Je leest:

Energie voor het brein

Energie voor het brein

Auteur: | 11 november 2011

Wij mensen zijn een opvallende verschijning in de zoogdierenwereld. We lopen op twee benen en hebben, relatief gezien, een enorm groot brein. Om dat brein draaiende te houden is veel extra energie nodig. Maar toch produceert ons lichaam in rust niet meer energie dan dat van andere zoogdieren. Hoe betalen we dan de prijs voor ons grote brein?

Een volwassen man van 65 kilogram heeft ongeveer 1.04 kilogram hersenweefsel. Dat is ruim viereneenhalf keer zoveel als op basis van onze lichaamsgrootte verwacht mag worden. Zo’n groot brein slurpt natuurlijk energie, gemiddeld 11.2 watt per kilogram. De meeste energie in de hersenen gaat op aan signaaloverdracht – via de uitlopers van zenuwcellen (axonen) – en aan de productie van signaalstoffen (neurotransmitters). Dat zijn processen die continue doorgaan. En dus moet onze man van 65 kilogram voortdurend 14.6 watt aan energie beschikbaar hebben, want het brein zelf heeft nauwelijks mogelijkheden om energie op te slaan.

Veel energie in je hersenen gaat op aan signaaloverdracht, een proces dat continue doorgaat.

Ter vergelijking: de meeste zoogdieren hebben aan ongeveer 3 watt genoeg om hun brein draaiende te houden. Een enorm verschil dus. Je zou dan ook verwachten dat het lichaam van de mens flink wat extra energie produceert om de hersenen te onderhouden. Maar dat is niet zo. In rust produceert het menselijk lichaam ongeveer evenveel energie als dat van andere zoogdieren. Waar komt de energie die nodig is om het brein te onderhouden dan vandaan?

Spijsvertering

In 1995 formuleerden biologen Leslie Aiello en Peter Wheeler een oplossing voor dit probleem. Zij ontdekten dat de spijsverteringsorganen van een man van 65 kilogram gemiddeld ongeveer 900 gram minder wegen dan op basis van zijn lichaamsgrootte verwacht mag worden. De biologen maakten een rekensommetje en kwamen erachter dat je met zo’n relatief klein spijsverteringskanaal ongeveer 9.5 watt aan energie kunt besparen. Dat is bijna gelijk aan de hoeveelheid extra energie die nodig is om een groter brein te onderhouden.

Aiello en Wheeler gaan er dan ook vanuit dat de ontwikkeling van een groter brein in de evolutie samenhangt met een afname van de grootte van het spijsverteringsstelsel. In theorie zou dat kunnen. Vroege mensachtigen aten voornamelijk plantaardig voedsel, vruchten, noten en zaden. Net als moderne planteneters – zoals herten – hadden zij een lang spijsverteringsstelsel nodig om hun voedsel goed te kunnen verteren. Later in de evolutie gingen mensachtigen steeds meer vlees eten en ontwikkelden zij ook methoden om hun voedsel te koken. Daardoor konden zij met een korter spijsverteringkanaal toe en ontstonden er mogelijkheden om het brein verder te ontwikkelen, aldus Aiello en Wheeler.

Ana Navarrete onderzocht de belangrijke organen van honderd zoogdiersoorten.
Ana Navarrete

De theorie van de biologen wordt in de wetenschappelijke wereld vrij breed geaccepteerd, maar eigenlijk is er maar weinig bewijs. Alleen bij vissen werd een paar jaar na de introductie van de theorie aangetoond dat er een correlatie bestaat tussen de grootte van de hersenen en de grootte van het spijsverteringskanaal. Zo’n correlatie werd bij onderzoek aan vogels en zoogdieren nog nooit gevonden.

Vetopslag

Recentelijk heeft een team van Zwitserse biologen, onder leiding van Ana Navarrete, opnieuw een poging gedaan de theorie van Aiello en Wheeler te testen. Bij honderd zoogdiersoorten (waarvan 23 aapachtigen) vergeleken zij de grootte van de hersenen met de grootte van andere belangrijke organen – het hart, de longen, de maag, de darmen, de nieren, de milt en de lever. Ook Navarrete en haar collega’s vonden geen correlatie tussen de grootte van de hersenen en de grootte van de spijsverteringsorganen. En trouwens ook niet tussen de grootte van de hersenen en de grootte van andere belangrijke organen. Het idee van Aiello en Wheeler dat verschillende belangrijke organen met elkaar ‘strijden’ om energie lijkt daarmee van de baan.

Maar wat is er dan wel aan de hand? In het blad Nature schrijven de Zwitsers dat er bij zoogdieren een correlatie is tussen de grootte van de hersenen en de mate van vetopslag. Heeft een dier grote hersenen dan is de vetopslag over het algemeen laag. Slaat een dier veel vet op dan heeft hij over het algemeen kleinere hersenen. Die correlatie is het sterkst bij dieren die hoge kosten moeten betalen voor het lichaamsgewicht dat ze mee moeten slepen. Denk aan klimmende of vliegende zoogdieren en vogels. De enige zoogdieren die een hoge vetopslag moeiteloos kunnen combineren met een groter brein, zijn dieren die niet zoveel kosten hoeven te maken om zich voort te bewegen: waterzoogdieren en mensen.

Efficiënt voortbewegen

Volgens Navarrete hebben twee ontwikkelingen in de evolutie bijgedragen aan ons grote brein. Doordat vroege mensachtigen steeds meer manieren ontdekten om hun dieet te verbeteren, konden zij steeds meer energie vrijmaken uit hun voedsel. Die energie konden ze direct gebruiken, maar ook opslaan in de vorm van vet. En dat vet is een handige buffer van energie. Onze neefjes de chimpansees en bonobo’s hebben een vetopslag van slechts 3 tot 10 procent. Wij slaan gemiddeld 14 tot 26 procent vet op. Wij kunnen ons grote brein draaiende houden door naast de energie die ons lichaam in rust produceert ook wat energie te putten uit onze vetopslag. Vandaar dat onze basis energieproductie niet hoger hoeft te liggen dan die van andere zoogdieren.

Ons grote brein heeft zich waarschijnlijk ontwikkeld doordat via verschillende mechanismen extra energie vrijkwam.

Naast de ontwikkelingen in het dieet gingen vroege mensachtigen op een gegeven moment van het lopen op handen en voeten over naar het lopen op twee benen. Die laatste vorm van voortbewegen kost veel minder energie. En de energie die bespaard wordt door efficiënter voort te bewegen, kan ook weer gebruikt worden voor de ontwikkeling van een groter brein, aldus Navarrete.

Pluspunt van de theorie van de Zwitsers boven die van Aiello en Wheeler is dat er bewijs voor is gevonden bij verschillende zoogdiersoorten. Om helemaal zeker te zijn, zou je eigenlijk de organen van vroege mensachtigen en moderne mensen naast elkaar moeten leggen. Maar aangezien organen heel slecht fossiliseren, is de kans dat dat ooit gebeurt niet zo groot.

Bronnen

  • Ana Navarrete e.a. Energetics and the evolution of human brain size Nature, 10 november 2011 (online)
  • Leslie Aiello en Peter Wheeler The expensive-tissue hypothesis: the brain and the digestive system in human and primate evolution Current Anthropology 36:2, april 1995

Zie ook:

Van klein naar groot (Kennislinkartikel) Beter reukvermogen, groter brein (Kennislinkartikel) De prijs van de menselijke evolutie (Kennislinkartikel) Lange babytijd, groot brein (Kennislinkartikel)

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 11 november 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.