Vår hjärna närmar sig apornas hjärna på nytt

Vår hjärna formligen exploderade efter det att vi skildes från schimpansen. På bara några miljoner år mer än tredubblades hjärnans storlek, och forskarna vet varför den växte. Men nu kämpar de med att besvara en annan fråga: Varför håller vår hjärna på att krympa igen?

Vår hjärna formligen exploderade efter det att vi skildes från schimpansen. På bara några miljoner år mer än tredubblades hjärnans storlek, och forskarna vet varför den växte. Men nu kämpar de med att besvara en annan fråga: Varför håller vår hjärna på att krympa igen?

Shutterstock

En av de största milstolparna i vetenskapens förståelse av vår egen art nåddes 2001. Efter ett 13 år långt och fem miljarder dollar dyrt projekt kunde en grupp genetiker från olika delar av världen meddela att de hade kartlagt människans hela dna.

Plötsligt hade forskarna tillgång till receptet på en människa. Fem år senare hade även schimpansens dna kartlagts.

Forskarna var nu redo att hitta de avgörande skillnaderna mellan de båda arterna och bland annat ta reda på varför vår hjärna är tre gånger större än schimpansens. Men det visade sig vara svårare än man trott.

Människans och schimpansens gener är identiska till 99 procent. Det innebär dock inte att alla skillnader står att finna i den sista procenten, för de kan även ligga dolda i den del av dna som ligger utanför generna.

Även extremt små skillnader i människans och schimpansens dna kan få stora konsekvenser. Endast 16 avvikande dna-baser i en över tusen baspar lång dna-sekvens bidrar till att ge oss en betydligt större hjärna än övriga apor.

© Claus Lunau

1. Få baser åtskiljer arterna

Gensekvensen HARE5 kodar inte för proteiner, utan bestämmer genen FZD8:s aktivitet i cellerna. HARE5 består av 1 219 baspar, och endast 16 av dem är olika hos människa och schimpans.

© Claus Lunau

2. Genen aktiveras av fysisk kontakt

Genom att bilda en ögla på dna skapar HARE5 fysisk kontakt med FZD8. Kontakten aktiverar genen hos både oss och ­schimpanser, men vår ­HARE5-variant stimulerar genen effektivare.

© Claus Lunau

3. Genen skyndar på celldelningen

Aktiveringen av genen FZD8 får cellen att bilda proteinet FZD8, som ­stimulerar celldelning. Det sker bland annat i fostrets hjärna, där det resulterar i ett ovanligt högt antal nervceller i hjärnbarken.

Gener fungerar som planritningar för proteinerna, kroppens byggstenar, men kartläggningen av människans dna visade att generna bara utgör 1,5 procent av dna.

Resten är så kallat själviskt dna, som man inte trodde hade någon funktion i kroppen. 2012 avslöjade emellertid forskare att minst 80 procent av vårt totala dna är biologiskt aktivt.

En stor del av det reglerar genernas aktivitet, inklusive de gener som styr hjärnans utveckling. Trots att forskarna redan har gjort en rad viktiga upptäckter är det ett långt ifrån avslutat arbete att hitta de skillnader som ger oss vår stora hjärna.

Medan forskarna kämpar med att förstå varför vår hjärna har växt så mycket har de stött på ett annat problem. Det har nämligen visat sig att vår hjärna håller på att krympa igen.

Våra gener ger djur stor hjärna

2015 satte en amerikansk forskargrupp in den mänskliga dna-sekvensen HARE5 i musfoster och jämförde deras hjärnutveckling med andra musfoster som i stället fick schimpansvarianten av samma dna-sekvens.

I en studie visade det sig att makaker med den mänskliga varianten av hjärngenen MCPH1 fick bättre minne än andra makaker (aporna på bilden är från en annan studie).

© China Daily CDIC/Ritzau Scanpix

Sekvensen HARE5, som tidigare betraktades som själviskt dna, är 1 219 baspar lång och skillnaden mellan vår och schimpansens variant är bara 16 baspar. Studien visade dock hur viktig den skillnaden är då fostren med den mänskliga sekvensen utvecklade en tolv procent större hjärna än fostren med schimpansvarianten.

2019 satte kinesiska forskare in den mänskliga varianten av genen MCPH1 i elva makakfoster, vilket gjorde att deras hjärna fortsatte växa under en längre tid än normalt. Fem av fostren överlevde till födseln, och när forskarna senare testade deras mentala kapacitet visade det sig bland annat att de hade bättre minne än makaker utan den mänskliga genen.

När makaker kan födas med mänskliga gener kan detsamma hända med schimpanser.

Det finns stora etiska dilemman med sådana försök, i synnerhet i fall där de genmodifierade djuren överlever till födseln och växer upp. Att de kinesiska forskarna lät makakerna med människogener födas visar att något motsvarande kan ske med schimpanser.

Konsekvenserna av det skulle bli schimpanser med större hjärna, och som därmed suddar ut skillnaden mellan våra två arter och bland annat väcker svåra frågor om de genmodifierade djurens rättigheter.

Hjärnan är en relativ storhet

De nya kunskaperna om hjärngenernas utveckling innebär stora framsteg, men de har ännu inte hjälpt forskarna att förstå vad som låg bakom utvecklingen. För att lösa den gåtan har de riktat uppmärksamheten mot våra förfäders kranier.

Tidigare hade forskarna ingen riktig överblick över när och hur snabbt hjärnan utvecklades, men det ändrade en grupp amerikanska och brittiska forskare på 2019.

Forskarna samlade in alla data de hittade om våra förfäders hjärna under de senaste fyra miljoner åren. Utifrån förhållandet mellan hjärnan och kroppen hos nu levande primater skapade forskarna en grundlinje för förhållandet hos en genomsnittlig primat.

När de jämförde siffrorna för våra förfäder med grundlinjen fick de en tydlig bild av hjärnans utveckling. Vår hjärna är i dag 238 procent större än förväntat för en primat med vår kroppsvikt.

Om vi går två miljoner år tillbaka till Homo erectus, en av människosläktets första arter, är motsvarande siffra 121 procent. Och om vi går ytterligare ett par miljoner år tillbaka, till Australopithecus afarensis, är siffran 59 procent. Även siffran för schimpanser är 59 procent.

Både människan och schimpansen har ovanligt stor hjärna jämfört med andra apor, men människan befinner sig i en annan liga i jämförelse med schimpansen. För mellan två och fyra miljoner år sedan fick vår hjärna ett rejält försprång i storlekskapplöpningen.

© Claus Lunau

Schimpansen har stor hjärna

Schimpansens hjärnvolym är cirka 400 kubikcentimeter, vilket är ovanligt stort i förhållande till kroppsvikten jämfört med andra apor.

© Claus Lunau

A. afarensis var lika stor

Australopithecus afarensis, en av våra allra tidigaste förfäder, hade lika stor hjärna som schimpansen, cirka 460 kubikcentimeter.

© Claus Lunau

Homo erectus fick växtvärk

Homo erectus var en av de första människoarterna. Den hade dubbelt så stor hjärna som Australopithecus, hela 1 000 kubikcentimeter.

© Claus Lunau

Homo sapiens är enorm

Vår hjärnvolym är i dag cirka 1 350 kubikcentimeter, ett förhållande mellan hjärna och kroppsvikt som är 238 procent större än hos en genomsnittlig apa.

Resultaten bekräftar bilden av att vår hjärna har växt med tiden och att det inte har gått lika snabbt för schimpansen. Forskarnas data visar dock även oväntade tendenser.

Utvecklingen av en större hjärna har tidigare kopplats till utvecklingen av vår kognitiva förmåga, så forskarna förväntade sig att det huvudsakligen var denna förmågas hemvist, hjärnbarkens yttersta del, som ökat i storlek.

Men så är inte fallet. Hos oss är hjärnbarkens andel av hjärnans totala volym nästan densamma som hos andra apor.

Sammantaget upptäckte forskarna inga skillnader i hjärnans proportion mellan människa och schimpans, vilket innebär att vår hjärnas grundläggande utformning var färdigutvecklad när vi åtskildes från schimpansen.

Lillhjärnan är underskattad

Vår hjärnas proportioner har inte förändrats på minst 13 miljoner år. Hjärnan har blivit större, men alla delar av den tycks ha växt i samma takt. Nyckeln till växtvärken står därmed inte att finna i någon viss del av hjärnan, utan överallt.

Den upprätta gången gav våra förfäder fria händer.

Insikten har lett till att forskarna intresserat sig för delar av hjärnan som tidigare inte ansetts vara centrala i utvecklingen. En av dem är lillhjärnan.

Den sitter under hjärnans övriga delar och är mest känd för att finjustera våra rörelser, så att de inte blir ryckiga. Dessutom bidrar lillhjärnan till vår koordinationsförmåga, precision och tajmning.

Den har också med mentala förmågor som uppmärksamhet, språk och känslomässig kontroll att göra, färdigheter som våra för­fäder behövde när de intog savannen.

Bara den upprätta gången ställde höga krav på balansen, och frigörelsen av händerna till andra syften öppnade för möjligheter att utnyttja finmotoriska färdigheter för att exempelvis tillverka redskap.

Slutligen gjorde språkutvecklingen och förmågan att dämpa hastiga känsloutbrott det lättare att leva tillsammans i större grupper.

I en studie år 2020 satte forskare in den mänskliga genen ARHGAP11B i foster från silkesapor. Genen fick hjärnans stamceller att växa så att hjärnan blev större och fick fler veck.

© Heide et al./MPI-CBG

Alla dessa färdigheter spelade troligen en viktig roll för utvecklingen av hjärnan, men det är fortfarande ovisst i vilken ordning dessa behov och färdigheter uppstod och hur de påverkade varandra.

Vår art satsar allt på hjärnan

Människans hjärna utgör fyra procent av kroppsvikten men förbrukar 20 procent av vår energi. Inget annat djur offrar lika mycket på sin hjärna. Därför måste det finnas en anledning till att det lönar sig för oss.

I ett försök att ta reda på anledningen utvecklade en grupp engelska forskare en matematisk modell som ställer olika scenarier mot varandra.

Det är en ”balansräkning” som visar vilken typ av problem det lönar sig att lösa genom att investera i en större hjärna.

I modellen särskiljer man olika ekologiska problem som uppstår på grund av den fysiska miljön samt sociala problem som uppstår till följd av relationer mellan individer

Efter att ha testat en lång rad scenarier hittade forskarna den kombination som bäst överensstämmer med den faktiska utvecklingen av människans hjärnstorlek.

Modellen visar att drivkraften bakom hjärnans utveckling utgörs av 60 procent ekologiska problem, 30 procent sociala problem och tio procent konkurrens mellan individer.

Våra förfäder utvecklade därmed en större hjärna först och främst för att klara utmaningarna på savannen. Hjärnan behövdes bland annat för att hitta och förvara mat samt bearbeta maten, så att den blev lättare att äta och smälta.

I detta sammanhang har förmågor som att spåra djur, tillverka redskap och göra upp eld inneburit stora fördelar. Även sociala färdigheter har påverkat hjärnans storlek.

De har gjort det möjligt att samarbeta i större grupper för att exempelvis nedlägga stora djur eller angripa andra människor och komma över deras mat.

”Om vi inte hade ­ställts inför några ­sociala ­utmaningar skulle vår ­hjärna ha varit ännu större.” Mauricio González-Forero, Evolutionsbiolog

Till forskarnas förvåning visar dock deras modell att sociala problem i sig inte medför en större hjärna, utan snarare är en drivkraft mot en mindre hjärna.

”Om vi inte hade ställts inför några sociala utmaningar skulle vår hjärna ha varit ännu större, men troligen dåligt rustad för ett socialt liv. Större är inte alltid bättre”, säger Mauricio González-Forero, en av forskarna bakom analysen.

Modellen förklarar alltså inte bara varför vi har en stor hjärna utan också varför den inte är ännu större.

Följaktligen måste schimpansens förfäder ha stött på andra utmaningar som har medfört en mindre hjärna, till exempel genom att de ekologiska problemen var mindre och de sociala större.

Vår hjärna krymper igen

En stor hjärna är dyrköpt för kroppen. Om den inte ökar vår chans för överlevnad och reproduktion ser evolutionen till att den blir mindre – och det är exakt vad som har hänt under de senaste 20 000 åren.

Vår hjärna var som störst hos cromagnonmänniskan, som levde för cirka 45 000 år sedan.

© P. PLAILLY/E. DAYNES/SPL

Mätningar av kranier visar att hjärnans storlek hos män har minskat från 1 500 kubikcentimeter till 1 350 – motsvarande en tennisboll. Även kvinnors hjärna har krympt på motsvarande sätt. Vår hjärna var troligen som störst för cirka 45 000 år sedan, då den så kallade cromagnonmänniskan levde.

Den var Europas första Homo sapiens och är känd för att ha skapat avancerade grottmålningar samt avancerade redskap, figurer och smycken.

Cromagnonmänniskan levde samtidigt som neandertalmänniskan, som också hade större hjärna än den vi har i dag. Neandertalmänniskan hade emellertid också större kroppsvikt, så relativt sett var dess hjärna mindre än vår egen.

Det diskuteras fortfarande hur det kommer sig att vår hjärna har krympt de senaste 20 000 åren. Forskarna har flera teorier och kanske är sanningen en kombination av dem.

En av teorierna är att vår kropp förändrades när istiden tog slut. I ett varmare klimat behövdes inte längre en kompakt kroppsbyggnad.

Vi blev smalare och förlorade muskelmassa, och därför klarade vi oss med en mindre hjärna. Enligt en annan teori förändrade övergången från jägar- och samlarsamhällen till jordbrukssamhällen vår kost, så att den blev fattig på de proteiner som krävs för att bygga upp en stor hjärna.

Enligt en tredje teori har vi helt enkelt blivit mer korkade, eftersom det inte längre lönar sig att vara intelligent i ett samhälle där de starka tar hand om de svaga.

En av de bäst underbyggda teorierna har lagts fram av de amerikanska forskarna David Geary och Drew Bailey vid University of Missouri, USA.

2010 studerade de utvecklingen av hjärnans storlek under en period från 1,9 miljoner till 10 000 år sedan, som omfattar utvecklingen från det att Homo erectus uppstod tills Homo sapiens hade spridit sig över hela planeten.

Syftet med studien var att komma fram till hur sociala förhållanden har påverkat hjärnans storlek. Som ett mått på hur komplexa sociala villkor våra förfäder levde under använde forskarna uppskattningar av befolkningsstorleken.

De fann ett tydligt samband mellan befolkningstätheten och hjärnans storlek. Ju närmare varandra våra förfäder levde, desto mindre blev hjärnan.

Den största storleksminskningen skedde för cirka 15 000 år sedan, då hjärnan blev tre–fyra procent mindre. Det gällde människor överallt, från Europa och Afrika till Kina och Malaysia.

Forskarna tror att det beror på att människor som lever nära inpå varandra kan dela på arbetsuppgifterna. I stället för att vara mentala ”schweiziska arméknivar” som klarar allt kan var och en specialisera sig och bli skicklig på var sitt område. Var och en av oss blir kanske aningen dummare, men tillsammans blir vi smartare.

En mindre hjärna kan vara bättre

Andra forskare har sett samma tendens. Den amerikanske antropologen John Hawks har undersökt kranier som hittats i Europa från bronsåldern till medeltiden. Under den perioden ökade befolkningstätheten markant och hjärnan krympte i motsvarande takt.

Om evolutionen fortsätter kan vår hjärna bli lika stora som hjärnan hos schimpanser.

Hawks tror dock inte att utvecklingen nödvändigtvis har gjort oss dummare på individnivå. Han påpekar att befolkningstätheten kan ha påskyndat evolutionen eftersom det uppstår fler mutationer ju fler vi blir.

Samtidigt sker spridningen av de gynnsamma mutationerna snabbare ju mer kontakt vi har med varandra över stora geografiska avstånd.

De nya mutationerna kan ha gjort hjärnan effektivare, till exempel genom att kopplingarna mellan hjärnans olika delar har förbättrats.

En större hjärna är därmed inte nödvändigtvis bättre, så utvecklingen mot en mindre hjärna är kanske inte över.

Om vår hjärna fortsätter att krympa i samma takt som den har gjort under de senaste 20 000 åren kommer den om 50 000 år att ha samma storlek som Homo erectus hjärna hade för två miljoner år sedan.

Och om 130 000 år kommer människan att ha en hjärna stor som en schimpanshjärna.