マントルピースの上に座って、虚ろな目と裸の笑顔で彼女を見つめていました。彼女は振り返るのを止めることができませんでした。それは明らかに絶滅したヒヒの頭蓋骨の化石に似ていた。それは、ジョセフィン・サーモンズが知っていそうなことでした。 1924 年当時、彼女は南アフリカのウィットウォータースランド大学に通う解剖学の唯一の女子学生の 1 人でした。この特定の日、彼女は友人の Pat Izod を訪ねていました。彼の父親は、タウンの町の近くで石灰岩を採掘していた採石会社を経営していました。作業員は発掘中に多数の化石を発掘し、アイゾッドはこれを記念品として保管していました。サーモンズは、脳に特に関心のある人類学者である彼女の教授であるレイモンド・ダートに頭蓋骨のニュースをもたらしました.彼は信じられないほどでした。アフリカのはるか南では、霊長類の化石はほとんど発見されていませんでした。タウン遺跡が本当にそのような化石を収容していたとしたら、それはかけがえのない宝の山になるでしょう。翌朝、サーモンズがダートに頭骨を持ってきたところ、ダートは彼女が正しかったことを確認できました。頭骨は紛れもなくサルでした.
ダートはすぐに、タウングの採石場から他の霊長類の化石を送ってもらうよう手配しました。その年の後半、親しい友人の結婚式に出席する準備をしていたとき、彼は大きな箱を受け取りました。そこに含まれていた標本の 1 つがあまりにも魅力的だったので、彼は式典に出席し損ねそうになりました。それは 2 つの部分に分かれていました。天然のエンドキャスト — 脳のトポグラフィーを保存している内頭蓋の化石化した型 — とそれに対応する骨格の顔で、眼窩、鼻、顎、歯はすべて無傷です。ダートはすぐに、これがサルではなく絶滅した類人猿の化石であることに気付きました。歯は、その人物が6歳かそこらで死亡したことを示唆していました。脊髄が頭蓋骨に結合した点は、ナックル ウォーカーには前方にありすぎて、二足歩行を示していました。そして、その時代の人間以外の類人猿には少し大きすぎたエンドキャストは、人間の脳に特徴的な表面の特徴を持っていました。さらなる研究の後、ダートは大胆な結論に達しました。これは、これまで知られていなかった現生人類の祖先 — アウストラロピテクス アフリカヌスの化石でした。 、「南アフリカの猿人」
当初、より大きな科学コミュニティはダートの提案を激しく非難しました。化石にニックネームが付けられたタウングの子供が、本当に人類に属していたとしたら、間違いなくはるかに大きな脳を持っていたでしょう。その頭蓋はチンパンジーより少し大きかったが、それほど大きくはなかった.さらに、人類はアフリカではなくアジアで進化したと一般に信じられていました。 Dart の 1925 年の Nature に付随する「とてつもなく小さい」イラスト 論文、および標本に対する彼の最初の所有格は、問題を解決しませんでした。しかし、最終的に著名な専門家がタウングの子供を自分の目で見るようになり、同様の化石の発見が明らかになると、態度が変わり始めました。 1950 年代までに、人類学者は、タウングが確かにヒト族であり、非常に大きな脳が必ずしも人間の際立った特徴ではなかったことを認めていました。フロリダ州立大学の人類学教授であり、脳の進化の専門家であるディーン・フォークは、タウングの子供を「最も多くの（ではないにしても）」と呼んでいます。 20 世紀で最も重要な人類の発見です。」
その後の数十年間、他の化石の頭骨やエンドキャストを発見して比較することで、古生物学者は人類の進化における最も劇的な移行の 1 つを記録しました。ブレインブームと呼んでもいいかもしれません。人間、チンパンジー、ボノボは、600 万から 800 万年前に最後の共通の祖先から分かれました。その後の数百万年間、初期のヒト族の脳は、類人猿の祖先やいとこたちの脳よりも大きく成長しませんでした.しかし、約 300 万年前から、ヒト族の脳は大規模な拡張を開始しました。私たちの種がホモ・サピエンスになる頃には が約 20 万年前に出現したとき、人間の脳は約 350 グラムから 1,300 グラム以上に膨れ上がっていました。その 300 万年のスプリントで、人間の脳は、前任者が霊長類の進化の 6000 万年の間に達成したサイズのほぼ 4 倍になりました。
化石は事実としてブレインブームを確立しました。しかし、彼らは、人間の脳がどのように、そしてなぜこれほど急速に大きくなったのかについて、ほとんど何も教えてくれません。もちろん、特にその理由に関しては多くの理論があります。ますます複雑化するソーシャル ネットワーク、ツールの使用とコラボレーションを中心に構築された文化、気まぐれでしばしば過酷な気候に適応するという課題 - これらの進化の圧力のいずれかまたはすべてが選択された可能性があります。
これらの可能性は魅力的ですが、テストするのは非常に困難です。しかし、過去8年間で、科学者たちは人間の脳の拡大の「方法」に答え始めました。つまり、細胞レベルでスーパーサイジングがどのように起こったのか、劇的に拡大したエネルギーに対応するために人間の生理機能がどのように再構成されたのかという問題です。ぐずぐずする脳。デューク大学の進化生物学者であるグレゴリー・レイ氏は、「これまではすべて憶測でしたが、ようやく実際に牽引力を得るツールを手に入れました。 「どのような突然変異が起こり、何をしたのか?このプロセスがいかに複雑であったかについて、私たちは答えを得て、より深く認識し始めています。」
人間の脳が特別な理由
特に、ある科学者は、研究者が脳をサイズアップする方法を変えました。脳力の代用として質量や体積に固執するのではなく、彼女は脳の構成部分を数えることに焦点を当てています.
Suzana Herculano-Houzel は、リオデジャネイロ連邦大学生物医学研究所の研究室で、定期的に脳を核のスープ (細胞の遺伝子制御室) に溶解しています。各ニューロンには 1 つの核があります。核に蛍光分子を付けてその輝きを測定することで、彼女は個々の脳細胞の正確な集計を得ることができます。この方法をさまざまな哺乳類の脳に使用して、長年の仮説に反して、より大きな哺乳類の脳は常により多くのニューロンを持っているわけではなく、それらが持っているニューロンが常に同じように分布しているとは限らないことを彼女は示しました.
人間の脳には全部で 860 億個のニューロンがあります。小脳には 690 億個あります。小脳は、基本的な身体機能と動きを調整するのに役立つ、脳の後部にある高密度の塊です。大脳皮質、脳の厚いコロナ、自己認識、言語、問題解決、抽象的思考などの最も洗練された精神的才能の座にある 160 億。脳幹と脳のコアへのその延長に10億。対照的に、ゾウの脳は人間の脳の 3 倍の大きさで、その小脳には 2510 億個のニューロンがあり、巨大で用途の広い幹を管理するのに役立ちますが、皮質には 56 億個しかありません。脳の質量または体積だけを考慮すると、これらの重要な違いが見えなくなります。
彼女の研究に基づいて、Herculano-Houzel は、霊長類が他の哺乳類よりもはるかに多くのニューロンを大脳皮質に詰め込む方法を進化させたと結論付けました。大型類人猿はゾウやクジラに比べて小さいですが、皮質の密度ははるかに高く、オランウータンとゴリラには 90 億個の皮質ニューロンがあり、チンパンジーには 60 億個あります。すべての大型類人猿の中で、私たちは最大の脳を持っているため、皮質に 160 億個のニューロンを持っています。実際、人間は地球上のどの種よりも多くの皮質ニューロンを持っているようです。 「これが人間の脳と人間以外の脳の最も明確な違いです」と Herculano-Houzel は言います。サイズだけでなく、アーキテクチャがすべてです。
人間の脳は、卓越した大食いという点でもユニークです。人間の脳は、体重のわずか 2% しか占めていませんが、安静時に体の全エネルギーのなんと 20% を消費します。対照的に、チンパンジーの脳はその半分しか必要としません。研究者たちは長い間、人間の体がこのような独特の貪欲な臓器を維持するためにどのように適応してきたのか疑問に思ってきました。 1995年、人類学者のレスリー・アイエロと進化生物学者のピーター・ウィーラーは、可能な答えとして「高価な組織仮説」を提案しました。根底にある論理は単純明快です。人間の脳の進化には、おそらく代謝のトレードオフが必要でした。脳が成長するためには、他の臓器、すなわち腸が収縮しなければならず、通常後者に行くエネルギーが前者に向け直された.証拠として、彼らは、脳が大きい霊長類ほど腸が小さいことを示すデータを指摘しました。
数年後、人類学者のリチャード・ランガムはこの考えに基づいて、料理の発明が人間の脳の進化にとって重要であると主張しました.柔らかく調理された食品は、固い生の食品よりもはるかに消化しやすく、胃腸の働きを抑えてより多くのカロリーを生み出します.おそらく、料理を学ぶことは、腸を犠牲にして人間の脳の肥大化を可能にしました.他の研究者は、チンパンジーが人間よりもはるかに強いことを考えると、脳と筋肉の間で同様のトレードオフが発生した可能性があると提案しています.
まとめると、これらの現代解剖学の仮説と観察は説得力があります。しかし、それらは何百万年も前に起こったと考えられている生物学的変化の反響に基づいています.何が起こったのかを確認し、脳の進化的成長のスパートを可能にした生理学的適応を正確に特定するには、肉よりも深く、ゲノムそのものに飛び込む必要があります.
遺伝子が脳を構築する仕組み
約 8 年前、Wray と彼の同僚は、エネルギーとして使用される細胞へのグルコースの移動に影響を与える遺伝子ファミリーの調査を開始しました。遺伝子ファミリーの 1 つのメンバーは特に脳組織で活発ですが、別のメンバーは筋肉で最も活発です。人間の脳の大きさが脳組織と筋肉の間の代謝のトレードオフを必要とする場合、これらの遺伝子は人間とチンパンジーで異なる振る舞いをするはずです.
レイと彼のチームは、死んだ人間とチンパンジーから脳、筋肉、肝臓のサンプルを収集し、各サンプルの遺伝子活性を測定しようとしました。細胞が遺伝子を「発現」するとき、最初に DNA を特徴的なメッセンジャー RNA (mRNA) 配列に翻訳し、続いてタンパク質を形成するアミノ酸鎖に翻訳します。したがって、さまざまなレベルの異なる mRNA によって、特定のタイプの組織における遺伝子活動のスナップショットを提供できます。
Wray のチームは、組織から mRNA を抽出し、実験室で何度も増幅して、さまざまな mRNA の相対的存在量を測定しました。彼らは、脳中心のグルコース輸送遺伝子はチンパンジーの脳よりも人間の脳組織で3.2倍活性が高く、筋肉中心の遺伝子は人間の筋肉よりもチンパンジーの筋肉で1.6倍活性であることを発見しました。しかし、2 つの遺伝子は両方の種の肝臓で同様に機能しました。
ヒトとチンパンジーの遺伝子配列がほぼ同一であることを考えると、別の何かが彼らのさまざまな行動を説明しなければなりません。 Wray と彼の同僚は、遺伝子の対応する調節配列 (遺伝子の活動を刺激または抑制する DNA のストレッチ) の間に興味深い違いがあることを発見しました。チンパンジーではなく、ヒトでは、筋肉と脳に焦点を当てたグルコース輸送遺伝子の調節配列に、偶然だけで予想されるよりも多くの変異が蓄積されており、これらの領域が加速進化を遂げたことを示しています。言い換えれば、筋肉からエネルギーを奪い、それを脳に送る方法で人間の調節領域を変更するという強い進化的圧力があった.遺伝子は、化石では不可能な方法で高価な組織仮説を裏付けました。
昨年、日本の沖縄科学技術大学院大学に勤務する計算生物学者のカシア・ボゼックは、別の角度から代謝を調べた同様の研究を発表しました。遺伝子発現を見ることに加えて、ボゼックと彼女の同僚は、糖、核酸、神経伝達物質を含む小分子の多様なグループである代謝産物のレベルを分析しました。多くの代謝産物は、代謝に必要であるか、代謝によって生成されます。さまざまな臓器は、その機能と必要なエネルギー量に応じて、異なる代謝プロファイルを持っています.一般に、近縁種の臓器の代謝産物レベルは、遠縁種間のレベルよりも同期しています。 Bozek は、例えば、ヒトとチンパンジーの腎臓の代謝プロファイルがかなり似ていることを発見しました。しかし、チンパンジーと人間の脳の代謝物レベルの変動は、通常の進化速度に基づいて予想されるよりも 4 倍高かった。筋肉の代謝産物は、予想されるレベルとは 7 倍も異なっていました。 「単一の遺伝子は、おそらく多くの代謝産物を調節できます」と Bozek 氏は述べています。 「そのため、遺伝子レベルでは大きな違いがなくても、代謝物レベルでは大きな違いが生じる可能性があります。」
Bozek と彼女の同僚は、その後、大学バスケットボール選手やプロのロック クライマーを含む 42 人の人間をチンパンジーやマカクと対戦させ、力を試しました。すべての霊長類は、おもりを載せたスライド棚を自分の方に引っ張らなければなりませんでした。体の大きさと重さを考慮すると、チンパンジーとマカクは人間の 2 倍の力がありました。理由は完全には明らかではありませんが、私たちの霊長類のいとこは、筋肉により多くのエネルギーを供給するため、私たちよりも筋肉からより多くの力を得ている可能性があります. 「他の霊長類と比較して、私たちは脳のエネルギーを節約するために筋力を失っていました」とボゼックは言いました。 「私たちの筋肉が本質的に弱いという意味ではありません。代謝が違うだけかもしれません。」
一方、レイはデューク大学の同僚であり、胚性脳の発達の専門家であるデブラ シルバーに頼って、先駆的な実験に着手しました。彼らは、私たちの脳の進化の歴史から関連する遺伝子変異を特定するだけでなく、それらの変異を実験用マウスのゲノムに織り込み、その結果を観察しようとしていました. 「これは、これまで誰も試みたことのないことです」とシルバーは言いました。
研究者は、人間の加速領域 (HAR) のデータベースをスキャンすることから始めました。これらの調節 DNA 配列はすべての脊椎動物に共通ですが、ヒトでは急速に変異しています。彼らは、脳の発達を調整する遺伝子を制御していると思われるHARE5に焦点を当てることにしました。 HARE5 の人間バージョンは、そのチンパンジーとは 16 個の DNA 文字が異なります。 Silver と Wray は、HARE5 のチンパンジー コピーをマウスの 1 つのグループに導入し、人間版を別のグループに導入しました。次に、胚のマウスの脳がどのように成長するかを観察しました。
発生から 9 日後、マウスの胚は大脳皮質を形成し始めます。これは、最も洗練された精神的才能に関連する脳のしわのある外側の層です。 10日目に、HARE5のヒトバージョンは、チンパンジーのコピーよりも出芽マウスの脳ではるかに活発であり、最終的に12パーセント大きい脳を生み出しました.さらなるテストにより、HARE5 は、特定の胚性脳細胞が分裂して増殖するのに必要な時間を 12 時間から 9 時間に短縮したことが明らかになりました。ヒト HARE5 を持つマウスは、新しいニューロンをより迅速に作成していました。
「この種の研究は、完全なゲノム配列がなかった 10 年前には不可能だったでしょう」と Silver 氏は述べています。 「それは本当にエキサイティングです。」しかし、彼女はまた、人間の脳がどのように爆発したかを完全に解明するには、さらに多くの研究が必要になると強調した. 「たった1つか2つの突然変異で脳の大きさを説明できると考えるのは間違いです。それは完全に間違っていると思います。私たちはおそらく、何らかの形で発達規則を取り入れている多くの小さな変化を獲得したでしょう。」
Wray 氏は次のように同意します。 —あなたはより大きな脳を手に入れます。人間とチンパンジーの脳の変化についてさらに学ぶにつれて、非常に多くの遺伝子が関与し、それぞれがそれに貢献していることがわかります。そこに入って本当に理解し始めるための扉が今開かれています。脳は非常に多くの微妙で非自明な方法で変更されています。」
脳と体
人間の脳の拡張のメカニズムは長い間謎に包まれていましたが、その重要性が疑問視されることはほとんどありませんでした。研究者たちは、他の動物に比べて人間の知能が非常に高い主な理由として、人間の脳のサイズが進化的に急増したことを繰り返し挙げてきました。クジラとゾウの脳に関する最近の研究で明らかになったように、大きさがすべてではありませんが、確かに重要な意味を持ちます。私たちが大型類人猿よりも多くの皮質ニューロンを持っている理由は、私たちの脳の密度が高いからではなく、余分な細胞すべてを収容するのに十分な大きさの脳をサポートする方法を進化させたからです.
しかし、自分の大きな頭に夢中になりすぎるのは危険です。はい、ニューロンが詰まった大きな脳は、私たちが高い知能と考えるものに不可欠です.しかし、それだけでは十分ではありません。イルカに手があったら世界はどうなるか、ちょっと考えてみてください。イルカは驚くほど頭がいい。彼らは、言語と文法の自己認識、協力、計画、および基礎を示しています。ただし、類人猿と比較すると、世界の原材料を操作する能力は大幅に制限されています。イルカが石器時代に入ることはありません。足ひれはフィネスできません。
同様に、チンパンジーとボノボは人間の言語を理解し、タッチ スクリーン キーボードを使って簡単な文章を作ることさえできますが、彼らの声道は発話に必要な一連の明確な音を出すには不十分です。逆に、一部の鳥は人間の発話を完璧に模倣するのに適切な声の構造を持っていますが、その脳は十分に大きくなく、複雑な言語を習得するのに適切な方法で配線されていません.
人間の脳がどれだけ大きくなっても、どれだけエネルギーを注ぎ込んでも、適切な体がなければ役に立たなかったでしょう。特に重要な 3 つの適応が、急成長中の脳と連携して働き、全体的な知能を劇的に向上させました。手先の器用さは他のどの動物よりも優れています。そして、私たちが話したり歌ったりすることを可能にする声道。したがって、人間の知性は、どんなに大きくても、単一の器官にまで遡ることはできません。それは体全体の適応の偶然の合流点から現れました.私たちのノギンのサイズに対する執着は続いていますが、実際には、私たちの知性は常に脳よりもはるかに大きくなっています.
