których było pięciu koszykarzy uniwersyteckich i czterech zawodowych alpinistów – byli motywowani wezwaniami badaczy do jak najlepszego współzawodnictwa. Wynik: Ludzie okazali się być średnio tylko o połowę silniejsi niż pozostałe dwa naczelne.

Zespół przyznaje, że nie jest jeszcze jasne, dlaczego różnice w metabolomie między ludźmi a innymi naczelnymi prowadzą do słabszej siły mięśniowej; kiedy badacze przyjrzeli się możliwym różnicom strukturalnym między mięśniami ud szympansa i człowieka, nie znaleźli żadnych, pozostawiając as-yet-nieznane różnice w zużyciu energii jako najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie. I chociaż badacze zastrzegają, że różnice między ludźmi a innymi naczelnymi mogły wynikać częściowo z różnych poziomów motywacji podczas podnoszenia ciężarów, spójność wyników wskazuje, że ludzie są rzeczywiście ogólnie słabsi. Naukowcy stawiają hipotezę, że równoległa ewolucja większych mózgów i słabszych mięśni na linii człowieka mogła nie być przypadkowa, ale raczej wynikać z „realokacji” zasobów energetycznych pomiędzy tymi dwiema tkankami. Pomysł takiego kompromisu „jest bardzo prostą hipotezą”, mówi Khaitovich, „ale w ewolucji proste wyjaśnienia są często najlepsze”.”

Aiello, który jest teraz prezesem Fundacji Wenner-Gren dla Badań Antropologicznych w Nowym Jorku, mówi, że ostatnie badania sugerowały, że „energetyczne kompromisy istotne dla ewolucji mózgu są bardziej złożone” niż ona i Wheeler pierwotnie sugerowali w swojej hipotezie mózg kontra jelita, i że „ta praca demonstruje inny możliwy kompromis między wymaganiami metabolicznymi mózgu i mięśni szkieletowych.”

Jednakże Aiello i inni badacze uważają, że ludzie nie tylko stali się słabsi, ale zaczęli używać swoich mięśni na różne sposoby, które wymagały mniej ogólnej siły, na przykład do biegania wytrzymałościowego podczas polowania lub innych działań – pomysł, który był broniony przez Daniela Liebermana, antropologa na Uniwersytecie Harvarda.

Lieberman mówi, że nowy papier „jest bardzo fajny i interesujący”, ale nie kupuje jego sugestii kompromisu mózg kontra siła podczas ewolucji człowieka. „Ludzie są mniej silni niż szympansy, ale nie wierzę, że jesteśmy mniej atletyczni” – mówi Lieberman. Twierdzi on, że ludzie nadal używali dużej ilości energii mięśniowej, ale stosowali ją do zadań, które poprawiały ich przetrwanie w dłuższej perspektywie, a nie do wyczynów brutalnej siły. Z naszymi większymi i mądrzejszymi mózgami, mówi Lieberman, ludzie wymyślili sposoby, by być bardziej wydajnymi energetycznie, stając się bardziej skutecznymi myśliwymi, ucząc się gotować nasze jedzenie i dzieląc zasoby pomiędzy większe grupy. Innymi słowy, w ewolucyjnych rozgrywkach zwycięstwo czasami przypada najsprytniejszemu, a nie najsilniejszemu.

(Kredyt wideo: Kasia Brożek)