Dubois rozumował, że wraz ze wzrostem rozmiarów ciała, mózg musi się rozszerzać z przyczyn związanych z utrzymaniem neuronów: Większe zwierzęta powinny wymagać więcej neuronów tylko po to, aby nadążyć z montażem zadań związanych z prowadzeniem większego ciała. Uważał, że ten wzrost wielkości mózgu nie dodałby nic do inteligencji. W końcu krowa ma mózg co najmniej 200 razy większy niż szczur, ale nie wydaje się ani trochę mądrzejsza. Ale odchylenia od tej matematycznej linii, jak sądził Dubois, odzwierciedlałyby inteligencję zwierzęcia. Gatunki o większych niż przewidywano mózgach byłyby mądrzejsze niż przeciętnie, podczas gdy te o mniejszych niż przewidywano mózgach byłyby głupsze. Obliczenia Dubois sugerowały, że jego człowiek z Jawy był rzeczywiście mądrym ciasteczkiem, z relatywną wielkością mózgu i inteligencją, która mieściła się gdzieś pomiędzy współczesnymi ludźmi a szympansami.

Formuła Dubois została później zmieniona przez innych naukowców, ale jego ogólne podejście, które stało się znane jako „skalowanie allometryczne”, utrzymało się. Bardziej nowoczesne szacunki sugerują, że masa mózgu ssaków wzrasta o wykładnik dwóch trzecich w porównaniu z masą ciała. Zatem jamnik, ważący około 27 razy więcej niż wiewiórka, powinien mieć mózg około 9 razy większy – i tak jest w istocie. Ta koncepcja skalowania allometrycznego przeniknęła do dyskusji o tym, jak mózgi wiążą się z inteligencją na następne sto lat.

Patrząc na ten jednolity związek między masą ciała a masą mózgu, naukowcy opracowali nową miarę zwaną ilorazem encefalizacji (EQ). EQ to stosunek rzeczywistej masy mózgu danego gatunku do jego przewidywanej masy mózgu. Stał się on powszechnie używanym skrótem dla inteligencji. Zgodnie z oczekiwaniami, ludzie przewodzili stawce z EQ wynoszącym od 7,4 do 7,8, za nimi uplasowały się inne wysoko rozwinięte gatunki, takie jak delfiny (około 5), szympansy (2,2 do 2,5) i małpy wiewiórkowate (około 2,3). Psy i koty plasują się w środku stawki, z EQ około 1,0 do 1,2, podczas gdy szczury, króliki i woły wychodzą z tyłu, z wartościami 0,4 do 0,5. Ten sposób myślenia o mózgach i inteligencji był „bardzo, bardzo dominujący” przez dziesięciolecia, mówi Evan MacLean, antropolog ewolucyjny z Uniwersytetu Arizony w Tucson. „To coś w rodzaju fundamentalnego spostrzeżenia.”

Ten paradygmat wciąż obowiązywał, gdy Herculano-Houzel kończyła szkołę w latach 90-tych. „Intuicja, która za nim stała, miała sens” – mówi. Kiedy na początku lat 2000 zaczęła próbować liczyć neurony, wyobrażała sobie, że po prostu dodaje warstwę niuansów do rozmowy. Niekoniecznie spodziewała się, że ją podważy.

Na początku XXI wieku naukowcy już od dziesięcioleci liczyli neurony. Była to powolna, żmudna praca, zwykle wykonywana poprzez cięcie tkanki mózgowej na ultracienkie plasterki przypominające prosciutto i oglądanie ich pod mikroskopem. Naukowcy zwykle liczyli setki komórek na plasterek. Liczenie wystarczającej liczby neuronów, by oszacować średnią liczbę komórek dla jednego gatunku, było czasochłonne, a wyniki często niepewne. Każda komórka nerwowa jest rozgałęziona jak poskręcany dąb; jej odnogi i gałązki krzyżują się z odnogami innych komórek, przez co trudno jest określić, gdzie kończy się jedna komórka, a zaczyna druga.

To jest problem, który Herculano-Houzel postanowiła rozwiązać. Na początku 2003 roku zdała sobie sprawę, że najlepszym sposobem na policzenie komórek nerwowych w tkance mózgowej może być całkowite wyeliminowanie złożoności. Przyszło jej do głowy, że każda komórka nerwowa, bez względu na to, jak bardzo rozgałęziona i poskręcana, powinna zawierać tylko jedno jądro – małą kulkę, w której znajduje się DNA komórki. Musiała tylko znaleźć sposób na rozpuszczenie tkanki mózgowej przy zachowaniu nienaruszonych jąder. Wtedy mogłaby policzyć jądra, aby dowiedzieć się, ile jest komórek; byłoby to tak proste, jak liczenie warcabów na szachownicy.

Po 18 miesiącach ustaliła procedurę, która obejmowała utwardzenie tkanki mózgowej formaldehydem, a następnie delikatne wymieszanie jej z detergentem – wielokrotne wpychanie tłoka do szklanej probówki, obracanie go w trakcie, aż do uzyskania jednolitej papki. Rozcieńczyła płyn, wycisnęła kroplę na szklane szkiełko i przyjrzała się jej przez mikroskop. W polu widzenia rozrzucone były konstelacje niebieskich kropek: jądra komórkowe, oświetlone barwnikiem wiążącym DNA. Barwiąc jądra drugim barwnikiem, który wiąże się z wyspecjalizowanymi białkami nerwowymi, mogła policzyć, ile z nich pochodzi z komórek nerwowych – komórek, które faktycznie przetwarzają informacje w mózgu – a nie z innych typów komórek występujących w tkance mózgowej.

Herculano-Houzel policzyła kilkaset komórek nerwowych w ciągu 15 minut; mnożąc tę liczbę przez całą objętość płynu, była w stanie obliczyć zupełnie nową informację: Cały mózg szczura zawiera około 200 milionów komórek nerwowych.

Spojrzała na mózgi pięciu innych gryzoni, od 40-gramowej myszy do 48-kilogramowej kapibary (największego gryzonia na świecie, pochodzącego z rodzinnego kraju Herculano-Houzel, Brazylii). Jej wyniki ujawniły, że w miarę jak mózgi stają się coraz większe i cięższe u różnych gatunków gryzoni, liczba neuronów rośnie wolniej niż masa samego mózgu: Mózg kapibary jest 190 razy większy od mózgu myszy, ale ma tylko 22 razy więcej neuronów.

Potem w 2006 roku Herculano-Houzel dostała w swoje ręce mózgi sześciu gatunków naczelnych podczas wizyty u Jona Kaasa, naukowca zajmującego się mózgiem na Uniwersytecie Vanderbilta w Nashville, Tennessee. I właśnie tam sprawy stały się jeszcze bardziej interesujące.

To, co Herculano-Houzel znalazła w tych naczelnych, było zupełnie inne niż u gryzoni. „Mózgi naczelnych miały o wiele więcej neuronów, niż się spodziewaliśmy” – mówi. „To było właśnie tam, patrząc nam w twarz.”

Herculano-Houzel dostrzegła wyraźny matematyczny trend wśród tych sześciu żyjących dziś gatunków: Gdy mózg naczelnych rozszerza się z jednego gatunku na drugi, liczba neuronów wzrasta wystarczająco szybko, aby dotrzymać kroku rosnącym rozmiarom mózgu. Oznacza to, że neurony nie powiększają się i nie zajmują więcej miejsca, jak ma to miejsce u gryzoni. Zamiast tego, pozostają one zwarte. Małpa sowa, której mózg jest dwa razy większy od mózgu marmozety, ma w rzeczywistości dwa razy więcej neuronów – podczas gdy podwojenie rozmiaru mózgu gryzonia często daje tylko 20 do 30 procent więcej neuronów. A małpa makak, z mózgiem 11 razy większym niż marmozeta, ma 10 razy więcej komórek nerwowych.

Założenie, które wszyscy robili, że mózgi różnych gatunków ssaków skalują się w ten sam sposób, „było bardzo oczywiście błędne”, mówi Herculano-Houzel. Mózgi naczelnych były bardzo różne od tych gryzoni.

Herculano-Houzel opublikował te pierwsze wyniki nonhuman primate z Kaas i dwóch innych współautorów w 2007 roku. A w 2009 roku potwierdziła, że ten wzór jest prawdziwy od małomózgich naczelnych aż do ludzi: Ważący około 1500 gramów mózg ludzki waży 190 razy więcej niż mózg marmozety i mieści 134 razy więcej komórek nerwowych – w sumie około 86 miliardów. Jej kolejne badania, opublikowane w latach 2009-2017, sugerują, że inne główne grupy ssaków, takie jak owadożerne i parzystokopytne (jak świnie, antylopy i żyrafy), podążają za wzorem skalowania gryzoni, przy czym liczba neuronów rośnie znacznie wolniej niż masa mózgu. „Istnieje ogromna różnica między naczelnymi a nie naczelnymi”, mówi Herculano-Houzel, która przeniosła się do Vanderbilt University w 2016 r.

Jej wyniki nie ujawniły dokładnego procesu ewolucji, który doprowadził do powstania współczesnego ludzkiego mózgu. W końcu mogła policzyć komórki mózgowe tylko u gatunków, które obecnie istnieją – a ponieważ żyją dzisiaj, nie są przodkami człowieka. Jednak badając różnorodne mózgi, od małych po duże, Herculano-Houzel poznała zasady projektowania mózgów. Zrozumiała, że mózgi naczelnych i gryzoni napotykają na bardzo różne ograniczenia w sposobie, w jaki mogą ewoluować.

Ludzie ze społeczności antropologicznej pozytywnie zareagowali na jej pracę – choć z nutką ostrożności. Robert Barton, antropolog, który bada ewolucję mózgu i zachowanie na Uniwersytecie Durham w Wielkiej Brytanii, jest przekonany, że neurony są gęściej upakowane w mózgach naczelnych niż w mózgach innych ssaków. Ale nie jest jeszcze przekonany, że matematyczna linia trendu – tempo, w jakim mózgi dodają nowe neurony, gdy stają się większe z gatunku na gatunek – jest większa u naczelnych w porównaniu z innymi ssakami. „Chciałbym zobaczyć więcej danych, zanim całkowicie w to uwierzę” – mówi. Podkreśla, że Herculano-Houzel do tej pory badał mózgi około tuzina, z kilkuset znanych, gatunków naczelnych.

Ale wyniki Herculano-Houzel już zadały poważny cios konwencjonalnej mądrości. Naukowcy, którzy obliczali EQ, zakładali, że dokonują porównań „jabłko do jabłka” – że związek między wielkością mózgu a liczbą neuronów jest jednakowy u wszystkich ssaków. Herculano-Houzel wykazał, że tak nie jest.

„To genialne spostrzeżenie”, mówi MacLean, który sam spędził lata na badaniu zdolności intelektualnych zwierząt. „To ogromnie popchnęło tę dziedzinę do przodu.”

Własna praca MacLeana również podważyła uniwersalność EQ. Jego badanie, opublikowane z dużym konsorcjum współautorów w 2014 roku, porównywało mózgi i zdolności poznawcze 36 gatunków zwierząt – w tym 23 naczelnych i posypki innych ssaków, a także siedmiu ptaków. MacLean oceniał je pod kątem ich zdolności do kontroli impulsów (mierzonej, na przykład, zdolnością zwierzęcia do spokojnego sięgnięcia wokół przezroczystej bariery w celu zdobycia pożywienia, zamiast rozbijania się o nią w impulsywnym chwycie). Kontrola impulsów jest ważnym składnikiem inteligencji, która, w przeciwieństwie do umiejętności algebry, może być mierzona u różnych gatunków.

MacLean odkrył, że EQ słabo radzi sobie z przewidywaniem tej cechy. Szympansy i goryle mają przeciętne EQ od 1,5 do 2,5, ale, mówi MacLean, „radziły sobie super dobrze . Były na szczycie”. Małpy wiewiórkowate, w międzyczasie, uzyskały znacznie gorsze wyniki niż szympansy i goryle w zakresie samokontroli, nawet jeśli ten gatunek sportowy ma EQ 2,3.

Pomimo stosunkowo niewielkiej próbki zwierząt i dużego rozrzutu w danych, MacLean odkrył, że najlepszym predyktorem samokontroli była absolutna objętość mózgu, nieskorygowana o rozmiar ciała: Szympansy i goryle mogą mieć EQ nie lepsze niż małpy wiewiórkowate, ale ich mózgi, w wartościach bezwzględnych, są 15 do 20 razy większe. (Ich EQ może być zaburzone, ponieważ mają niezwykle duże ciała, a nie małe mózgi). W przypadku naczelnych większy mózg był lepszym mózgiem, niezależnie od wielkości zwierzęcia. (Tak było również w przypadku ptaków.)

W 2017 roku Herculano-Houzel opublikowała badanie, w którym przyjrzała się tym samym pomiarom kontroli impulsów, których użył MacLean, ale porównała je z nową zmienną: liczbą neuronów, które każdy gatunek ma w swojej korze mózgowej – górnej warstwie tkanki mózgowej, często pofałdowanej, która wykonuje zaawansowane funkcje poznawcze, takie jak rozpoznawanie obiektów. Herculano-Houzel odkryła, że liczba neuronów w korze mózgowej przewidywała samokontrolę mniej więcej tak dobrze, jak bezwzględna wielkość mózgu w badaniu MacLeana, a także wyeliminowała poważny błąd w jego wynikach: Ptaki mogą mieć małe mózgi, ale Herculano-Houzel odkrył, że te mózgi są gęsto upakowane. Sójka euroazjatycka ma mózg mniejszy niż orzech włoski, ale ma prawie 530 milionów neuronów w swoim pallium (struktura mózgu u ptaków, która jest w przybliżeniu odpowiednikiem kory mózgowej ssaków). Jej liczby dostarczyły przekonującego wyjaśnienia, dlaczego te ptaki uzyskały lepsze wyniki w kontroli impulsów niż niektóre naczelne z mózgami pięć razy większymi.

„Najprostszym, najważniejszym czynnikiem, który powinien ograniczać zdolności poznawcze”, konkluduje Herculano-Houzel, „jest liczba neuronów, które zwierzę ma w korze mózgowej.”

Jeśli sekretem inteligencji jest po prostu posiadanie większej liczby neuronów, to można by zapytać, dlaczego gryzonie i inne ssaki nie wyewoluowały po prostu większych mózgów, aby pomieścić swoje większe neurony. Powód jest taki, że powiększanie rozmiarów neuronów stanowi oszałamiający problem. W końcu staje się nie do utrzymania. Rozważmy hipotetycznego gryzonia z taką samą liczbą neuronów jak człowiek – około 86 miliardów. Taka bestia musiałaby ciągnąć za sobą mózg ważący 35 kilogramów. To prawie 25 razy więcej niż ludzki mózg – mniej więcej tyle, ile waży dziewięć galonów wody. „Jest to biologicznie nieprawdopodobne” – mówi MacLean. To „byłoby szaleństwo – nie mógłbyś chodzić.”

Ten problem z balonowym rozmiarem neuronów był prawdopodobnie jednym z głównych czynników ograniczających ekspansję mózgu u większości gatunków. Palącym pytaniem jest, jak naczelnym udało się uniknąć tego problemu.

Zwykłe przekleństwo stale powiększającego się rozmiaru neuronów może wynikać z podstawowego faktu, że mózgi funkcjonują jako sieci, w których poszczególne neurony wysyłają sygnały do siebie nawzajem. W miarę jak mózgi stają się coraz większe, każda komórka nerwowa musi pozostać połączona z coraz większą liczbą innych neuronów. A w większych mózgach te inne neurony znajdują się coraz dalej i dalej.

„To są problemy, które trzeba rozwiązać, kiedy powiększamy mózgi”, mówi Kaas, który często współpracuje z Herculano-Houzel. Postawił on hipotezę, że gryzonie i większość innych ssaków rozwiązała te problemy w prosty sposób: poprzez wzrost przewodów komunikacyjnych, zwanych aksonami, które są dłuższe, powodując, że każdy neuron zajmuje więcej miejsca.

W 2013 roku Herculano-Houzel znalazł dowody na tę teorię, przyglądając się istocie białej w mózgach pięciu gatunków gryzoni i dziewięciu gatunków naczelnych. Materia biała zawiera wiele z okablowania mózgu – pokrytych tłuszczem aksonów, które neurony korowe wykorzystują do tworzenia połączeń na duże odległości. Jej praca wykazała, że objętość istoty białej rośnie znacznie szybciej u gryzoni o większych mózgach niż u naczelnych. Duży gryzoń zwany agouti ma osiem razy więcej korowych komórek nerwowych niż mysz, podczas gdy jego istota biała zajmuje zdumiewająco 77 razy więcej miejsca. Ale małpa kapucynka, z ośmiokrotnie większą liczbą neuronów korowych niż mały naczelny zwany galago, ma tylko 11 razy więcej istoty białej.

Więc w miarę jak mózgi gryzoni stają się coraz większe, coraz więcej objętości mózgu musi być poświęcone przewodom, które po prostu przekazują informacje. Przewody te nie tylko stają się dłuższe, ale również grubsze, co pozwala sygnałom podróżować z większą prędkością, aby nadrobić większe odległości, które muszą pokonać. W rezultacie coraz mniej miejsca jest dostępne dla komórek nerwowych, które wykonują ważną pracę polegającą na rzeczywistym przetwarzaniu informacji.

Wadą gryzoni, innymi słowy, jest to, że ich mózgi nie przystosowują się dobrze do problemów związanych z byciem dużym. Nie kompensują one skutecznie wąskich gardeł komunikacyjnych, które pojawiają się wraz ze wzrostem wielkości mózgu. To ograniczenie poważnie ograniczyło ich zdolność do inteligencji.

Prymaty, z drugiej strony, przystosowują się do tych wyzwań. W miarę jak mózgi naczelnych stają się większe z gatunku na gatunek, ich schematy stopniowo się zmieniają – pozwalając im ominąć problem komunikacji na duże odległości.

Kaas uważa, że naczelnym udało się utrzymać większość neuronów tej samej wielkości poprzez przeniesienie ciężaru komunikacji na duże odległości na mały podzbiór komórek nerwowych. On wskazuje na mikroskopowe badania pokazujące, że być może 1 procent neuronów rozszerzyć w big-brained naczelnych: Są to neurony, które zbierają informacje z ogromnej liczby pobliskich komórek i wysyłają je do innych neuronów, które są daleko. Niektóre z aksonów, które tworzą te długodystansowe połączenia, również stają się grubsze; pozwala to wrażliwym na czas informacjom, takim jak wizualny obraz szybko poruszającego się drapieżnika lub ofiary, dotrzeć do celu bez opóźnień. Ale mniej pilne informacje – czyli większość z nich – są przesyłane przez wolniejsze, chudsze aksony. Tak więc u naczelnych średnia grubość aksonów nie wzrasta, a mniej istoty białej jest potrzebne.

Ten wzorzec utrzymywania większości połączeń lokalnych i posiadania tylko kilku komórek przekazujących informacje na duże odległości, miał ogromne konsekwencje dla ewolucji naczelnych. Nie tylko pozwolił mózgom naczelnych wcisnąć więcej neuronów. Kaas uważa, że miało to również głębszy skutek: zmieniło sposób, w jaki mózg wykonuje swoją pracę. Ponieważ większość komórek komunikowała się tylko z pobliskimi partnerami, te grupy neuronów zamknęły się w lokalnych sąsiedztwach. Neurony w każdym sąsiedztwie pracowały nad konkretnym zadaniem – i tylko końcowy rezultat tej pracy był przekazywany do innych, odległych obszarów. Innymi słowy, mózg naczelnych stał się bardziej podzielony. A ponieważ liczba tych lokalnych obszarów rosła, ta zmiana organizacyjna pozwoliła naczelnym rozwijać coraz więcej zdolności poznawczych.

Mózgi wszystkich ssaków są podzielone na przedziały, zwane „obszarami korowymi”, z których każdy zawiera kilka milionów neuronów. Każdy obszar korowy zajmuje się wyspecjalizowanym zadaniem: System wizualny, na przykład, zawiera różne obszary do dostrzegania prostych krawędzi kształtów i do rozpoznawania obiektów. Mózgi gryzoni nie wydają się być bardziej podzielone w miarę jak stają się większe, mówi Kaas. Każdy gryzoń, od myszy wielkości kęsa do kapibary wielkości dobermana, ma mniej więcej taką samą liczbę obszarów korowych – około 40. Mózgi naczelnych są jednak inne. Małe naczelne, takie jak galago, mają około 100 obszarów; marmozety mają około 170, makaki około 270, a ludzie około 360.

W naczelnych, niektóre z tych nowych obszarów zajęły się nowymi zadaniami społecznymi, takimi jak rozpoznawanie twarzy i emocji innych oraz uczenie się języka pisanego lub mówionego – właśnie tymi umiejętnościami, które pomogły napędzać ewolucję kultury homininów i, prawdopodobnie, ludzkiej inteligencji. „Naczelne z dużymi mózgami mają naprawdę lepsze przetwarzanie informacji” – mówi Kaas. „Ale gryzonie z większymi mózgami mogą przetwarzać rzeczy niemal tak samo, jak gryzonie z mniejszymi mózgami. Nie zyskały wiele.”

Antropolodzy spędzili dziesięciolecia na badaniu ważnych zmian w strukturze mózgu, które nastąpiły po pojawieniu się H. erectus (1,9 mln lat temu) lub po podziale między homininami i małpami człekokształtnymi (8 mln lat temu). Jednak Herculano-Houzel dodała teraz nowy element do tego obrazu, identyfikując kolejny kluczowy moment w ewolucji ludzkiej inteligencji. W pewnym sensie odkryła nową historię pochodzenia ludzkości – nie mniej ważną niż inne, które już znamy.

Ta historia rozwinęła się nieco ponad 60 milionów lat temu, niedługo po tym, jak wczesne naczelne oddzieliły się, w szybkim tempie, od trzech innych głównych grup ssaków, do których należą współczesne gryzonie, ryjówki nadrzewne i kolugo (a.k.a. „latające lemury”).

Te wczesne naczelne były mniejsze od szczurów. Skradały się cicho wzdłuż gałęzi drzew w nocy, chwytając gałązki z ich palców prehensile i palców, jak polowali na owady. W ogóle nie wyglądały jak wiele, mówi Herculano-Houzel.

Ale subtelna zmiana zaszła już głęboko w ich małych mózgach – zmiana w genach, które kierują tym, jak neurony łączą się ze sobą podczas rozwoju płodowego. Na początku ta zmiana prawdopodobnie nie robiła wielkiej różnicy. Ale na dłuższą metę głęboko oddzieliła naczelne od gryzoni i innych grup, z którymi się rozstały. Ta drobna zmiana sprawiłaby, że komórki nerwowe pozostałyby małe, nawet gdy mózgi stopniowo stawały się coraz większe. Wygięłaby łuk ewolucji na dziesiątki milionów lat do przodu. Bez niej ludzie nigdy nie chodziliby po ziemi.

Douglas Fox jest niezależnym dziennikarzem, który pisze o Ziemi, Antarktyce i naukach polarnych – od czasu do czasu zagłębiając się w neurobiologię. Jego artykuły ukazywały się w Scientific American, National Geographic i innych publikacjach. Fox jest współautorem książki The Science Writers’ Handbook: Everything You Need to Know to Pitch, Publish, and Prosper in the Digital Age.

A version of this article was originally published on Sapiens’ website as „How Human Smarts Evolved” and has been republished here with permission.