Kompromisy ewolucyjne i wyzwania

Charles Robert Darwin 12.02.1809 – 19.04.1882 Angielski przyrodnik, twórca teorii ewolucji, zgodnie z którą wszystkie gatunki pochodzą od wcześniejszych form.

Główne założenia Darwina świat istot żywych nie jest niezmienny, proces zmian jest ciągły i stopniowy, wszystkie gatunki są ze sobą spokrewnione, zmiany ewolucyjne są wynikiem doboru naturalnego.

W 1858 roku Karol Darwin wydał dzieło pt W 1858 roku Karol Darwin wydał dzieło pt. „O powstawaniu gatunków”, w którym opisał swoją teorię wyjaśniającą mechanizmy ewolucji.

Prawa Darwina prawo zmienności powszechnej i bezkierunkowej, które mówi, że gatunki charakteryzuje duża zmienność dziedziczna i nie dziedziczna, jedynie zmiany dziedziczne mają znaczenie w ewolucji,

Prawa Darwina prawo olbrzymiej różnorodności organizmów, które mnożą się w postępie geometrycznym, prawo walki o byt, która jest mechanizmem ograniczającym nadmierną liczbę organizmów, walka o byt może się odbywać bezpośrednio między dwoma różnymi gatunkami w układzie ofiara - drapieżnik lub pośrednio, w obrębie jednego gatunku w wyniku konkurencji o tę samą niszę ekologiczną

Prawa Darwina prawo dziedziczenia, które mówi, że osobniki które przeżyły przekazują korzystne cechy swemu potomstwu, prawo doboru naturalnego - w walce o byt przeżywają osobniki najlepiej przystosowane, formy pośrednie wymierają, co prowadzi do coraz większej rozbieżności cech w następnych pokoleniach i powstania z czasem form bardzo różniących się od form wyjściowych i powstawania nowych gatunków.

Darwin i inni naukowcy z tamtych czasów mieli jednak również świadomość, że mózg jest częścią ciała, a jego wielkość związana jest z rozmiarami całego ciała, i zależność ta nie musi mieć charakteru liniowego.

Ciało, rozmiar i kształt. Na ewolucje wielkości i kształtu ciała wpływa wiele czynników w panującym klimacie oraz styl życia. Dzięki ludzkiej prehistorii, ciało (organy) generalnie stało się bardziej solidne, czego przykładem są neandertalczycy. Homo sapiens, kiedy powstał, był mniej wytrzymały i wyższy niż Neandertalczycy.

Ciało, rozmiar i kształt Populacje ludzkie w różnych częściach świata znacznie się różnią w swej formie ciała, co sugeruje, między innymi, dostosowanie do różnych klimatów. Zrozumienie anatomicznego dostosowania wielu gatunków zwierząt do różnych klimatów ma długą historię.

Reguły dotyczące rozmiaru ciała Reguła Bergmanna stwierdza, że populacje danego gatunku w cieplejszym klimacie będą miały mniejszy korpus niż te w chłodniejszym.

Reguły dotyczące rozmiaru ciała Reguła Allena stwierdza, że populacje geograficznie rozpowszechnionych gatunków żyjących w ciepłych regionach będą miały dłuższe kończyny (ręce i nogi) niż osoby żyjące w zimnych regionach.

Zasady klimatycznej adaptacji w populacji ludzkiej W ostatnich latach, Christopher Ruff, zajął się analizą dawnej i współczesnej ludzkiej zmienności w stosunku do klimatu. Postrzega on ciało człowieka jako cylinder, w którym średnicę reprezentuje szerokość ciała (szerokość miednicy) Natomiast długość cylindra reprezentuje długość tułowia.

Zasady klimatycznej adaptacji w populacji ludzkiej Związek między anatomią i klimatem odnosi się do termoregulacji i równowagi pomiędzy ciepłem produkowanym a zdolnością do jego rozpraszania. Taka relacja przekłada się na stosunek powierzchni do masy ciała

Zasady klimatycznej adaptacji w populacji ludzkiej W ciepłych klimatach, występuje wysoki współczynnik – oznacza to dużą powierzchnie w stosunku do masy ciała – ludzie o smukłej i wysokiej sylwetce – co ułatwia utratę ciepła. W zimnym klimacie, występuje natomiast niski współczynniki – mała powierzchnia w stosunku do masy ciała, krótki tułów i szerokie biodra, co ułatwia zatrzymywanie ciepła

Zasady klimatycznej adaptacji w populacji ludzkiej

Znaczna część ludzkiej ewolucji może być wyjaśniona przez warunki życia dużych hominidów - ich stabilnych dostaw żywności, poprzez zwiększony zakres terytorium. Możliwe że do ostateczniej stabilności gatunku przyczynił się rozwój technologii używanej do obróbki mięsa i niektórych pokarmów roślinnych, a tym samym do zwiększenia różnorodności diety. Wszystkie te czynniki miały również wpływ na ewolucję mózgu.

Co spowodowało ewolucję ludzkiego mózgu? Okresy lodowcowe - silna presja selekcyjna; konieczność polowań grupowych, wystąpienie wielu zwierząt i konkurencyjnych człekokształtnych, postawa dwunożna i uwolnienie rąk, rozwój mowy i języka gestów.

Ewolucja ludzkiego mózgu 6.000.000 pierwsze człowiekowate zaczęły poruszać się na dwóch nogach, co odróżniało je od spokrewnionych z nimi małp człekokształtnych, jednak ich mózg nadal miał wielkość 1/3 mózgu człowieka współczesnego

Ewolucja ludzkiego mózgu Przez następne 3.000.000 – 4.000.000 lat temu ludzki mózg nie urósł w sposób znaczący, mimo że mógł się stać większy, proporcjonalny do wielkości ciała. 2.000.000 lat temu pojawiły się człowiekowate o mózgu większym niż małpy człekokształtne. (z tego samego okresu pochodzą pierwsze narzędzia kamienne)

Ewolucja ludzkiego mózgu Przez kolejne 1.000.000 lat, zwłaszcza w okresie 1.500.000 a 1.000.000 lat temu mózg rósł dość szybko, osiągając 2/3 dzisiejszych wymiarów. W ciągu ostatniego 1.000.000 lat jego objętość zwiększyła się osiągając około 1400cm3 u człowieka współczesnego.

Mózg jest produktem uwarunkowań: filogenetycznych, somatycznych, genetycznych, ekologicznych, demograficznych, kulturowo - językowych.

„Każde z nich pozwala opisać jak ów mniej więcej półtorakilogramowy zlepek wody, tłuszczu i białka zmienił – wydawało się kolejny gatunek ssaka – w zwierzę imperialne” - Linoel Tiger i Robin Fox

„W miarę jak stopniowo rozwijały się różne zdolności umysłowe, mózg, prawie na pewno, stawał się większy. Nikt, jak przypuszczam, nie wątpi, że stosunek rozmiaru mózgu człowieka do całego jego ciała w porównaniu z analogiczną proporcją u goryla lub orangutana ma ścisły związek z jego większymi możliwościami umysłowymi… ale przecież nikt nie podejrzewa, że intelekt dowolnych dwóch zwierząt, czy też ludzi można rzetelnie zmierzyć i wyrazić w cm3 objętości czaski.” - Charles Darwin

Mózg jest organem bardzo drogim w utrzymaniu, zużywa około 18% budżetu energetycznego. Biorąc pod uwagę fakt, że ludzki mózg jest trzy razy większy niż u małp, musimy zadać sobie pytanie: Dlaczego i w jaki sposób rozwój mózgu wystąpił w ludzkiej linii? Jaka była presja selekcyjna, która wpływała na zdolności poznawcze, które z pewnością daleko wyprzedziły praktyczne potrzeby człowieka łowiecko-zbierackiego?

Presje selekcyjne Zmiana diety Polowanie Narzędzia Kooperacja Język

Presje selekcyjne Dieta Oprócz wielkich małp większość naczelnych jest zbyt mała, aby mieć żołądki zdolne do strawienia dużych ilości celulozy, więc ewoluowały aby mieć bardziej zróżnicowaną dietę. W wyniku tego gatunek homo dążył do urozmaicenia i zwiększenia zakresu swojej diety.

Presje selekcyjne Dieta, polowanie, ogień. Homo sapiens zaczął polować, dzięki czemu ich dieta wzbogaciła się w produkty mięsne i białko. Użycie ognia umożliwiło obróbkę termiczną pożywienia dostarczając więcej energii (kalorii) organizmowi.

Presje selekcyjne Polowanie, narzędzia, kooperacja. Łowiectwo spowodowało zapotrzebowanie na coraz bardziej skomplikowane narzędzia ułatwiające zdobywanie pożywienia. Zatem presją selekcyjną stała się również kooperacja, która była niezbędna do efektywnego polowania.

Kooperacja Kiedy obserwujemy inne gatunki ssaków i widzimy przypadki konfliktu to łatwo przewidzieć, który wygra – większy. Inaczej jest jednak u małp i człekokształtnych. Osobniki te poświęcają wiele czasu na tworzenie sieci "przyjaźni". W rezultacie fizycznie gorszy osobnik może zwyciężyć silniejszą jednostkę, pod warunkiem, że wyzwanie jest zaplanowane tak, aby przyjaciele byli na wyciągnięcie ręki, tak aby pomóc sojusznikowi.

Więzi społeczne Sojusze społeczne prowadzą do zwiększenia sukcesu reprodukcyjnego, a to według Nicholas Humphre wywołuje ewolucyjny mechanizm zapadkowy. Z kolei selekcja seksualna mogła wywołać tak gwałtowny rozwój mózgu, który uległ podobnej transformacji jak pawi ogon – ludzie mogli oceniać potencjalnych partnerów także na bazie ich zdolności kognitywnych.

Język i komunikacja Język jest unikalną cechą Homo sapiens jest uważany za podstawowe narzędzie poznawcze. jest praktycznie niewidoczny archeologicznie, tak więc wskazówki muszą pochodzić ze źródeł pośrednich: z narzędzi kamiennych, ze wskazówek społecznych i ekonomicznej organizacji, z treść i kontekstów obrazów oraz innych form wyrazu artystycznego.

Pytanie które nasuwa się w kontekście ewolucji języka odnosi się do dynamiki jego powstania. Czy był to powolny, stopniowy proces i stał się w pełni nowoczesny dopiero niedawno? Czy był on szybki?

Anatomiczne uwarunkowania języka Struktury produkujące głos, mowę, czyli aparat w szyi - krtań i gardło – miał dostarczyć wskazówek co do zdolności językowych, Tak samo jak wielkość otworu w czaszce, przez który dociera nerw do języka stopień unerwienia do przepony, i odzwierciedlenie w wielkości kanału kręgowego.

Anatomiczne uwarunkowania języka Ludzkie drogi wokalno – oddechowe są wyjątkowe w świecie zwierząt. U ssaków, pozycja krtani w szyj przyjmuje jeden z dwóch podstawowych wzorców

Rozwój struktur mowy mózgu Zjawisko kulturowe Rozwój struktur mowy mózgu Rozwój języka

Konflikt presji ewolucyjnych vs drogi rodne Postawa dwunożna Zmiana rozkładu siły grawitacji Szerokość miednicy Krótki okres ciąży – 9 miesięcy Przesunięcie rozwoju mózgu na okres postnatalny Duży mózg

Konflikt presji ewolucyjnych vs drogi rodne Na wielkość mózgu wpływa długość trwania ciąży i tempo metabolizmu. U ludzi, faza szybkiego wzrostu mózgu trwa przez dłuższy okres po urodzeniu. To przedłużenie wzrostu skutecznie daje ludziom równowartość 21-miesięcznego okresu ciąży. Przedłużony okres opieki nad noworodkiem.

Zwiększona objętość mózgu jest znakiem rozpoznawczym rodzaju Homo, a o wszystkich przedstawicielach tego rodzaju można powiedzieć, że mają „duże” mózgi.

Homo Habilis, 2.500.000 – 1.800.000 lat temu; wielkość mózgu 650 do 800cm3. Homo Erectus, 1.800.000 - 300.000 lat temu; wielkość mózgu od 850 do nieco ponad 1000cm3, Homo sapiens oraz Neandertalczycy, wielkość mózgu 1100 do ponad 1400cm3.

Współczynnik encefalizacji (EQ) – miara wielkości mózgu w stosunku do wielkości ciała: Szympans = 2 Australopitek = 2,5, wczesne Homo = 3.1, wczesne Homo erectus = 3.3, współcześni ludzie = 5.8.

Ewolucja anatomii mózgu Organizacja funkcjonalna mózgu w kontekście ewolucyjnym - na poziomie budowy anatomicznej, może ona zostać wyrażona na co najmniej 3 sposoby:

Ewolucja anatomii mózgu Określony obszar mózgu, związany ze ściśle określoną funkcją może stać się mniejszy lub większy w odniesieniu do wielkości całkowitej mózgu lub wielkości innych wyodrębnionych obszarów.

Ewolucja anatomii mózgu Obszar funkcjonalny mózgu może się przesunąć lub zmienić położenie. Mogą się rozwinąć nowe pola funkcjonalne związane z nowymi zdolnościami poznawczymi.

Ewolucja anatomii mózgu Istnieje rozróżnienie pomiędzy małpią a ludzką organizacją mózgu. Każda półkula zawiera cztery płaty: czołowy, skroniowy, ciemieniowy i potyliczny. Na początku uważano, że w mózgu ludzkim dominował płat ciemieniowy i skroniowy, natomiast małpi mózg zawierał znacznie mniejsze te obszary. Ponadto, ludzkie płaty czołowe są znacznie bardziej skomplikowane niż u małp.

Ewolucja anatomii mózgu W toku ewolucji człowiekowatych nastąpiła reorganizacja funkcjonalna płata czołowego, w sensie poznawczym, za czym przemawia lokalizacja mowy kory przedczołowej skupionej wokół pola Brocki w lewym zakręcie czołowym dolnym.

Ewolucja anatomii mózgu Główna neuronalna struktura funkcji językowych znajduje się w lewej półkuli. Nazwana jest polem Broca, widoczna jako małe wybrzuszenie po lewej stronie mózgu w kierunku przodu. Jest ona związana z językiem, szczególnie przy produkcji dźwięku. Drugi obszar to ośrodek Wernickiego, położony nieco w tyle. Jest zaangażowany w percepcję dźwięku.

Ewolucja anatomii mózgu Mózgi nowoczesnych ludzi są silnie zlateralizowane, czyli w ogólnej populacji lewa półkula jest większa niż prawa. Taka lateralizacja została zauważona u wczesnego Homo, choć nie w takim silnym stopniu. Funkcja ta zdaje się być związana z tworzeniem narzędzi jak i ich używaniem. Zauważono zwiększoną lateralizację od Homo erectus do Homo sapiens.

Ewolucja anatomii mózgu Jak wiadomo ewolucji wyższych funkcji poznawczych towarzyszyły zmiany organizacji funkcjonalnej struktur limbicznych u hominidów. Doszło prawdopodobnie do funkcjonalnej lateralizacji ciał migdałowatych i hipokampów Ciało migdałowate pomaga nam odczytać wyraz twarzy, która to umiejętność ma dla gatunku o tak silnych społecznie interakcjach, jak nasz, zasadnicze znaczenie.

Ewolucja anatomii mózgu W zakręcie obręczy przednim pojawił się nowy typ komórek, czemu u człowieka towarzyszył dodatkowo wzrost objętości tego obszaru. Posiadanie komórek wrzecionowatych jest cechą odrębną człowiekowatych i małp człekokształtnych. Objętość komórki wrzecionowatej wykazuje dodatnią korelację ze względną objętością mózgu, w przeciwieństwie do innych typów komórek zakrętu obręczy przedniego.

Ewolucja anatomii mózgu Jednakże zależność między objętością komórek wrzecionowatych i całkowitą objętością mózgu wskazuje, że udoskonalenie zdolności poznawczych, np. podczas zdobywania pożywienia, nakłada większe wymagania na zakręt obręczy przedni. I odwrotnie można powiedzieć, że ewolucja tych wyspecjalizowanych komórek ułatwia rozwój mózgu, zapewniając skuteczniejszy sposób pośredniczenia emocji w podejmowaniu decyzji.

Ewolucja anatomii mózgu Widzenie kolorów, przydatne jest do odróżniania dojrzałych owoców. Jest to możliwe dzięki specyficznemu układowi wzrokowemu (nie wszystkie zwierzęta widzą kolory, np. pies). Orientacja przestrzenna przydatna jest u ssaków do mapowania przestrzeni oraz zapamiętywania położenia, powoduje to zwiększenie objętości hipokampa.

Ewolucja anatomii mózgu Hipokamp jest niezwykle istotny dla pamięci deklaratywnej - u ludzi jest to zdolność świadomego przypominania sobie konkretnych faktów i zdarzeń. U innych ssaków, które nie mają zdolności mowy, pamięć zależna od hipokampa cechuje się szybkim powstaniem, złożonymi zdolnościami kojarzenia. Jest odpowiedzialny również za asocjację informacji z różnych obszarów mózg.

Geneza inteligencji W wielkich mózgach rodzi się inteligencja, która jest niezbędna do przetrwania. Stosunkowo łatwo jest wykreślić rozwój mózgu hominidów, ale jak mamy zmierzyć wzrost inteligencji w czasie? Tak więc, pozostają nam narzędzia kamienne i inne wskazówki dotyczące utrzymania aktywność jako środka inteligencji.

Geneza inteligencji – kora nowa Korą określamy cienką zewnętrzną warstwę pokrywająca mózg, złożoną z ciałek komórek nerwowych, szarej barwy, stąd jej nazwa –szara materia. U nienaczelnych stanowi około 35% objętości mózgu u naczelnych 50% a u ludzi 80%

Kora nowa a inteligencja Kora nowa - jest zaawansowanym obszarem mózgu odpowiedzialnym za świadomość i myśli, jest to region w którym powinna istnieć korelacja między mózgiem a jakimkolwiek czynnikiem który wywołał wzrost inteligencji ludzi i naczelnych. Kora nowa wciąż jest jednak tylko pośrednim wyznacznikiem inteligencji.

Narzędzia a inteligencja Ludzie są zależni od narzędzi i technologii. Wykorzystywanie narzędzi zauważono też u szympansów i orangutanów, ale tylko jako dodatek a nie element podstawowy ich funkcjonowania. Być może więc to w narzędziach kryje się sekret naszej inteligencji? Gdyby tak było, istniałaby synchronizacja między wzmożonym używaniem narzędzi a wzrostem masy mózgu. Być może na początku używano narzędzi aby zjeść pokarm i to dało nam przewagę. Coraz bardziej skomplikowane narzędzia zwiększały inteligencję, ale wymagały też większych mózgów.

Narzędzia a inteligencja Oakley stwierdza, że gdy nasi przodkowie zaczęli chodzić na dwóch nogach, ich ręce stały się wolne i umożliwiły używanie narzędzi, co wymagało sporego wysiłku mentalnego i koordynacji ciała, ale mogło za to udoskonalić obydwie te strefy. Teorię wspiera fakt, że rozmiar mózgu naszych przodków i stopień skomplikowania używanych przez nich narzędzi są w korelacji.

Narzędzia a inteligencja Znajdujemy pierwsze narzędzia u Homo habilis, ale są one bardzo proste, np. odłamy kawałków skalnych. W ciągu ostatnich 3.00000 lat nasze mózgi zmieniły się bardzo mało, a o 35000 lat prawie wcale. Tymczasem dokonaliśmy ogromnego skoku w rozwoju narzędzi, dochodząc od wymyślenia kultury symbolicznej do ery Internetu.

Inteligencja Makiaweliczna i teoria umysłu W ostatnich latach pojawiło się kilka teorii sugerujących, że to potrzeby społeczne wpływają na rozmiar mózgu. Te idee są często nazwane Makiaweliczną Hipotezą Inteligencji. Jej esencją jest, że inteligencja naczelnych pozwala pojedynczym osobnikom służyć swoim celem przy użyciu oszustwa, bez wzbudzania podejrzeń grupy.

Inteligencja Makiaweliczna i teoria umysłu Hipoteza inteligencji makiawelicznej sugeruje, że niektóre zwierzęta są zdolne do oszukiwania innych co może nie wydawać się wielkim osiągnięciem, ale potrafią to tylko ludzie i kilkoro naczelnych. Oszustwo wymaga sporej siły umysłu, ponieważ oszukujące zwierzę musi rozumieć jak wygląda świat dla oszukiwanego – rozumienie cudzego punktu widzenia oraz, że inni mają poglądy, zainteresowania i wierzenia jest nazwane teorią umysłu.

Kora nowa a inteligencja makiaweliczna Wraz ze wzrostem objętości kory nowej wzrasta ilość przejawów inteligencji makiawelicznej.

Wciąż nie rozwiązaliśmy kompletnie kwestii czemu ludzki mózg urósł tak bardzo, ale przynajmniej mamy poczucie posiadania większej ilości narzędzi, idei i wglądów w problem, które pomogą nam go zgłębiać. Być może ostateczną odpowiedzią będzie, to że w użyciu było wiele różnych czynników – pożywienie, społeczeństwo, seks, język i narzędzia – działających w kompleksowej relacji.

Dziękujemy za uwagę Izabela Postolska Filip Różanek Joanna Szczelaszczyk Malwina Witkowska

Bibliografia J.H. Cartwright, Evolutionary explanations of Human Behavior, Psychology Press, 2001. C.R. Darwin, O powstawaniu gatunków, Muza, 2008. R.Lewin, Human evolution: an illustrated introduction, Blackwell publishing, 2005. J.S. Allen, Życie mózgu. Ewolucja człowieka i umysłu, Prószyński i S-ka, 2011. tytuł orginału: The lives of the brain.