Hjernene våre nærmer seg apehjernen igjen

Vi ble skilt fra sjimpansen, og så eksploderte hjernen vår. På noen få millioner år mer enn tredoblet den størrelsen sin, og forskerne har endelig funnet ut hvorfor. Nå strever de med å svare på et annet spørsmål: Hvorfor hjernen vår holder på å skrumpe igjen.

Vi ble skilt fra sjimpansen, og så eksploderte hjernen vår. På noen få millioner år mer enn tredoblet den størrelsen sin, og forskerne har endelig funnet ut hvorfor. Nå strever de med å svare på et annet spørsmål: Hvorfor hjernen vår holder på å skrumpe igjen.

Shutterstock

En av de største milepælene i vitenskapens forståelse av vår egen art ble nådd i 2001. Etter et 13 år langt prosjekt som kostet fem milliarder dollar, kunne et internasjonalt team av genetikere annonsere at de hadde kartlagt hele menneskets DNA.

Med ett sto forskerne med selve oppskriften på et menneske. Fem år senere var sjimpansens DNA også kartlagt.

Forskerne var klare til å finne de avgjørende forskjellene på de to artene – og blant annet oppklare hvorfor hjernen vår er tre ganger så stor som sjimpansens. Det viste seg å være vanskeligere enn antatt.

Genene til mennesket og sjimpansen er 99 prosent identiske – men det betyr ikke at alle forskjellene finnes i den siste ene prosenten, for de kan også gjemme seg i den delen av DNA-et som ligger utenfor genene.

Selv ekstremt små forskjeller i menneskets og sjimpansens DNA kan ha store konsekvenser. Bare 16 avvikende DNA-baser i en DNA-sekvens på over tusen basepar er med på å gi oss en mye større hjerne enn de andre apene.

© Claus Lunau

1. Få baser skiller artene

Gensekvensen HARE5 koder ikke for proteiner, men bestemmer hvor aktivt genet FZD8 er i cellene. HARE5 består av 1219 basepar, og bare 16 av dem er ulike i mennesker og sjimpanser.

© Claus Lunau

2. Fysisk kontakt skrur på genet

HARE5 skaper fysisk kontakt med FZD8-genet ved å danne en løkke på DNA-et. Kontakten skrur på genet hos både oss og sjimpanser, men HARE5-varianten vår stimulerer
genet mer effektivt.

© Claus Lunau

3. Genet skrur opp celledelingen

Aktiveringen av FZD8-genet får cellen til å danne FZD8-proteinet, som stimulerer celledeling. Det skjer blant annet i fostrets hjerne, der det resulterer i et usedvanlig høyt antall nerveceller i hjernebarken.

Gener fungerer som arbeidstegninger for kroppens byggesteiner, proteinene, men kartleggingen av menneskets DNA avslørte at genene bare utgjør 1,5 prosent av DNA-et.

Resten fikk navnet søppel-DNA – fordi det ikke så ut til å ha noen funksjon i kroppen. Det viste seg å være en stor feil. I 2012 avslørte forskere at minst 80 prosent av vårt samlede DNA er biologisk aktivt.

En stor del av det regulerer genenes aktivitet – også de genene som styrer hjernens utvikling. Å finne de forskjellene som gir oss den store hjernen vår, er derfor et arbeid som slett ikke er avsluttet – selv om forskerne allerede har gjort en rekke viktige oppdagelser.

Men samtidig som forskerne strever med å forstå hvorfor hjernene våre har vokst så voldsomt, har de støtt på et annet problem. Det har nemlig vist seg at hjernene våre er i ferd med å skrumpe.

Genene våre gir dyr store hjerner

I 2015 satte amerikanske forskere inn en menneskelig DNA-sekvens ved navn HARE5 i musefostre og sammenlignet hjerneutviklingen med andre musefostre som fikk en sjimpansevariant av den samme sekvensen.

Makakaper med den menneskelige versjonen av hjernegenet MCPH1 viste seg i et forsøk å ha bedre hukommelse enn andre makakaper (apene på bildet er fra et annet forsøk).

© China Daily CDIC/Ritzau Scanpix

HARE5-sekvensen, som tidligere ble betraktet som søppel-DNA, er 1219 basepar langt, og forskjellen på vår og sjimpansens versjon er bare 16 basepar. Men forsøket viste hvor viktig forskjellen er. Fostrene med den menneskelige sekvensen utviklet hjerner som var tolv prosent større enn hos fostrene med sjimpansevarianten.

I 2019 satte kinesiske forskere inn den menneskelige varianten av genet MCPH1 i elleve fostre av makakaper. Hjernene til disse fostrene fortsatte å vokse i lengre tid enn normalt. Fem av fostrene overlevde til fødselen, og da forskerne senere testet apenes mentale evner, viste det seg blant annet at hukommelsen var bedre enn hos aper uten menneskegenet.

Når makakaper kan fødes med menneskegener, kan det samme skje med sjimpanser.

Det er store etiske dilemmaer forbundet med slike forsøk – særlig når de genmodifiserte dyrene blir født. At de kinesiske forskerne lot makakapene med menneskegener bli født, viser at noe tilsvarende kan skje med sjimpanser.

Konsekvensene vil være sjimpanser med større hjerner, noe som visker ut grensen mellom de to artene og blant annet fører til vanskelige spørsmål om de genredigerte dyrenes rettigheter.

Hjernen er en relativ størrelse

Den nye innsikten i hjernegenenes utvikling er et stort framskritt, men den har fortsatt ikke hjulpet forskerne med å forstå hva som utløste utviklingen.

For å løse den gåten har de i stedet rettet oppmerksomheten mot våre forfedres kranier. Tidligere hadde ikke forskerne overblikk over når og hvor raskt hjernens utvikling fant sted, men det gjorde et team av amerikanske og britiske forskere noe med i 2019.

Forskerne samlet alle de dataene de kunne finne om hjernene hos forfedrene våre gjennom fire millioner år. Ut fra hjerne/kropp-forholdet hos dagens primater skapte forskerne en grunnlinje som uttrykte forholdet hos et gjennomsnittlig primat.

Og når de sammenlignet tallene for forfedrene våre med grunnlinjen, fikk de et klart bilde av hjernens utvikling. Hjernen vår er i dag 238 prosent større enn forventet for en primat med vår kroppsvekt.

Går vi to millioner år tilbake, til en av de første artene i menneskeslekten, Homo erectus, er tallet 121 prosent. Og går vi et par millioner år lenger tilbake, til arten Australopithecus afarensis, er tallet 59 prosent. Tallet for sjimpanser er også 59 prosent.

Både mennesket og sjimpansen har usedvanlig store hjerner sammenlignet med andre aper, men mennesket er i en helt annen liga enn sjimpansen. For mellom fire og to millioner år siden stakk hjernene våre av i størrelseskappløpet.

© Claus Lunau

Sjimpansen er en smart ape

Sjimpansens hjerne er om lag 400 kubikkcentimeter og er dermed usedvanlig stor i forhold til kroppsvekten, sammenlignet med andre aper.

© Claus Lunau

Sørape Hadde samme hjerne

Australopithecus afarensis, en såkalt sørape og en av våre tidligste forfedre, hadde en hjerne så stor som sjimpansen har – om lag 460 kubikkcentimeter.

© Claus Lunau

Homo erectus: større hjerne

Homo erectus var en av de første menneskeartene, og den fordoblet hjernens størrelse i forhold til sørapene, slik at den endte på 1000 kubikkcentimeter.

© Claus Lunau

Homo sapiens har en gigant

I dag er hjernen vår om lag 1350 kubikkcentimeter. Forholdet mellom hjerne og kroppsvekt er 238 prosent større enn hos en gjennomsnittlig ape.

Resultatene viser det overordnede bildet av at hjernen vår har vokst, mens det ikke har gått like raskt for sjimpansen. Men forskernes data avslører også helt uventede tendenser.

Utviklingen av større hjerner har tidligere blitt koblet til utviklingen av våre kognitive evner, så forskerne forventet at det særlig var disse evnenes hjem i den ytterste delen av hjernebarken som hadde tiltatt i størrelse.

Men slik er det ikke. Hos oss er hjernebarkens andel av hjernens samlede volum nesten det samme som hos andre aper. Alt i alt fant forskerne ingen forskjeller i hjernens proporsjoner mellom mennesker og sjimpanser.

Det innebærer at vår hjernes grunnleggende design var helt på plass da vi ble skilt fra sjimpansen.

Lillehjernen er undervurdert

Hjernens proporsjoner har ikke endret seg på minst 13 millioner år. Den har vokst i størrelse, men alle deler av hjernen ser ut til å ha vokst i samme tempo. Nøkkelen til veksten finnes derfor ikke ett enkelt sted i hjernen, men overalt.

Den oppreiste gangen ga våre forfedre frie hender.

Den innsikten har åpnet forskernes øyne for hjernedeler som tidligere ikke ble ansett som sentrale i utviklingen. En av dem er lillehjernen.

Den sitter under resten av hjernen og er best kjent for å finjustere bevegelsene våre slik at de blir flytende og ikke foregår i rykk. Den bidrar også til koordinasjonsevne, presisjon og timing.

Men den er også involvert i mentale oppgaver som oppmerksomhet, språk og følelsesmessig kontroll – alt sammen evner som forfedrene våre trengte da de inntok savannen.

Den oppreiste gangen har i seg selv stilt store krav til balanseevnen, og frigjøringen av hendene til andre formål har åpnet muligheter for å utnytte finmotoriske egenskaper til for eksempel å produsere redskaper.

Endelig har utviklingen av språk og evnen til å dempe impulsive følelsesutbrudd gjort det lettere å leve sammen i større grupper.

I et forsøk fra 2020 satte forskere inn menneskegenet ARHGAP11B i fostre fra silkeaper. Genet fikk hjernens stamceller til å vokse og danne flere folder.

© Heide et al./MPI-CBG

Alle disse egenskapene har antagelig spilt en viktig rolle i utviklingen av hjernen, men det er fortsatt usikkert hvilken rekkefølge behovene og evnene har oppstått i, og hvordan de har påvirket hverandre.

Arten vår satser alt på hjernen

Menneskets hjerne utgjør fire prosent av kroppsvekten, men sluker 20 prosent av den energien vi inntar. Ingen andre dyr ofrer så mye på hjernen. Derfor må det være en spesiell årsak til at det lønner seg for oss.

I et forsøk på å finne fram til den årsaken skapte engelske forskere en matematisk modell som sammenlignet ulike scenarier. Modellen er et slags regnskap som viser hvilken type problemer det kan lønne seg å løse ved å investere i en større hjerne.

I modellen skilles det mellom økologiske problemer, som stammer fra det fysiske miljøet, og sosiale problemer, som stammer fra relasjonene mellom individer.

Etter å ha kjørt en lang rekke scenarier fant forskerne den kombinasjonen som passer best med den faktiske utviklingen i menneskets hjernestørrelse.

Modellen viser at den samlede drivkraften bak hjernens utvikling består av 60 prosent økologiske problemer, 30 prosent sosiale problemer og 10 prosent konkurranse mellom individer.

Forfedrene våre utviklet altså først og fremst større hjerner for å overleve utfordringene på savannen. Den store hjernen skulle blant annet brukes til å finne mat, oppbevare den til senere og til å bearbeide den, slik at den var lettere å spise og fordøye.

Her har evner som å spore opp byttedyr, lage redskaper og tenne ild vært store fordeler. Deretter har sosiale talenter spilt en rolle for hjernestørrelsen.

De har gjort det mulig å samarbeide i større grupper, for eksempel om å nedlegge store byttedyr eller angripe andre grupper og stjele mat fra dem.

«Hvis det ikke var noen sosiale utfordringer, ville hjernene våre ha vært enda større.» Mauricio González-Forero, Evolusjonsbiolog

Men til forskernes overraskelse viser modellen at de sosiale problemene isolert sett ikke fører til en voksende hjerne, men tvert imot er en drivkraft mot mindre hjerner.

«Hvis det ikke var noen sosiale utfordringer, ville hjernene våre ha vært enda større, men sannsynligvis dårlig utstyrt til et sosialt liv. Større er ikke nødvendigvis bedre», forteller en av forskerne som står bak analysen, Mauricio González-Forero.

Modellen forklarer dermed ikke bare hvorfor vi har så store hjerner, men også hvorfor de ikke er enda større. Tilsvarende må sjimpansens forfedre ha møtt en annen sammensetning av utfordringer, som har resultert i mindre hjerner – for eksempel ved at de økologiske problemene har vært mindre og de sosiale større.

Hjernen vår skrumper igjen

En stor hjerne er dyrt for kroppen, så hvis den ikke øker sjansene våre for overlevelse og reproduksjon, vil evolusjonen sørge for at den blir mindre. Og det er akkurat det som har skjedd de siste 20 000 årene.

Størrelsen til hjernen vår nådde toppen hos det såkalte Cro Magnon-mennesket for om lag 45 000 år siden.

© P. PLAILLY/E. DAYNES/SPL

Oppmålinger av kranier viser at hjernens størrelse har falt fra 1500 til 1350 kubikkcentimeter hos menn. Det svarer til et hjernetap på størrelse med en tennisball.

Og kvinnehjernen er skrumpet tilsvarende. Antagelig nådde hjernen vår toppen i størrelse for om lag 45 000 år siden med de såkalte Cro-Magnon-menneskene.

De var de første Homo sapiens i Europa, og de er kjent for å skape avanserte hulemalerier og sine avanserte redskaper, figurer og smykker. Cro-Magnon-mennesket levde samtidig med neandertalerne, som også hadde større hjerner enn vi har i dag.

Men neandertalerne hadde også større kroppsvekt, så relativt sett hadde de mindre hjerner enn oss. Det er ingen som vet sikkert hvorfor hjernene våre har skrumpet de siste
20 000 årene.

Forskerne har flere teorier, og kanskje er sannheten en kombinasjon av dem. En av dem går ut på at kroppen vår endret seg da istiden sluttet. I et varmere klima var det ikke lenger nødvendig med en kompakt kroppsbygning.

Vi ble slankere og mistet muskelmasse, og derfor kunne vi klare oss med en mindre hjerne. En annen teori sier at overgangen fra jeger/-sanker-samfunn til landbrukssamfunn endret kostholdet, som fikk et lavere innhold av de proteinene som skal til for å bygge opp en stor hjerne.

En tredje teori går rett og slett ut på at vi har blitt dummere fordi det ikke lenger lønner seg å være smart i et samfunn der de sterke tar seg av de svake.

En av de best underbygde teoriene er lagt fram av de amerikanske forskerne David Geary og Drew Bailey fra University of Missouri. De undersøkte i 2010 utviklingen i hjernestørrelse i perioden fra for 1,9 millioner år siden til for 10 000 år siden.

Perioden dekker dermed utviklingen helt tilbake til da Homo erectus oppsto og fram til da Homo sapiens hadde spredt seg over hele jorden. Formålet med studien var å avdekke hvordan sosiale forhold har spilt inn på hjernestørrelsen.

Som et mål for hvor komplekse sosiale vilkår forfedrene våre levde under, brukte forskerne estimater for folketallet. Her fant de en klar sammenheng mellom befolkningstettheten og hjernestørrelsen.

Jo tettere forfedrene våre levde sammen, desto mindre har hjernen blitt. Det største fallet i størrelse skjedde for om lag 15 000 år siden, da hjernen skrumpet mellom tre og fire prosent. Og det gjaldt mennesker fra alle steder i verden – fra Europa og Afrika til Kina og Malaysia.

Forskerne mener at årsaken er at folk som levde tettere sammen, hadde bedre muligheter for arbeidsdeling. I stedet for å være mentale sveitserkniver som kan løse alle oppgaver, kan vi spesialisere oss og bli enda flinkere på ulike felt. Hver for seg blir vi kanskje litt dummere, men i fellesskap blir vi smartere.

Mindre hjerner kan være bedre

Andre forskere har funnet samme tendens. Den amerikanske antropologen John Hawks har undersøkt kranier funnet i Europa fra bronsealderen fram til middelalderen. I den perioden steg befolkningstettheten markant, og hjernen skrumpet tilsvarende raskt.

Hvis utviklingen fortsetter, kan våre hjerner bli på størrelse med simpansehjerner.

Hawks mener imidlertid ikke at utviklingen nødvendigvis har gjort oss dummere som individer. Han peker på at befolkningstettheten kan ha økt evolusjonens hastighet fordi det oppstår flere nye mutasjoner jo flere vi er.

Samtidig skjer spredningen av de fordelaktige mutasjonene raskere jo mer kontakt vi har med hverandre på tvers av geografiske avstander. De nye mutasjonene kan ha gjort hjernen mer effektiv, for eksempel vet at forbindelsene mellom ulike hjernesenter ble bedre.

En større hjerne er dermed ikke nødvendigvis bedre. Og utviklingen mot mindre hjerner er kanskje ikke slutt.

Hvis hjernene våre fortsetter med å skrumpe i samme takt som den har gjort de siste 20 000 årene, vil den om 50 000 år være like stor som den Homo erectus var utstyrt med for to millioner år siden.

Og allerede om 130 000 år vil mennesket ha en hjerne som har samme størrelse som hjernen til sjimpansen.