Ein helstu þáttaskil í þekkingu vísinda á okkar eigin tegund áttu sér stað árið 2001. Eftir 13 ára langt rannsóknarverkefni og fimm milljarða dala gat alþjóðlegt teymi erfðafræðinga þá tilkynnt að þeir hefðu nú kortlagt allt erfðaefni mannsins.
Í einu vetfangi höfðu nú vísindamenn sjálfa uppskriftina á manneskju milli handanna. Fimm árum síðar var DNA simpansa einnig kortlagt. Vísindamenn voru nú tilbúnir að finna afgerandi mismun á tegundunum tveimur – og m.a. skýra hvers vegna heili okkar er þrisvar sinnum stærri en simpansa. En það reyndist ekki vera eins auðvelt og ætla mátti.
Gen manna og simpansa eru 99% hin sömu – en það þýðir ekki að allan mun sé að finna í þessu eina prósenti sem skilur á milli, því mismunurinn getur einnig leynst í þeim hlutum erfðaefnisins sem eru fyrir utan genið.
Lítill DNA bútur veitir heilanum vaxtarverki
Jafnvel ákaflega lítill munur í DNA manna og simpansa getur haft miklar afleiðingar. Einungis 16 frávik í DNA-bösum í meira en 1.000 basapara löngum DNA-runum eiga þátt í að við erum með langtum stærri heila en aðrir apar.
1. Fáir basar greina tegundirnar að
Genarunan HARE5 kóðar ekki fyrir prótín heldur ákvarðar hve virkt genið FZD8 er í frumum. HARE5 samanstendur af 1.219 basapörum og einungis 16 þeirra eru ólík í mönnum og simpönsum.
2. Náin snerting kveikir á geni
HARE5 skapar snertingu við FZD8-genið með því að mynda lykkju á DNA. Snertingin kveikir á geni frá bæði okkur og simpönsum en HARE5-afbrigðið okkar örvar genið meira.
3. Genið hraðar frumuskiptingu
Virkjun FZD8-gensins fær frumuna til að mynda FZD8-prótín sem örvar frumuskiptingu. Þetta gerist m.a. í heila fóstursins og leiðir til mikils fjölda taugafrumna í heilaberkinum.
Genin virka eins og vinnuteikningar fyrir byggingarsteina líkamans, prótínin, meðan kortlagning á DNA mannsins afhjúpaði að genin eru þannig aðeins 1,5% af DNA-inu. Afgangurinn var kallaður DNA-rusl, því það virtist ekkert hafa neina sérstaka virkni í líkama okkar. Þetta reyndust vera mikil mistök. Árið 2012 sýndu vísindamenn að minnst 80% af öllu DNA okkar er líffræðilega virkt.
Drjúgur hluti þess stýrir virkni genanna – þ.m.t. þeim genum sem stýra þróun heilans. Að finna þann mun sem gefur okkur stóran heila er því verkefni sem er langt því frá lokið – þrátt fyrir að vísindamenn hafi þegar gert margar mikilvægar uppgötvanir.
En á meðan vísindamenn berjast við að skilja hvers vegna heili okkar hafi stækkað svona mikið hafa þeir rekist á annan vanda. Það hefur nefnilega komið í ljós að heilar okkar eru að minnka á ný.
Gen okkar veita dýrum stóra heila
Árið 2015 settu bandarískir vísindamenn mannlega DNA-runu sem nefnist HARE5 í músafóstur og báru saman þroskun heilans við önnur músafóstur sem fengu simpansaafbrigðið af sömu runu.
Makakaapar með mannlegu gerðina af heilageninu MCPH1 reyndust í tilraun einni vera með betra minni en aðrir makakaapar (aparnir á myndinni eru úr annarri tilraun).
HARE5 runan sem var áður talin tilheyra DNA-rusli er 1.219 basapör á lengd og munurinn á okkar og gerð simpansa telur einungis 16 basapör. En tilraunin sýndi hve mikilvægur þessi munur er. Fóstrin með mannlegu rununa þróuðu heila sem var 12% stærri en hjá hinum með simpansaafbrigðið.
Árið 2019 settu kínverskir vísindamenn mannlega afbrigðið af geninu MCPH1 í 11 fóstur makakaapa með þeim árangri að heilar þeirra héldu áfram að vaxa í lengri tíma en ella. Fimm fóstranna lifðu til fæðingar og þegar vísindamenn prófuðu síðan hugræna eiginleika þeirra kom í ljós m.a. að minni þeirra var betra en hjá makakaöpum án manneskjugensins.
Ef makakaapar geta fæðst með gen úr mönnum, geta simpansar það líka.
Það eru margar og mikilvægar siðferðilegar spurningar sem vakna við svona tilraunir – einkum í þeim tilvikum þar sem genabreytt dýr lifa fram yfir fæðingu. Það að kínverskir vísindamenn hafi leyft makakaöpunum með mannagenum að fæðast sýnir að eitthvað sambærilegt gæti átt sér stað með simpansa.
Árangurinn yrði þá simpansi með stærri heila sem dregur þannig úr muninum milli okkar og þeirra og vekur m.a. upp spurningar um siðferðileg réttindi slíks dýrs.
Heilinn er afstæð stærð
Þessi nýja innsýn í þróun heila genanna er mikið framfaraskref en hefur þó ekki hjálpað vísindamönnum enn við að skilja hvað það er sem orsakar þróunina.
Til þess að leysa þá gátu hafa þeir þess í stað beint athyglinni að höfuðkúpum forfeðra okkar. Áður fyrr höfðu vísindamenn ekki yfirsýn yfir hvernig og hve hratt þróun heilans átti sér stað en þessu réði teymi bandarískra og breskra vísindamanna bót á árið 2019.
LESTU EINNIG
Þeir söfnuðu saman öllum þeim gögnum sem þeir fundu um heila forfeðra okkar síðustu fjórar milljónir ára. Út frá samhengi milli heilastærðar og líkamsþyngdar hjá núlifandi prímötum útbjuggu vísindamennirnir grunnlínu sem tjáir þetta samhengi hjá meðaltalsprímata.
Og þegar þeir báru tölurnar saman við forfeður okkar á grunnlínunni kom fram skýr mynd af þróun heilans. Heili okkar er núna 238% stærri en vænta mætti miðað við prímata með okkar líkamsþyngd.
Ef við förum tvær milljónir ára aftur í tímann til einna fyrstu tegundarinnar í mannaættinni, Homo erectus, er talan 121%. Og sé haldið nokkrar milljónir ára enn aftar til tegundarinnar Australopithecus afarensis, er talan 59%. Talan fyrir simpansa er einnig 59%.
Vaxtarhraði heilans hefur aukist
Bæði menn og simpansar eru með óvenjulega stóra heila, samanborið við aðra apa en manneskjan er í allt annarri deild en simpansar. Fyrir milli fjórum og tveimur milljón árum síðan stakk heili okkar af í stærðarkapphlaupinu.
Simpansar eru með stóran heila
Heili simpansa er um 400 rúmsentimetrar og er því óvenjulega stór miðað við líkamsþyngd, samanborið við aðra apa.
Suðurapi hafði sama heila
Australopithecus afarensis, svonefndur suðurapi og einn elsti forfaðir okkar, hafði álíka stóran heila og simpansar – um 460 rúmsentimetra.
Homo erectus fékk vaxtarverki.
Homo erectus var einn af fyrstu mannategundinni og heili hans fjórfaldaðist í stærð miðað við suðurapa, svo að hann endaði í um 1.000 rúmsentimetrum.
Homo sapiens með risaheila
Núna er heili okkar um 1.350 rúmsentimetrar. Það veitir hlutfall milli heila og líkamsþyngdar sem er 238% sinnum meira en meðaltal apanna.
Niðurstöðurnar staðfesta þá mynd að heili okkar hefur vaxið með tímanum; nokkuð sem hefur ekki átt sér stað í álíka mæli hjá simpönsum. En gögn vísindamannanna afhjúpa einnig óvæntar tilhneigingar.
Þróun á stærri heila hefur áður fyrr verið tengd við þróun á andlegum eiginleikum okkar þannig að sérfræðingarnir væntu þess að það væru einmitt þessir hæfileikar sem væri að finna í ysta hluta heilabarkarins sem hefur stækkað hvað mest. En sú er ekki raunin. Hjá okkur er rúmfang heilabarkarins næstum hið sama og hjá öðrum öpum.
Þannig fundu vísindamenn engan mun í hlutföllum heilans milli manna og simpansa. Það þýðir að grunnhönnun heila okkar var þegar til staðar þegar við greindumst frá simpönsum.
Litli heilinn er vanmetinn
Hlutföll heila okkar hafði ekki breyst í minnst 13 milljón ár. Hann hefur vissulega stækkað en allir hlutar hans virðast hafa gert það jafn mikið. Lykilinn að þessum vexti er því ekki að finna á einhverjum einum stað í heilanum heldur í honum öllum.
Uppréttur gangur frelsaði hendur forfeðra okkar.
Þessi sannindi hafa opnað augu vísindamanna fyrir hlutum heilans sem voru áður fyrr ekki taldir miðlægir í þróuninni. Einn þeirra er litli heilinn. Hann situr undir stóra heilanum og er best þekktur fyrir að fínstilla hreyfingar okkar þannig að þær verði fljótandi en ekki í rykkjum, rétt eins og hann leggur sitt af mörkum við samhæfingu, nákvæmni og tímasetningu.
En hann tekur einnig þátt í andlegum viðfangsefnum eins og athygli, tungumáli og tilfinningalegri stjórn – allt saman eiginleikar sem forfeður okkar þurftu á að halda þegar þeir héldu út á gresjurnar forðum daga.
Uppréttur gangur hefur einn og sér gert miklar kröfur til jafnvægis og þegar hendurnar þurftu ekki lengur að styðja við gang á jörðinni opnuðust nýir möguleikar til að nýta sér fínhreyfingar til þess að búa m.a. til verkfæri. Ennfremur hefur þróun máls og getan til að bæla niður ofsafengin tilfinningaviðbrögð auðveldað okkur að lifa saman í stórum hópum.
Í tilraun frá árinu 2020 settu vísindamenn mannagenið ARHGAP11B í fóstur silkiapa. Genið fékk stofnfrumur heilans til að vaxa þannig að heilinn varð stærri og fékk fleiri fellingar.
Allir þessir eiginleikar hafa líklega gegnt mikilvægu hlutverki í þróun heilans en ekki er enn ljóst í hvaða röð þarfir og hæfileikar hafa komið fram eða hvernig þetta tvennt hefur verkað hvort á annað.
Heilinn er mönnum allt
Heili manna er um 4% af líkamsþyngd en slokar í sig fimmtungi þeirrar orku sem við innbyrðum. Engin önnur dýr reiða sig svo mikið á heilann. Því hlýtur að vera til einhver sérstök orsök þess að þetta geti borgað sig fyrir okkur til að lifa af.
Í einni tilraun við að finna þessa orsök bjuggu enskir vísindamenn til reiknilíkan þar sem þeir stilltu upp mismunandi sviðsmyndum. Líkanið er eins konar reikningsskil sem sýna hvers konar vanda geti borgað sig að leysa með því að fjárfesta í stærri heila.
Í líkaninu er greint á milli vistfræðilegra vandamála sem skapast af ytra umhverfi og þeim félagslegu vandamálum sem skapast af venslum milli fjölmargra einstaklinga í hóp. Eftir að hafa keyrt margar sviðsmyndir komust vísindamennirnir að samblandi þessa tveggja þátta sem passar best við raunverulega þróun heilastærðar mannsins.
LESTU EINNIG
Líkanið sýnir að drifkrafturinn að baki þróun heilans varðar 60% vistfræðileg vandamál, 30% félagsleg vandamál og 10% samkeppni milli einstaklinga.
Forfeðrum okkar gagnaðist því fyrst og fremst stærri heili til þess að lifa af áskoranir og aðsteðjandi hættur á gresjunum. Þessi stóri heili nýttist m.a. við að finna fæðu, varðveita hana þar til seinni tíma og vinna úr henni þannig að auðveldara væri að borða hana og melta.
Hér koma við sögu eiginleikar eins og að elta uppi bráð, búa til verkfæri og kveikja eld. Félagslegir eiginleikar hafa einnig skipt miklu máli fyrir heilastærðina. Þeir hafa gert okkur kleift að vinna saman í stærri hópum, t.d. við að leggja stóra bráð að velli eða til að ráðast til atlögu gegn stærri hópum og ræna mat þeirra.
„Væri það ekki fyrir félagslegar áskoranir hefði heili okkar orðið ennþá stærri“.
Mauricio González-Forero, þróunarlíffræðingur
En vísindamönnum til nokkurrar furðu sýndu líkön þeirra að félagsleg vandamál ein og sér leiða ekki til stærri heila, heldur þvert á móti minnkandi heila.
„Ef það væru engar félagslegar áskoranir gæti heili okkar hafa orðið ennþá stærri en örugglega óheppilegur fyrir félagslífið. Stærra er því ekki nauðsynlega betra,“ segir einn af vísindamönnunum að baki verkefninu, Mauricio Gonzáles-Forero.
Líkanið skýrir þannig ekki einungis hvers vegna við erum með þettaa stóra heila, heldur einnig hvers vegna þeir eru ekki ennþá stærri. Að sama skapi hljóta forfeður simpansa að hafa staðið frammi fyrir annars konar áskorunum sem hafa leitt af sér minni heila – t.d. að vistræn vandamál hafi verið veigaminni og hin félagslegu veigameiri.
Heili okkar minnkar aftur
Stór heili kostar líkamann mikið og auki hann ekki líkur okkar á því að lifa af og fjölga okkur, þá mun þróunin sjá til þess að heilinn minnki. Og það er nákvæmlega það sem hefur gerst á síðustu 20.000 árum.
Heili okkar náði hámarki hjá Cro-Magnon manninum fyrir um 450.000 árum.
Mælingar á höfuðkúpum sýna að stærð heilans féll úr 1.500 rúmsentimetrum í 1.350 hjá körlum. Það samsvarar einum tennisbolta. Og heili kvenna minnkaði að sama skapi. Líkast til náði heili okkar sinni mestu stærð fyrir um 45.000 árum með svonefndum Cro-Magnon mönnum.
Þetta var fyrsta Homo sapiens tegundin í Evrópu og er þekkt fyrir að hafa skapað stórbrotin hellamálverk og ýmis konar verkfæri, fígúrur og skrautgripi. Cro-Magnon maðurinn lifði á sama tíma og Neanderdalsmenn sem voru einnig með stærri heila en við erum með nú til dags. En Neanderdalsmenn voru einnig þyngri en við, þannig að hlutfallslega voru heilar þeirra minni en okkar.
Enn er deilt um hvers vegna heilar okkar hafa minnkað síðustu 20.000 árin. Vísindamenn hafa komið fram með margar tilgátur og kannski er sannleikurinn fólginn í blöndu þeirra. Ein þeirra gengur út á að líkami okkar hafi breyst þegar ísöld lauk.
Í heitara loftslagi var ekki lengur nauðsynlegt að reiða sig á mikinn líkamsmassa. Við urðum grannari og misstum vöðvamassa og því gátum við spjarað okkur með minni heila. Önnur kenning segir að breytingarskeiðið frá veiðimanna- og safnarasamfélagi til akuryrkju hafi breytt fæðu okkar sem varð próteinminni en það er mikilvægt byggingarefni fyrir stóran heila.
Að lokum má nefna þriðju kenninguna sem segir einfaldlega að við erum orðin heimskari því það borgar sig ekki lengur að vera snjall í samfélagi þar sem hinir sterku kúga hina veiku.
Hlutföllin eru eins
Simpansa- og mannaheilar hafa næstum sömu hlutföll þegar stærð mismunandi heilahluta, eins og t.d. stóra heila, litla heila og heilastofns er sett í samhengi hvert við annað.
Heilastöðvar eru á sama stað
Mismunandi verkefni heilans eru leyst á sömu stöðum í heilanum hjá simpönsum og mönnum. Og báðir heilar eru ósamhverfir þannig að vinstra og hægra heilahvel gegna hvort sínu hlutverki.
Jafnvel hvað mál varðar eru simpansar með heilastöð sem samsvarar okkar í vinstra heilahveli.
Heili okkar er krumpaður
Heilabörkur okkar er með fleiri fellingar en eru hjá simpönsum. Það veitir stærra yfirborð og meira pláss fyrir taugafrumur. Við erum með um 86 milljarða af heilafrumum, meðan simpansinn er með um 28 milljarða.
Auk þess erum við með fleiri tengingar milli heilasvæða, t.d. milli málstöðvanna.
Við verðlaunum okkur meira
Boðefnið dópamín er mikilvægt í umbunarkerfi heilans og hvetur okkur til markvissra aðgerða.
Mannsheilinn er með meira dópamín en heili simpansa, í heilastöð sem m.a. tengist lausn á þrautum.
Hlutföllin eru eins
Simpansa- og mannaheilar hafa næstum sömu hlutföll þegar stærð mismunandi heilahluta, eins og t.d. stóra heila, litla heila og heilastofns er sett í samhengi hvert við annað.
Heilastöðvar eru á sama stað
Mismunandi verkefni heilans eru leyst á sömu stöðum í heilanum hjá simpönsum og mönnum. Og báðir heilar eru ósamhverfir þannig að vinstra og hægra heilahvel gegna hvort sínu hlutverki.
Jafnvel hvað mál varðar eru simpansar með heilastöð sem samsvarar okkar í vinstra heilahveli.
Heili okkar er krumpaður
Heilabörkur okkar er með fleiri fellingar en eru hjá simpönsum. Það veitir stærra yfirborð og meira pláss fyrir taugafrumur. Við erum með um 86 milljarða af heilafrumum, meðan simpansinn er með um 28 milljarða. Auk þess erum við með fleiri tengingar milli heilasvæða, t.d. milli málstöðvanna.
Við verðlaunum okkur meira
Boðefnið dópamín er mikilvægt í umbunarkerfi heilans og hvetur okkur til markvissra aðgerða. Mannsheilinn er með meira dópamín en heili simpansa, í heilastöð sem m.a. tengist lausn á þrautum.
Ein ágætlega rökstudd tilgáta kom fram hjá bandarísku vísindamönnunum David Geary og Drew Bailey sem starfa við University of Missouri. Þeir rannsökuðu árið 2010 þróun heilastærða á tímaskeiðinu frá því fyrir 1,9 milljón árum þar til fyrir 10.000 árum síðan.
Tímaskeiðið nær þar með yfir þróunina allt aftur til þess er Homo erectus kom fram þar til Homo sapiens hafði dreifst út um allan hnöttinn. Markmiðið með rannsókninni var að afhjúpa hvernig félagslegar aðstæður hafa skipt máli fyrir stærð heilans.
Sem viðmið um hve flóknar félagslegar aðstæður voru fyrir forfeður okkar áætluðu vísindamennirnir fólksfjöldann. Þar fundu þeir skýrt samhengi milli fólksfjölda og heilastærðar.
Þess fleiri sem forfeðurnir voru saman í hópum, því minni varð heilinn. Stærsta minnkunin á heilanum átti sér stað fyrir um 15.000 árum þegar heilinn minnkaði um 3 – 4%. Þetta á við um manneskjur alls staðar í heiminum.
Vísindamennirnir telja að orsökin kunni að vera sú að þéttbýlt samfélag veiti betri kost á verkaskiptingu. Í stað þess að vera þúsundþjalasmiðir sem geta leyst öll verkefni, getur hver og einn sérhæft sig á sínu sviði. Hver og einn verður kannski ekki eins snjall en í félagsskap jafningja verðum við snjallari.
Minni heilar geta verið betri
Aðrir vísindamenn hafa fundið sambærilega tilhneigingu. Bandaríski mannfræðingurinn John Hawks hefur rannsakað höfuðkúpur í Evrópu frá bronsöld og fram til miðalda. Á þessu tímaskeiði jókst fjöldi manna umtalsvert og heilinn minnkaði að sama skapi.
Ef þróunin heldur áfram gæti heili okkar orðið á stærð við heila simpansa.
Hawks telur þó ekki að það sé þróunin sem hafi nauðsynlega gert okkur heimskari sem einstaklinga. Hann bendir á að þéttbýlið gæti hafa aukið hraða þróunarinnar, því þá eiga sér stað fleiri stökkbreytingar í stórum hópum.
Jafnframt dreifast gagnlegar stökkbreytingar hraðar eftir því sem við erum í nánara sambandi hvert við annað yfir nokkrar fjarlægðir. Nýjar stökkbreytingar kunna þannig að hafa gert heilann skilvirkari, t.d. með því að tengingar milli einstakra heilastöðva hafi batnað.
Stærri heili er þannig ekki nauðsynlega betri heili. Og þróunin að minni heila er líklega ekki á enda runnin.
Haldi heili okkar áfram að minnka í sama mæli og hann hefur gert síðustu 20.000 ár, mun hann eftir 50.000 ár vera álíka stór og heili Homo erectus var fyrir 2 milljónum árum. Og eftir einhver 130.000 ár gæti manneskjan verið komin með heila sem er jafnstór og heili simpansans.
