Ihmisen aivot ovat taas apinamaistumassa

Erottuaan simpanssista ihminen alkoi kasvattaa aivojaan. Niiden koko yli kolminkertaistui muutamassa miljoonassa vuodessa. Ja vihdoinkin tiedetään, miksi näin tapahtui. Tutkijoita askarruttaakin nyt uusi kysymys: miksi ihmisaivot osoittavat taas kutistumisen merkkejä?

Erottuaan simpanssista ihminen alkoi kasvattaa aivojaan. Niiden koko yli kolminkertaistui muutamassa miljoonassa vuodessa. Ja vihdoinkin tiedetään, miksi näin tapahtui. Tutkijoita askarruttaakin nyt uusi kysymys: miksi ihmisaivot osoittavat taas kutistumisen merkkejä?

Shutterstock

Yksi ihmislajin ymmärtämisen tärkeimmistä merkkipaaluista sivuutettiin vuonna 2001. Kun 13 vuotta kestänyt ja viisi miljardia dollaria maksanut hanke päättyi, kansainvälinen perinnöllisyystutkijoiden ryhmä saattoi ilmoittaa, että se oli kartoittanut ihmisen koko perimän.

Yhtäkkiä tutkijoilla oli käsissään ihmisen valmistusohje. Viisi vuotta myöhemmin valmistui simpanssin dna:n kartoitus. Tutkijat ryhtyivät innoissaan selvittämään lajien välisiä eroja ja etsimään selitystä esimerkiksi sille, että ihmisellä on kolme kertaa niin suuret aivot kuin simpanssilla. Tehtävä osoitautui kuitenkin oletettua vaikeammaksi.

Ihminen ja simpanssi vastaavat toisiaan 99-prosenttisesti perintötekijöiltään, mutta kyse ei ole yhdestä erottavasta prosentista, sillä erot voivat kätkeytyä myös geenien ulkopuoliseen dna:han.

Ihmisen ja simpanssin pienillä geneettisillä eroilla voi olla suuri vaikutus. Yli tuhannen emäsparin pituisessa dna-jaksossa ihmisellä on ainoastaan 16 eri emästä, ja silti se tuottaa ihmiselle paljon kookkaammat aivot kuin apinoille.

© Claus Lunau

1. Lajit erottaa mitätön koodiero

Geenijakso HARE5 ei ohjaa proteiinien tuotantoa, vaan siitä riippuu, kuinka aktiivinen FZD8-geeni on soluissa. HARE5 koostuu 1 219 emäsparista, ja ihmisellä se on vain 16 kohdassa erilainen kuin simpanssilla.

© Claus Lunau

2. Kosketus sytyttää perintötekijän

HARE5 saa fyysisen kontaktin FZD8-geeniin taivuttamalla dna:n lenkiksi. Kosketus sytyttää geenin sekä ihmisellä että simpanssilla, mutta ihmisen HARE5-versio aktivoi geeniä tehokkaammin.

© Claus Lunau

3. Geeni kiihdyttää solunjakautumista

FZD8-geenin aktivointi saa solun tuottamaan FZD8-proteiinia, joka edistää solunjakautumista. Vaikutus tulee esiin muun muassa sikiön aivoissa: aivokuoreen syntyy harvinaisen suuri määrä hermosoluja.

Geenit sisältävät kehon rakennuspalikoiden, proteiinien, valmistusohjeet, mutta ihmisen perimän kartoitus paljasti, että vain 1,5 prosenttia perintöaineksesta toimii geeneinä.

Loppua alettiin kutsua roska-dna:ksi, koska sillä ei vaikuttanut olevan mitään tehtävää. Käsitys oli täysin väärä. Vuonna 2012 kävi ilmi, että ainakin 80 prosenttia ihmisen dna:sta on biologisesti aktiivista.

Suuri osa siitä säätelee perintötekijöiden, kuten aivojen kehitystä ohjaavien geenien, toimintaa. Siksi työ, joka tähtää ihmisaivojen suuren koon taustalla olevien asioiden tunnistamiseen, on vielä pahasti kesken. Jotakin on silti jo onnistuttu onkimaan tietoon.

Aivojen rajua kasvua selittävien tekijöiden etsijät ovat törmänneet uuteen ilmiöön: ihmisaivot ovatkin alkaneet pienentyä.

Geenimme kasvattavat eläinaivoja

Vuonna 2015 yhdysvaltalaistutkijat siirsivät osalle hiirien sikiöistä HARE5-nimisen ihmisen dna-jakson, osalle vastaavan simpanssivariantin ja vertasivat kehitystä.

Tavalliset makakit eivät suoriutuneet muistitestistä yhtä hyvin kuin ne makakit, joilla on ihmisversio MCPH1-aivogeenistä. (Kuva on otettu toisen tutkimuksen yhteydessä).

© China Daily CDIC/Ritzau Scanpix

Aiemmin roska-dna:han luokiteltu HARE5-jakso on 1 219 emäsparin pituinen, ja ihmisen ja simpanssin versiot erottuvat toisistaan vain 16 emäsparin osalta.

Tutkimus paljasti hyvin, kuinka merkityksellisiä pienet erot voivat olla. Ihmisversion saaneilla sikiöillä aivot kasvoivat 12 prosenttia suuremmiksi kuin simpanssiversion saaneilla sikiöillä.

Kun kiinalaistutkijat siirsivät vuonna 2019 MCPH1-geenin ihmisvariantin 11 makakin sikiölle, niiden aivot kasvoivat normaalia kauemmin. Sikiöistä viisi kehittyi poikaseksi, ja henkistä suorituskykyä mittaava testi osoitti, että ihmisgeeni muun muassa paransi makakin muistia.

Koska makakisikiö, jolle oli siirretty ihmisen geeni, kehittyi poikaseksi, sama voi tapahtua myös simpansseille.

Tutkimukseen liittyy vaikeita eettisiä ongelmia – erityisesti niissä tapauksissa, joissa muuntogeeninen koe-eläin jatkaa elämäänsä syntymän jälkeen. Perimältään muokattujen makakien jääminen eloon Kiinassa on kuitenkin vihje siitä, että simpanssissa voi tapahtua vastaava muutos.

Tuloksena saattaisi olla ihmisen ja simpanssin välistä lajirajaa häivyttävä suuriaivoinen kädellinen, joka muun muassa herättäisi kysymyksen muuntogeenisten eläinten oikeuksista.

Aivot suhteutettiin kehoon

Uusi tietämys aivogeenien vaikutuksesta on edistänyt paljon tutkimusta, mutta se ei ole auttanut keksimään kasvun perimmäistä syytä.

Arvoituksen ratkaisemiseksi on tutkittu ihmisen edeltäjien kalloja. Aiemmin tutkijoilta puuttui yleiskuva siitä, missä vaiheessa ja mitä tahtia kehitys on tapahtunut, mutta yhdysvaltalais-brittiläinen tutkimusryhmä otti asiasta selvää vuonna 2019.

Aikataulu laadittiin kaikkia tunnettuja viimeisten neljän miljoonan vuoden aikana eläneitä ihmisen edeltäjiä koskevien havaintojen pohjalta.

Tarkastelun lähtökohdaksi otettiin aivojen ja ruuumiinpainon välinen suhde nykykädellisillä, ja vertailun avulla määritettiin, kuinka suuret aivot keskiarvokädellisellä on.

Kun ihmisen esivanhempien arvoja verrattiin mittatikkuun, aivojen koon kasvu tuli hyvin esiin. Nykyään ihmisen aivot ovat 238 prosenttia suuremmat kuin ruumiinpainon perusteella olisi odotuksenmukaista.

Kun mennään ajassa kaksi miljoonaa vuotta taaksepäin ja katsotaan yhtä ensimmäisistä ihmissuvun edustajista, pystyihmistä, todetaan, että suhdeluku on 121 prosenttia.

Vielä pari miljoonaa vuotta aiemmin eläneellä Australopithecus afarensis -apinaihmisellä vastaava luku on 59 – niin kuin myös simpanssilla.

Sekä ihmisellä että simpanssilla on poikkeuksellisen suuret aivot verrattuna muihin kädellisiin, mutta ihminen painii aivan eri sarjassa kuin simpanssi. Ihmisaivojen kehitys löysi uuden vaihteen neljästä kahteen miljoonaa vuotta sitten.

© Claus Lunau

Simpanssi on suuriaivoinen

Simpanssin aivot ovat poikkeuksellisen suuret, kun ne suhteutetaan apinoiden ruumiinpainoon. Aivojen tilavuus on noin 400 kuutiosenttimetriä.

© Claus Lunau

Apinaihmiset samaa luokkaa

Australopithecus afarensis kuului muiden etelänapinoiden tavoin ihmisten edeltäjiin. Sen aivot olivat kuin simpanssin eli noin 460 kuutiosenttimetriä.

© Claus Lunau

Pystyihminen käänsi kasvuun

Homo erectus oli ensimmäisiä ihmislajeja. Sen aivot kasvoivat kaksi kertaa apinaihmisten aivojen kokoisiksi ja saavuttivat noin litran tilavuuden.

© Claus Lunau

Nykyihminen on aivojättiläinen

Nykyään elävillä ihmisillä on noin 1,35 litran aivot. Aivojen ja ruumiinpainon välinen suhde on siten 238 prosenttia suurempi kuin apinoilla keskimäärin.

Numerot puhuvat asiasta selvää kieltään. Ihmisen aivot ovat kasvaneet ajan mittaan, mutta simpanssin aivot ovat jokseenkin entisessä tilassa. Tutkimusaineisto paljastaa kuitenkin yllättäviä suuntauksia.

Aivojen koon kasvuun on ollut tapana liittää tiedonkäsittelyvalmiuksien paraneminen. Siksi tutkijat olettivat, että nimenomaan näistä niin sanotuista kognitiivisista kyvyistä vastaava aivokuoren pintaosa on tullut paksummaksi.

Asia ei ole kuitenkaan näin. Ihmisellä aivokuoren osuus aivojen kokonaistilavuudesta on kutakuinkin sama kuin apinoilla. Käytännössä ihmisen ja simpanssin aivot vastaavat toisiaan täydellisesti mittasuhteiltaan. Tämä tarkoittaa sitä, että ihmisaivojen perusrakenne oli olemassa jo silloin, kun ihminen ja simpanssi erkaantuivat omille teilleen.

Pikkuaivoja on vähätelty

Ihmisaivot ovat säilyneet mittasuhteiltaan samanlaisina ainakin 13 miljoonaa vuotta, vaikka ne ovat kasvaneet kokoa. Ilmeisesti kaikki osat ovat suurentuneet rinnakkain. Siksi syytä kasvuun kannattaa etsiä kaikkialta aivoista yhden kohdan sijasta.

Pystyasennossa liikkuminen vapautti ihmisen esivanhempien kädet.

Lähestymistapa on nostanut esiin aivojen osia, joita on pitkään pidetty toisarvoisina aivojen kasvun kannalta.

Yksi niistä on pikkuaivot, jotka sijaitsevat isoaivopuoliskojen alla ja huolehtivat lihasten liikkeiden ja liikesarjojen koordinoinnista niin, että niistä tulee sujuvia, tarkoituksenmukaisia ja oikea-aikaisia.

Pikkuaivoilla on kuitenkin myös tiedonkäsittelyyn liittyviä tehtäviä, joilla on merkitystä tarkkaavaisuudelle, kielellisille valmiuksille ja tunteiden säätelylle.

Kyse on kyvyistä, joita ihmisen esivanhemmat tarvitsivat siirryttyään savannille. Pystyasennossa liikkuminen asetti suuria vaatimuksia tasapainon hallinnalle, ja käsien vapautuminen mahdollisti hienomotoriikan hyödyntämisen.

Esimerkiksi työkalujen valmistuksessa oli etua näppäristä sormista. Puheen kehittyminen ja tunteenpurkausten hillitseminen helpottivat yhteiselämää.

Vuonna 2020 tehdyssä kokeessa kynsiapinoiden sikiöille siirrettiin ihmisen ARHGAP11B-geeni. Se kasvatti kantasoluja ja teki aivoista sekä suuremmat että poimuisemmat.

© Heide et al./MPI-CBG

Kaikki mainitut ominaisuudet näyttelivät todennäköisesti tärkeää osaa aivojen kehityksessä, mutta vielä ei tiedetä, missä järjestyksessä tarpeet ja kyvyt syntyivät ja mitkä niiden vuorovaikutussuhteet olivat.

Ihmislaji panostaa aivoihinsa

Ihmisellä aivojen osuus ruumiinpainosta on neljä prosenttia, mutta ne käyttävät 20 prosenttia ravinnon energiasta. Mikään muu laji ei ylläpidä aivojaan yhtä tuhlaavaisesti. Jostain syystä näin on paikallaan tehdä.

Selityksen löytämiseksi brittiläiset tutkijat laativat matemaattisen mallin, joka antaa arvion siitä, millaisiin tarpeisiin tai haasteisiin kannattaa vastata aivoja kasvattamalla.

Mallin muuttujat vaihtelevat fyysisen ympäristön aiheuttamista ekologisista paineista ihmissuhteista johtuviin sosiaalisiin ongelmiin. Useista eri vaihtoehdoista seuloutui esiin yhdistelmä, joka sopii parhaiten ihmisaivojen kehitykseen.

Malli paljasti, että ihmisaivojen kasvua ovat siivittäneet 60 prosentin osuudella vaativat elinolosuhteet (ympäristö ja ekologia), 30 prosentin osuudella sosiaaliset ongelmat (ihmissuhteet) ja kymmenen prosentin osuudella yksilöiden välinen kilpailu.

Voidaan siis olettaa, että ihmisaivojen kasvun pani liikkeelle esivanhempiemme selviytymistaistelu savannilla.

Suurempia aivoja tarvittiin muun muassa ravinnon hankinnassa, säilytyksessä ja käsittelyssä helpommin syötäväksi ja sulavaksi. Tarve edellytti kykyä löytää ja metsästää saaliseläimiä, valmistaa työkaluja ja aseita ja käyttää hyväksi tulta.

Lisäksi sosiaalisilla taidoilla on ollut tärkeä osa aivojen kehityksessä. Niiden ansiosta yksilöt voivat tehdä yhteistyötä esimerkiksi metsästäessään tai käydessään ryöstöretkellä kilpailevan yhteisön asuinpaikalla.

”Jos ei olisi ollut sosiaalisia haasteita, ihmisaivot olisivat kasvaneet vielä isommiksi.” Mauricio González-Forero, evoluutiobiologi

Tutkijoiden yllätykseksi malli vihjasi, että sosiaaliset ongelmat eivät edistä aivojen kasvua, vaan ne pikemminkin johtavat niiden koon pienemiseen.

”Jos ei olisi ollut sosiaalisia haasteita, ihmisaivot olisivat kasvaneet vielä isommiksi mutta todennäköisesti huonommin sosiaaliseen elämään sopiviksi.

Suuremmat eivät ole välttämättä paremmat”, toteaa tutkijaryhmän jäsen Mauricio González-Forero.Siten malli ei selitä ainoastaan sitä, miksi ihmisellä on suuret aivot, vaan myös sen, miksi ne eivät ole vielä isommat.

Vastaavasti simpanssin esivanhempien on täytynyt kamppailla toisenlaisten haasteiden kanssa, koska sillä on pienemmät aivot. Ilmeisesti esimerkiksi ekologisia ongelmia on ollut vähemmän kuin sosiaalisia.

Ihmisaivot ovat pienenemässä

Kookkaat aivot ovat yksilölle rasite, joten jos ne eivät paranna selviytymis- ja lisääntymismahdollisuuksia, evoluutio pitää huolen siitä, että ne pienenevät. Ja juuri näin on tapahtunut ihmisaivoille jo 20 000 vuotta.

Ihmisaivot olivat suurim-millaan noin 45 000 vuotta sitten eläneillä cromagnoninihmisillä.

© P. PLAILLY/E. DAYNES/SPL

Kalloja mittaamalla on saatu selville, että aivojen tilavuus on pienentynyt miehillä 1 500 kuutiosenttimetristä 1 350 kuutiosenttimetriin. Muutos vastaa tennispalloa.

Myös naisten aivot ovat kutistuneet samalla tavalla. Tiettävästi ihmisaivot olivat suurimmillaan noin 45 000 vuotta sitten eläneillä cromagnoninihmisillä, jotka olivat ensimmäisiä nykyihmisiä Euroopassa.

He tekivät taitavasti luolamaalauksia, työkaluja, veistoksia ja koruja. Myös cromagnoninihmisen rinnalla eläneellä neandertalinihmisellä oli suuremmat aivot kuin nykyisillä ihmisillä.

Neandertalinihminen oli kuitenkin rotevampi, joten ruumiinpainoon suhteutettuna lajilla oli pienemmät aivot kuin meillä.

Ihmisaivojen pienenemiseen viimeisten 20 000 aikana tuskin on yhtä ainoaa syytä. On esitetty useita mahdollisia tekijöitä, ja todennäköisesti kyse on niiden yhdistelmästä.

Arvellaan esimerkiksi, että jääkauden päättymisen jälkeen ihmisessä on tapahtunut fyysisiä muutoksia. Esimerkiksi lyhyestä, tanakasta vartalosta oli enemmän hyötyä kylmässä kuin lämpimässä ilmastossa.

Siksi ruumiinrakenne on voinut solakoitua ja lihaksisto pienentyä, mikä taas mahdollistaa selviytymisen pienemmillä aivoilla. Toisen oletuksen mukaan keräilyn ja metsästyksen vaihduttua maanviljelyyn ravinnosta saatiin niin paljon vähemmän proteiinia, että entisenlaisia aivoja ei voitu enää ylläpitää.

On myös sanottu, että aivoja kutistaa yksinkertaisesti ihmislajin tyhmeneminen sen seurauksena, että älykkyys ei ole enää kilpailuvaltti yhteisöissä, joissa vallitsee vahvimman lakiin perustuva riisto.

Yhden parhaiten perustelluista selityksistä ovat esittäneet yhdysvaltalaisen Missourin yliopiston tutkijat David Geary ja Drew Bailey.

He selvittivät vuonna 2010 aivojen koon muuttumista 1,9 miljoonan vuoden aikana ennen ilmaston lämpenemistä noin 10 000 vuotta sitten.

Tarkastelujakso kattaa siis sekä pystyihmisen kehittymisen että nykyihmisen maailmanvalloituksen.

Tutkijoiden tavoitteena oli saada selville, mikä merkitys sosiaalisilla tekijöillä on aivojen koolle. Sosiaalisen kanssakäymisen ja sen vaatimien taitojen mittana käytettiin yksilömäärää pintaalayksikköä kohti.

Esiin tuli selvä asukastiheyden ja aivojen koon välinen riippuvuussuhde. Mitä tiiviimmin ihmisen esivanhemmat elivät, sitä pienemmiksi niiden aivot muuttuivat.

Suurimmasta pudotuksesta on aikaa noin 15 000 vuotta. Silloin aivoista hävisi 3–4 prosenttia. Muutos koski koko ihmiskuntaa Euroopasta Itä- ja Kaakkois-Aasiaan ja Afrikkaan.

Tutkijat pitävät syysuhteen selityksenä sitä, että tiiviissä suuryhteisössä on paremmat mahdollisuudet tehdä yhteistyötä ja jakaa tehtäviä ja erikoistua.

Sen sijaan, että kaikki yrittävät olla oman elämänsä yleisneroja, jotka osaavat tehdä kaikkea, jokainen voi kehittää itseään yhden asian taitajaksi. Tällöin yksilöt toimivat yhdessä fiksusti, vaikka he vähän tyhmenisivätkin.

Pienistä aivoista voi olla etua

Muutkin tutkijat ovat havainneet saman suuntauksen. Yhdysvaltalaisantropologi John Hawks analysoi eurooppalaisia kalloja, joista vanhimmat ovat pronssikaudelta ja nuorimmat keskiajalta.

Niiden välisenä aikana asukastiheys kasvoi ja aivot pienenivät selvästi.

Jos kehitys jatkuu samanlaisena, ihmisellä on tulevaisuudessa yhtä suuret aivot kuin simpanssilla.

Hawks suhtautuu kuitenkin torjuvasti ajatukseen, että yksilöistä tuli tällöin tyhmempiä. Hän pitää mahdollisena, että suurempi yksilömäärä siivitti evoluutiota, sillä mutaatioita syntyy isommassa joukossa enemmän.

Lisäksi hyödylliset perimänmuutokset pääsevät yleistymään nopeammin, kun seksikumppaneita on tarjolla myös oman lähipiirin ulkopuolelta. Uudet geneettiset ominaisuudet ovat voineet tehostaa aivoja esimerkiksi vahvistamalla niiden eri osien välisiä yhteyksiä.

Suuremmat hoksottimet eivät siis välttämättä ole paremmat. Ihmisaivot voivat hyvin jatkaa pienenemistään.

Siinä tapauksessa, että kutistumisvauhti pysyy samana kuin viimeiset 20 000 vuotta, niistä tulee 50 000 vuodessa senkokoiset kuin pystyihmisen aivot olivat kaksi miljoonaa vuotta sitten.

Ja jo 130 000 vuoden kuluttua ihmisellä on yhtä suuret aivot kuin simpanssilla.