«Мы можем думать о множестве преимуществ для большего мозга, но другая сторона этого состоит в том, что ткань мозга невероятно« дорогая », а увеличение размера мозга обходится дорого», — сказала Кимберли В. Сухум, аспирант кафедры биологии в Искусство Наук в Вашингтонском университете в Сент-Луисе.Таким образом, развитие большого мозга требует либо снижения других потребностей в энергии, либо увеличения общего потребления энергии, — сказал Брюс Карлсон, советник Сухума и профессор биологии в искусстве. Наук.
Предыдущие исследования на приматах, лягушках и жабах, птицах и рыбах подтвердили обе гипотезы, оставив неясным эволюционный путь к большему мозгу.Лаборатория Карлсона изучает мормиридных электрических рыб из Африки, которые используют слабые электрические разряды для определения местонахождения добычи и общения друг с другом.Мормириды имеют репутацию рыб с большим мозгом, и действительно, у одного вида (рыба на верхнем фото) мозг составляет 3 процента от размера его тела, что сопоставимо с человеческим мозгом, который колеблется от 2 до 2,5 процентов.
Но было неясно, были ли другие мормириды столь же умными.Изучив 30 из более чем 200 видов в семействе мормирид, ученые обнаружили, что у них широкий спектр размеров мозга.«Мы поняли, что это означает, что рыба дает прекрасную возможность изучить метаболические издержки умственного развития», — сказал Сухум.
Используя потребление кислорода и способность переносить гипоксию в качестве показателей использования энергии и потребности в энергии, ученые подвергли рыбу испытанию. Разумеется, они обнаружили, что самые крупные виды с мозгом имеют самую высокую потребность в кислороде, а самые маленькие — самые низкие.Результаты, опубликованные в выпуске журнала Proceedings of the Royal Society B от 21 декабря, представляют собой провокационную пару со статьей, опубликованной в выпуске журнала Nature от 19 мая 2016 года, в которой говорится, что у людей с большим мозгом уровень метаболизма намного выше, чем у крупных обезьяны.Какая альтернатива?
Обращаясь к этой проблеме впервые, можно простить вас за то, что вы подумали, что, конечно, необходимо есть больше, чтобы накормить большой мозг.Однако многие исследования показали, что больший мозг можно приспособить, сэкономив на других энергетически дорогих органах или процессах.Например, исследование 30 видов лягушек и жаб, опубликованное в сентябре этого года в The American Naturalist, показало, что у этих животных чем больше мозг, тем меньше кишечник — еще один дорогой орган.
Ранние исследования людей также предполагали — отчасти потому, что скорость основного обмена у человека в целом схожа с таковой у других приматов, — что меньший человеческий кишечник аналогичным образом приспособлен для большого человеческого мозга.(Как меньший кишечник может потреблять меньше энергии, но при этом обеспечивать больше энергии? Аргументом было то, что сокращение кишечника должно было совпадать с переходом на более питательную диету, включающую мясо, клубни и приготовленную пищу.)
В любом случае, более поздние исследования, в которых изучались не только приматы, но и человекообразные обезьяны, наши ближайшие эволюционные родственники, вместо этого обнаружили, что скорость основного обмена и общие затраты энергии зависят от размера мозга.Карлсон предполагает, что путаница возникла в более ранних исследованиях размера мозга, потому что большой мозг влечет за собой другие затраты и возникает благодаря другим механизмам, чем мозг среднего размера.
По его словам, можно было бы приспособиться к умеренному увеличению размера мозга, сэкономив на другом органе или изменив поведение. Но действительно большой мозг требует увеличения общего количества потребляемой энергии.
Это не все на высотеИметь тело, которое нужно больше кормить, чтобы существовать, — рискованная стратегия как для мормиридов, так и для людей.
Карлсон и Сухум отмечают, что способность мормиридов ощущать окружающую среду с помощью «электролокации» помогает им более эффективно добывать корм. У некоторых мормиридов с самым большим мозгом также есть полезные придатки, такие как шнауценорган или трубчатая морда, которая помогает рыбе извлекать беспозвоночных из расщелин.Несмотря на эти приспособления, экстравагантные потребности в энергии рыб с большим мозгом могут ограничивать их среду, в которой концентрация кислорода постоянно высока, например, в больших быстротекущих реках. Между тем их двоюродные братья с меньшим мозгом могут быть универсалами, способными выжить во многих других областях, включая болота с низким содержанием кислорода, а также быстроходные реки.
Люди тоже чрезвычайно уязвимы перед перебоями в снабжении продуктами питания из-за своего большого энергетического бюджета. Мы могли бы снизить этот риск, эффективно двигаясь на двух ногах или готовя и делясь едой, но мы также делаем это за счет накопления жира.
Авторы Nature указывают на то, что жировые отложения являются важным буфером против нехватки пищи.