Отличия в обмене веществ между нами и обезьянами говорят о том, что наш мозг мог эволюционировать благодаря ослаблению скелетных мышц.
Объём нашего мозга составляет 1 400 кубических сантиметров, что в три раза больше, чем у шимпанзе, нашего ближайшего эволюционного родственника. И энергоёмкость мозга под стать его размерам: если посмотреть, куда уходят наши энергетические ресурс во время отдыха, то окажется, что пятую их часть съедает именно мозг.
Если сравнить с тем же шимпанзе и другими приматами, то у них на мозг тратится в два раза меньше метаболической энергии покоя. И тогда сам собой возникает вопрос – чего стоил нам наш в мозг в эволюционном смысле? Лишней энергии не бывает, и на мозг, очевидно, тратятся ресурсы, которые в противном случае тратились бы на другие органы и ткани.
По одной из гипотез, энергию на мозг дала пищеварительная система. Желудочно-кишечный тракт – это тоже один из крупнейших потребителей энергии, и чем он больше, тем больше энергии тратится на его обслуживание. С другой стороны, размеры и энергетические расходы желудка с кишечником зависят от пищи, которую им обычно приходится переваривать: если эта пища трудноперевариваемая, трудноусваиваемая, то и энергии на её переработку придётся тратить много, и сам кишечник должен быть велик. Поэтому и появилось предположение, что эволюция мозга человека была связана с укорочением желудочно-кишечного тракта, а укоротить его можно было, только сменив рацион питания. Гипотеза эта родилась ещё в 90-е годы XX века, однако антропологи и биологи до сих пор спорят, действительно ли есть связь между размером мозга приматов и размером кишечника.Но почему бы мозгу не попользоваться другими источниками энергии – например, мышцами? Эту гипотезу попыталась проверить международная группа исследователей, возглавляемая Филиппом Хайтовичем (Philipp Khaitovich) из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка. Исследователи сравнили расход энергии в разных тканях у людей, шимпанзе, макак резуса и мышей.
Образцы тканей были взяты из префронтальной коры мозга, первичной зрительной коры и коры мозжечка, а также из почек и скелетных мышц. Расход энергии определяли не напрямую, а по характеру метаболизма: авторы работы оценивали метаболом, совокупность молекул, которые служат энергетическим или структурным сырьём для клеток. Среди них были и аминокислоты, и жиры, и витамины, и множество других – всего около 10 000 видов молекул. И вот с их помощью пытались понять, какие метаболические различия есть между тканями, а потом сопоставить эти метаболические различия с генетическими.
Как пишут авторы работы в своей статье в PLOS Biology, между мышами, макаками и шимпанзе различия в метаболизме и в генетике были невелики. Также не слишком отличались друг от друга человеческие почки и мышцы (подчеркнём, что тут сравнивали не структуру ткани, не готовые белки и проч., а состав метаболического сырья, необходимого для постройки макромолекул). С другой стороны, метаболический профиль префронтальной коры мозга человека сильно отличался от того, что удалось найти в коре обезьян. Исследователям удалось оценить скорость метаболических изменений в человеческом мозге: за 6 млн лет, что отделяют нас от шимпанзе, метаболом человеческого мозга эволюционировал в 4 раза быстрее. (При этом, как известно, генетически мы отличаемся от шимпанзе примерно на 2% генома.)
В этом нет ничего удивительного, в конце концов, мозг человека работает активней и разнообразней, чем мозг шимпанзе, и потому мозговой метаболизм у нас должен быть иной. Сюрприз был в другом: метаболическая карта скелетных мышц у нас тоже сильно отличалась от метаболома приматов, и отличия эти были велики настолько, как если бы эволюционные изменения происходили у нас по сравнению с приматами 8 раз быстрее.
Вообще говоря, это можно было бы отнести на счёт смены рациона питания и вообще образа жизни. Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи поставили следующий эксперимент: двенадцать обезьян разделили на две группы, одних рассадили по одному и кормили приготовленной едой, богатой жирами и углеводами (имитация пищи современного человека), других тоже рассаживали поодиночке, но держали на привычном для обезьян корме из грубой растительной пищи. Метаболизм тех и других сравнивали между собой, и вдобавок ещё и с обменом веществ других макак, которые не просто питались, как обычно в природе, но могли свободно общаться и играть со своей семьёй. Однако, несмотря на отличия в образе жизни, разница в метаболических картах у макак составила всего 3%, намного меньше, чем между обезьянами и людьми. А это значит, что отличия в обмене веществ между человеком и прочими приматами нельзя списать только лишь на экологические изменения.
Наконец, исследователи напрямую сравнили мускульную силу шимпанзе, макак и людей, с учётом, разумеется, размеров тела. Ранее такие измерения уже пробовали проводить, однако достоверных сравнений на этот счёт не было. В эксперименте люди и обезьяны должны были тянуть груз, используя мышцы обеих рук и обеих ног (от людей в соревновании участвовали баскетболисты-любители и профессиональные скалолазы). Оказалось, что люди в среднем в два раза слабее приматов. Дальнейшие исследования показали, что мышцы людей и мышцы шимпанзе используют энергию одинаковым образом. То есть, проще говоря, мышцы людей работают так же, как обезьяньи, только слабее. И макака резус, будь она ростом с человека, легко могла бы побить даже профессионального спортсмена.
Исследователи полагают, что увеличение мозга и параллельное ослабление мышц в ходе человеческой эволюции – не просто совпадение: между тем и другим есть взаимосвязь. То есть, чтобы энергетически поддержать увеличившийся мозг, мы отобрали энергию у наших мышц. Однако сама по себе работа исследователей, о которой коротко пишет Science, лишь косвенным образом подтверждает эту гипотезу.
В конце концов, биологи пока только просто заметили корреляцию между эволюционными изменениями в метаболизме мозга и такими же изменениями в метаболизме мышц. Вполне возможно, что наш мозг по мере своего развития брал энергию от нескольких источников, не ограничиваясь только лишь пищеварительной системой или только скелетными мышцами.
С другой стороны, относительная слабость человеческой мускулатуры могла возникнуть из-за того, что человек стал использовать свои мышцы иначе, чем обезьяны. А это, в свою очередь, могло быть связано с увеличением мозга – человек смог оптимизировать свои действия и начал использовать свои мышцы с умом, не полагаясь на одну лишь грубую силу. В таком случае всё получается наоборот: растущий мозг позволил мышцам снизить энергозапросы.
Автор: Кирилл Стасевич