Vores hjerner nærmer sig abernes igen

Vi skiltes fra chimpansen, og så eksploderede vores hjerne. På få millioner år mere end tredoblede den sin størrelse, og forskerne har endelig fundet ud af hvorfor. Nu kæmper de med at svare på et andet spørgsmål: Hvorfor vores hjerne er ved at skrumpe igen.

Vi skiltes fra chimpansen, og så eksploderede vores hjerne. På få millioner år mere end tredoblede den sin størrelse, og forskerne har endelig fundet ud af hvorfor. Nu kæmper de med at svare på et andet spørgsmål: Hvorfor vores hjerne er ved at skrumpe igen.

Shutterstock

En af de største milepæle i videnskabens forståelse af vores egen art blev nået i 2001. Efter et 13 år langt og fem milliarder dollars dyrt projekt kunne et internationalt hold af genetikere annoncere, at de havde kortlagt hele menneskets dna.

Med ét stod forskerne med selve opskriften på et menneske. Fem år senere var chimpansens dna også kortlagt. Forskerne var klar til at finde de afgørende forskelle på de to arter – og bl.a. opklare, hvorfor vores hjerne er tre gange så stor som chimpansens. Det viste sig at være sværere end antaget.

Menneskets og chimpansens gener er 99 procent identiske – men det betyder ikke, at alle forskellene findes i den sidste ene procent, for de kan også gemme sig i den del af dna’et, der ligger uden for generne.

Selv ekstremt små forskelle i menneskets og chimpansens dna kan have store konsekvenser. Blot 16 afvigende dna-baser i en over tusind basepar lang dna-sekvens er med til at give os en langt større hjerne end de andre aber.

© Claus Lunau

1. Få baser adskiller arterne

Gensekvensen HARE5 koder ikke for proteiner, men bestemmer, hvor aktivt genet FZD8 er i cellerne. HARE5 består af 1219 basepar, og kun 16 af dem er forskellige i mennesker og chimpanser.

© Claus Lunau

2. Fysisk kontakt tænder for genet

HARE5 skaber fysisk kontakt med FZD8-genet ved at danne en løkke på dna'et. Kontakten tænder for genet hos både os og chimpanser, men vores HARE5-variant stimulerer genet mere effektivt.

© Claus Lunau

3. Genet skruer op for celledelingen

Aktiveringen af FZD8-genet får cellen til at danne FZD8-proteinet, som stimulerer celledeling. Det sker bl.a. i fosterets hjerne, hvor det resulterer i et usædvanlig højt antal nerveceller i hjernebarken.

Gener fungerer som arbejdstegninger for kroppens byggesten, proteinerne, men kortlægningen af menneskets dna afslørede, at generne kun udgør 1,5 procent af dna’et. Resten fik navnet junk-dna, fordi det tilsyneladende ikke havde nogen funktion i vores krop. Det viste sig at være en stor fejl. I 2012 afslørede forskere, at mindst 80 procent af vores samlede dna er biologisk aktivt.

En stor del af det regulerer genernes aktivitet – inklusive de gener, der styrer hjernens udvikling. At finde de forskelle, som giver os vores store hjerne, er derfor et arbejde, som langtfra er afsluttet – selvom forskerne allerede har gjort en række vigtige opdagelser.

Men mens forskerne kæmper med at forstå, hvorfor vores hjerner er vokset så voldsomt, er de stødt på et andet problem. Det har nemlig vist sig, at vores hjerner er i fuld gang med at skrumpe igen.

Vores gener giver dyr store hjerner

I 2015 indsatte amerikanske forskere en menneskelig dna-sekvens ved navn HARE5 i musefostre og sammenlignede hjerneudviklingen med andre musefostre, som fik indsat chimpansevarianten af den samme sekvens.

Makakaber med den menneskelige version af hjernegenet MCPH1 viste sig i et forsøg at have bedre hukommelse end andre makakaber (aberne på billedet er fra et andet forsøg).

© China Daily CDIC/Ritzau Scanpix

HARE5-sekvensen, som tidligere blev betragtet som ubrugeligt junk-dna, er 1219 basepar lang, og forskellen på vores og chimpansens version er bare 16 basepar. Men forsøget viste, hvor vigtig forskellen er. Fostrene med den menneskelige sekvens udviklede hjerner, som var 12 procent større end hos fostrene med chimpansevarianten.

I 2019 indsatte kinesiske forskere den menneskelige variant af genet MCPH1 i 11 fostre af makakaber med det resultat, at deres hjerner fortsatte med at vokse i længere tid end normalt. Fem af fostrene overlevede til fødslen, og da forskerne senere testede deres mentale evner, viste det sig bl.a., at deres hukommelse var bedre end hos makaker uden menneskegenet.

Når makakaber kan fødes med menneskegener, kan det samme ske med chimpanser.

Der er store etiske dilemmaer forbundet med den slags forsøg – især i de tilfælde, hvor de genmodificerede dyr overlever helt til fødslen og videre endnu. At de kinesiske forskere lod makakaberne med menneskegener blive født, viser, at noget tilsvarende kan ske med chimpanser.

Konsekvenserne vil være chimpanser med større hjerner, som udvisker skellet mellem vores to arter og bl.a. rejser svære spørgsmål om de genredigerede dyrs rettigheder.

Hjernen er en relativ størrelse

Den nye indsigt i hjernegenernes udvikling er et stort fremskridt, men den har endnu ikke hjulpet forskerne med at forstå, hvad der udløste udviklingen.

For at løse den gåde har de i stedet rettet opmærksomheden mod vores forfædres kranier. Tidligere havde forskerne ikke overblik over, hvornår og hvor hurtigt hjernens udvikling fandt sted, men det lavede et hold amerikanske og britiske forskere om på i 2019.

Forskerne samlede alle de data, de kunne, om hjernerne hos vores forfædre de sidste fire millioner år. Ud fra hjernekrop-forholdene hos nulevende primater skabte forskerne en grundlinje, som udtrykte forholdet hos en gennemsnitlig primat.

Og når de sammenholdt tallene for vores forfædre med grundlinjen, fik de et klart billede af hjernens udvikling. Vores hjerne er i dag 238 procent større end forventet for en primat med vores kropsvægt.

Går vi to millioner år tilbage til en af de første arter i menneskeslægten, Homo erectus, er tallet 121 procent. Og går vi et par millioner år længere tilbage til arten Australopithecus afarensis, er tallet 59 procent. Tallet for chimpanser er også 59 procent.

Både mennesket og chimpansen har usædvanlig store hjerner sammenlignet med andre aber, men mennesket er i en helt anden liga end chimpansen. For mellem fire og to millioner år siden stak vores hjerner helt af i størrelseskapløbet.

© Claus Lunau

Chimpansen har en stor hjerne

Chimpansens hjerne er ca. 400 kubikcentimeter og er dermed usædvanlig stor i forhold til kropsvægten sammenlignet med andre abers.

© Claus Lunau

Sydabe havde samme hjerne

Australopithecus afarensis, en såkaldt sydabe og en af vores tidligste forfædre, havde en hjerne så stor som chimpansens – ca. 460 kubikcentimeter.

© Claus Lunau

Homo erectus fik vokseværk

Homo erectus var en af de første menneskearter, og den fordoblede hjernens størrelse i forhold til sydaberne, så den endte på 1000 kubikcentimeter.

© Claus Lunau

Homo sapiens huser gigant

I dag er vores hjerne ca. 1350 kubikcentimeter. Det giver et forhold mellem hjerne og kropsvægt, der er 238 procent større end en gennemsnitlig abes.

Resultaterne bekræfter det overordnede billede af, at vores hjerne er vokset med tiden, mens det ikke er gået lige så stærkt for chimpansen. Men forskernes data afslører også helt uventede tendenser.

Udviklingen af større hjerner er tidligere blevet koblet til udviklingen af vores kognitive evner, så forskerne forventede, at det især var disse evners hjem i den yderste del af hjernebarken, der var tiltaget i størrelse. Men sådan er det ikke. Hos os er hjernebarkens andel af hjernens samlede rumfang næsten det samme som hos andre aber.

Alt i alt fandt forskerne ingen forskelle i hjernens proportioner mellem mennesker og chimpanser. Det betyder, at vores hjernes grundlæggende design var helt på plads, da vi skiltes fra chimpansen.

Lillehjernen er undervurderet

Vores hjernes proportioner har ikke ændret sig i mindst 13 millioner år. Den er vokset i størrelsen, men alle dele af hjernen har tilsyneladende vokset i samme tempo. Nøglen til vokseværket skal derfor ikke findes et enkelt sted i hjernen, men overalt.

Den oprejste gang gav vores forfædre frie hænder.

Den indsigt har åbnet forskernes øjne for hjernedele, der tidligere ikke blev anset som centrale i udviklingen. En af dem er lillehjernen. Den sidder under den øvrige hjerne og er bedst kendt for at finjustere vores bevægelser, så de bliver flydende og ikke foregår i ryk, ligesom den bidrager til vores koordinationsevne, præcision og timing.

Men den er også involveret i mentale opgaver som opmærksomhed, sprog og følelsesmæssig kontrol – alt sammen evner, som vores forfædre havde brug for, da de indtog savannen.

Den oprejste gang har i sig selv stillet store krav til balanceevnen, og frigivelsen af hænderne til andre formål har åbnet mulighed for at udnytte finmotoriske egenskaber til fx at fremstille redskaber. Endelig har udviklingen af sprog og evnen til at dæmpe impulsive følelsesudbrud gjort det lettere at leve sammen i større grupper.

I et forsøg fra 2020 indsatte forskere menneskegenet ARHGAP11B i fostre fra silkeaber. Genet fik hjernens stamceller til at vokse, så hjernen blev større og fik flere folder.

© Heide et al./MPI-CBG

Alle disse egenskaber har formentlig spillet en vigtig rolle i udviklingen af hjernen, men det er stadig usikkert, i hvilken rækkefølge behovene og evnerne er opstået, og hvordan de har påvirket hinanden.

Vores art satser alt på hjernen

Menneskets hjerne udgør fire procent af kropsvægten, men sluger 20 procent af den energi, vi indtager. Ingen andre dyr ofrer så meget på hjernen. Derfor må der være en særlig årsag til, at det kan betale sig for os.

I et forsøg på at finde frem til den årsag skabte engelske forskere en matematisk model, der stillede forskellige scenarier op over for hinanden. Modellen er en slags regnskab, som viser, hvilken type problemer det kan betale sig at løse ved at investere i en større hjerne.

I modellen skelnes der mellem økologiske problemer, som skabes af det fysiske miljø, og sociale problemer, som skabes af relationerne mellem individer. Efter at have kørt en lang række scenarier fandt forskerne den kombination, der passer bedst med den reelle udvikling i menneskets hjernestørrelse.

Modellen viser, at den samlede drivkraft bag hjernens udvikling består af 60 procent økologiske problemer, 30 procent sociale problemer og 10 procent konkurrence mellem individer.

Vores forfædre udviklede dermed først og fremmest større hjerner for at overleve udfordringerne på savannen. Den store hjerne skulle bl.a. bruges til at finde føde, opbevare den til senere og til at bearbejde den, så den var lettere at spise og fordøje.

Her har evner som at opspore bytte, fremstille redskaber og tænde ild været store fordele. Dernæst har sociale talenter spillet en rolle for hjernestørrelsen. De har gjort det muligt at samarbejde i større grupper, fx om at nedlægge store byttedyr eller angribe andre grupper og stjæle deres mad.

"Hvis der ikke var nogen sociale udfordringer, ville vores hjerner have været endnu større." Mauricio González-Forero, evolutionsbiolog

Men til forskernes overraskelse viser deres model, at de sociale problemer isoleret set ikke fører til en voksende hjerne, men tværtimod er en drivkraft mod mindre hjerner.

“Hvis der ikke var nogen sociale udfordringer, ville vores hjerner have været endnu større, men sandsynligvis dårligt
udstyret til et socialt liv. Større er ikke nødvendigvis bedre,” fortæller en af forskerne bag analysen, Mauricio González-Forero.

Modellen forklarer dermed ikke kun, hvorfor vi har så store hjerner, men også hvorfor de ikke er endnu større. Tilsvarende må chimpansens forfædre have mødt en anden sammensætning af udfordringer, som har resulteret i mindre hjerner – fx ved, at de økologiske problemer har været mindre og de sociale større.

Vores hjerne skrumper igen

En stor hjerne koster kroppen dyrt, så hvis den ikke øger vores chancer for overlevelse og reproduktion, vil evolutionen sørge for, at den bliver mindre. Og det er, præcis hvad der er sket de seneste 20.000 år.

Vores hjernes størrelse toppede hos det såkaldte Cro Magnon-menneske for ca. 45.000 år siden.

© P. PLAILLY/E. DAYNES/SPL

Opmålinger af kranier viser, at hjernens størrelse er faldet fra 1500 kubikcentimeter til 1350 hos mænd. Det svarer til et hjernetab på størrelse med en tennisbold. Og kvindehjernen er skrumpet tilsvarende. Formentlig toppede vores hjerne i størrelse for cirka 45.000 år siden med de såkaldte Cro-Magnon-mennesker.

De var de første Homo sapiens i Europa, og de er kendt for at skabe avancerede hulemalerier og dygtigt forarbejdede redskaber, figurer og smykker. Cro-Magnon-mennesket levede samtidig med neandertalerne, som også havde større hjerner, end vi har i dag. Men neandertalerne havde også større kropsvægt, så relativt set var deres hjerner mindre end vores.

Det er stadig til diskussion, hvorfor vores hjerner er skrumpet de sidste 20.000 år. Forskerne har flere teorier, og måske er sandheden en kombination af dem. En af dem går ud på, at vores krop ændrede sig, da istiden sluttede.

I et varmere klima var det ikke længere nødvendigt med en kompakt kropsbygning. Vi blev slankere og mistede muskelmasse, og derfor kunne vi klare os med en mindre hjerne. En anden teori siger, at overgangen fra jæger-samler-samfund til landbrugssamfund ændrede vores kost, så den blev fattig på de proteiner, som skal til for at opbygge en stor hjerne.

Endelig går en tredje teori slet og ret ud på, at vi er blevet dummere, fordi det ikke længere kan betale sig at være klog i et samfund, hvor de stærke tager sig af de svage.

En af de bedst underbyggede teorier er fremlagt af de amerikanske forskere David Geary og Drew Bailey fra University of Missouri. De undersøgte i 2010 udviklingen i hjernestørrelse i perioden fra for 1,9 millioner år siden til for 10.000 år siden.

Perioden dækker dermed udviklingen helt tilbage, fra Homo erectus opstod, til Homo sapiens havde spredt sig over hele Jorden. Formålet med undersøgelsen var at afdække, hvordan sociale forhold har spillet ind på hjernestørrelsen.

Som et mål for, hvor komplekse sociale vilkår vores forfædre levede under, brugte forskerne estimater for befolkningstallet. Her fandt de en klar sammenhæng mellem befolkningstætheden og hjernestørrelsen.

Jo tættere vores forfædre levede sammen, desto mindre er hjernen blevet. Det største fald i størrelse skete for cirka 15.000 år siden, hvor hjernen skrumpede mellem tre og fire procent. Og det gjaldt mennesker fra alle steder i verden – fra Europa og Afrika til Kina og Malaysia.

Forskerne mener, at årsagen skal findes i, at et samfund med tæt befolkning giver bedre mulighed for arbejdsdeling. I stedet for at være mentale schweizerknive, som kan løse alle opgaver, kan vi hver især specialisere os og blive endnu skarpere på hver sit felt. Hver for sig bliver vi måske lidt dummere, men i fællesskab bliver vi klogere.

Mindre hjerner kan være bedre

Andre forskere har fundet samme tendens. Den amerikanske antropolog John Hawks har undersøgt kranier fundet i Europa fra bronzealderen frem til middelalderen. I den periode steg befolkningstætheden markant, og hjernen skrumpede tilsvarende hurtigt.

Hvis udviklingen fortsætter, kan vores hjerner blive på størrelse med chimpansers.

Hawks mener dog ikke, at udviklingen nødvendigvis har gjort os dummere som individer. Han peger på, at befolkningstætheden kan have øget evolutionens hastighed, fordi der opstår flere nye mutationer, jo flere vi er.

Samtidig sker spredningen af de fordelagtige mutationer hurtigere, jo mere kontakt vi har med hinanden på tværs af geografiske afstande. De nye mutationer kan have gjort hjernen mere effektiv, fx ved at forbindelserne mellem forskellige hjernecentre blev bedre.

En større hjerne er dermed ikke nødvendigvis bedre. Og udviklingen mod mindre hjerner er måske slet ikke slut.

Hvis vores hjerner fortsætter med at skrumpe i samme takt, som den har gjort de sidste 20.000 år, vil den om 50.000 år være lige så stor som den, Homo erectus var udstyret med for to millioner år siden. Og allerede om 130.000 år vil mennesket have en hjerne, der har samme størrelse som chimpansens.