چرا بعضی حیوانات مغز بزرگ دارند؟ نقش گرما و نوزادان در تکامل مغز

1

بدن گرم و نوزادان بزرگ، مسیر را برای مغزهای عظیم هموار کردند. پژوهشی تازه روی ۲۶۰۰ گونه مهره‌دار نشان می‌دهد که اندازه مغز زمانی رشد می‌کند که گرمای بدن و اندازه نوزاد در زمان تولد همسو شوند.

این مطالعه بر چگونگی پرداخت «قبض انرژی» مغز در هر روز تمرکز دارد. پژوهش توسط دانشمندان در شهر کنستانس آلمان انجام شد که حیواناتی از ماهی‌ها تا پرندگان را بررسی کردند.

چرا اندازه مغز در گونه‌ها متفاوت است؟

رهبری این تحقیق را کارل پی. فان شایک، استاد انسان‌شناسی تکاملی در مؤسسه رفتار حیوانات ماکس پلانک (MPIAB)، برعهده داشت. او مطالعه می‌کند که چگونه بودجه انرژی و مراقبت والدین، مسیر زندگی موجودات را شکل می‌دهند.

در طول تاریخ تکاملی، پدیده بزرگ‌مغزی (Encephalization) یا افزایش اندازه مغز نسبت به بدن، هرگز رایگان نبوده است. مغز همواره انرژی مصرف می‌کند و قبض آن هر روز سر می‌رسد.

ایده اصلی نظریه «مغز گران‌قیمت» ساده است: هرچه مغز بزرگ‌تر باشد، سوخت بیشتری لازم دارد یا باید در بخش‌های دیگر صرفه‌جویی شود. پژوهش‌های متعددی در زمینه تبدیل غذا به انرژی سلولی همین مسیر را تأیید می‌کنند.

«ما انسان‌ها خوش‌شانس بودیم که خون‌گرم هستیم. علاوه بر این، نوزادان ما بزرگ هستند و سال‌ها تغذیه می‌شوند.» — کارل فان شایک

دو محدودیت کلیدی برای اندازه مغز

۱. دمای بدن

نخستین عامل محدودکننده، دمای بدن است. حیواناتی که درون‌گرمازا (Endothermic) هستند، یعنی گرمای بدن خود را بدون وابستگی به محیط تولید می‌کنند، می‌توانند دستگاه عصبی خود را در بالاترین سطح کارایی حفظ کنند.

۲. اندازه نوزاد هنگام تولد

عامل دوم، اندازه نوزاد در زمان تولد است. نوزادان بزرگ‌تر با ذخایر انرژی بیشتر و پشتیبانی قوی‌تر والدین به دنیا می‌آیند، بنابراین رشد اولیه مغز بدون آسیب به سایر بخش‌های بدن ادامه می‌یابد.

هنگامی که این دو عامل همزمان رخ می‌دهند، مغز گونه‌ها به‌طور قابل‌توجهی بزرگ‌تر می‌شود. تحلیل‌ها نشان می‌دهد که پرندگان و پستانداران در بالاترین محدوده نسبت اندازه مغز به بدن قرار دارند، در حالی که اغلب دوزیستان و ماهی‌ها چنین نیستند.

چگونه این ایده آزمایش شد؟

تیم پژوهش مغز، بدن و اندازه نوزاد را در میان ۲۵۸۰ گونه مقایسه کرد و مدل‌هایی به کار برد که روابط خانوادگی میان گونه‌ها را نیز در نظر می‌گرفت.

در مجموعه داده دوم، اندازه مغز با دمای معمول بدن در ۱۰۵۹ گونه مقایسه شد. نتیجه نشان داد که گرما و اندازه نوزاد تأثیری متقابل دارند؛ هر کدام اثر دیگری را بر رشد مغز تقویت می‌کند.

پژوهشگران همچنین نرخ متابولیسم پایه (انرژی مصرف‌شده در حالت استراحت کامل) را بررسی کردند و دریافتند که پس از لحاظ کردن دمای بدن، تأثیر چندانی بر افزایش توان انرژی دیده نمی‌شود.

ریاضیات انرژی مغز در حال رشد

مغز بزرگ در هر سنی پرهزینه است، به‌ویژه در دوران کودکی که رشد جسمی و یادگیری همزمان پیش می‌روند.

از آنجا که بودجه انرژی مغز ثابت است، جبران کمبودها دشوار است. مغز نمی‌تواند فعالیتش را هنگام خواب یا گرسنگی متوقف کند، بنابراین محدودیت‌هایی برای اندازه آن به‌وجود می‌آید.

• یک راهکار افزایش دریافت انرژی در دوران کودکی است.
• راه دیگر، طولانی‌تر کردن دوران کودکی برای ادامه ساخت مغز در حالی که والدین غذا و حمایت فراهم می‌کنند.

نوزادان بزرگ‌تر در هر دو مورد مزیت دارند. آن‌ها با ذخیره انرژی متولد می‌شوند و معمولاً مدت طولانی‌تری مراقبت می‌گیرند، که خطر کمبود انرژی را برای مغز در حال رشد کاهش می‌دهد.

کوسه‌ها به‌عنوان نمونه آزمایشی

برخی از کوسه‌ها بخش‌هایی از بدن خود را گرم‌تر از آب اطراف نگه می‌دارند. این ویژگی، درون‌گرمای موضعی (Regional Endothermy) نام دارد و به آن‌ها اجازه می‌دهد در دریاهای سرد فعال‌تر بمانند.

داده‌های حاصل از تگ‌گذاری حیوانات این مزیت را تأیید می‌کند. تحلیل‌های تطبیقی نشان داد که ماهی‌های دارای درون‌گرمای موضعی سریع‌تر از خویشاوندان خون‌سرد خود شنا می‌کنند. بدن گرم‌تر باعث می‌شود بافت مغزی در حین فعالیت انرژی را کارآمدتر مصرف کند.

در این مجموعه داده، چند تیره از کوسه‌ها از نظر نسبت اندازه مغز به بدن، به پرندگان و پستانداران نزدیک‌ترند تا سایر ماهی‌ها. این یافته با نتایج فیزیولوژیکی دیگر نیز هم‌خوانی دارد.

در میان تمام مهره‌داران، اندازه نسبی مغز با افزایش دما بالا می‌رود، حتی زمانی که جرم بدن ثابت در نظر گرفته شود. این ارتباط دمایی توضیح می‌دهد که چرا بسیاری از موجودات خونسرد، با وجود ویژگی‌های مطلوب دیگر، مغز کوچکی دارند.

چرا اندازه نوزاد اهمیت دارد؟

مغز مصرف‌کننده سنگین گلوکز و اکسیژن است و حتی در انسان‌ها حدود یک‌پنجم انرژی در حالت استراحت را مصرف می‌کند.

هرچه گونه‌ای بیشتر در هر نوزاد سرمایه‌گذاری کند، عبور از «شکاف انرژی» اولیه آسان‌تر می‌شود. به همین دلیل، ماتروتروفی (Matrotrophy) یا تغذیه مستقیم جنین از مادر در دوران بارداری، به تولد نوزادان بزرگ‌تر منجر می‌شود.

این ارتباط یادآور مطالعات پیشین است که گسترش مغز را با بودجه انرژی پیوند می‌دادند. چارچوبی یکپارچه پیشنهاد می‌کند که گونه‌ها یا باید انرژی بیشتری بیابند یا هزینه‌های دیگر را کاهش دهند تا بتوانند مغزهای بزرگ‌تری پرورش دهند.

انسان‌ها نمونه بارز این الگو هستند: نوزادان ما نسبت به اندازه بدن بسیار بزرگ‌اند و برای سال‌ها تحت مراقبت تغذیه‌ای قرار می‌گیرند.

محدودیت‌ها و مسیرهای آینده پژوهش

البته همه تیره‌هایی که نوزادان بزرگ تولید می‌کنند، مغز بزرگ ندارند. بسیاری از دوزیستان و خزندگان مغز کوچکی دارند زیرا دمای بدنشان پایین است یا به‌طور مداوم نوسان دارد.

دمای بدن و اندازه نوزاد به‌جای اینکه به‌تنهایی مؤثر باشند، با یکدیگر عمل می‌کنند. این ترکیب توضیح می‌دهد که چرا پستانداران و پرندگان از سایر گروه‌ها جلو زدند و بیشتر خونسردها نه.

این پژوهش با حذف عوامل متغیر اجتماعی و بوم‌شناختی، نشان داد که اقتصاد بنیادی انرژی چگونه ساختار مغز را شکل می‌دهد. با مقایسه هزاران گونه در چارچوبی تکاملی، روشن شد که رشد مغز به توان تأمین انرژی وابسته است.

نتیجه‌گیری: گرما و سرمایه‌گذاری والدین فقط ویژگی‌های زیستی نیستند، بلکه پیش‌شرط‌هایی برای ساخت دستگاه عصبی پیچیده‌اند. این یافته نگاهی تازه و فروتنانه به تکامل مغز ارائه می‌دهد.

این پژوهش در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.