Гипотеза дорогих тканей
Гипотеза дорогих тканей ( ETH ) связывает размер мозга и кишечника в эволюции (в частности, в эволюции человека). Это предполагает, что для того, чтобы организм развил большой мозг без значительного увеличения скорости основного обмена (как это наблюдается у людей), организм должен использовать меньше энергии на другие дорогостоящие ткани; В документе, представляющем ETH, предполагается, что у людей это было достигнуто за счет употребления легко усваиваемой пищи и развития меньшего по размеру и менее энергоемкого кишечника. [1] ETH вдохновил множество исследовательских проектов по проверке его достоверности на приматах и других организмах.
Человеческий мозг выделяется среди млекопитающих своим относительным размером по сравнению с остальным телом. Мозг человека разумного примерно в три раза больше, чем у его ближайшего родственника — шимпанзе. Для примата такого размера тела относительный размер мозга и пищеварительного тракта является довольно неожиданным; пищеварительный тракт меньше, чем ожидалось для примата размером с человеческое тело. В 1995 году два учёных предложили попытаться решить этот феномен эволюции человека, используя гипотезу дорогих тканей.
Оригинальная бумага
[ редактировать ]Оригинальный документ, посвященный ETH, был написан Лесли Айелло и П. Е. Уилером . Доступность новых данных об уровне основного обмена (BMR) и размере мозга показала, что энергетика является проблемой поддержания относительно большого мозга, такого как человеческий мозг. У млекопитающих размер мозга положительно коррелирует с BMR. В статье они пытались объяснить, как людям удавалось получать энергию для своего большого и метаболически дорогого мозга, сохраняя при этом BMR, сравнимый с другими приматами с меньшим мозгом. Они обнаружили, что меньший относительный размер кишечника человека почти полностью компенсирует метаболические затраты большего мозга. Далее они предположили, что больший размер мозга позволит осуществлять более сложное поведение при поиске пищи, что приведет к более качественному питанию, что позволит кишечнику еще больше сжиматься, высвобождая больше энергии для мозга. Это исследование также представило аргументы в пользу изучения эволюции органов более взаимосвязанным образом, а не изолированно. [1]
Дальнейшие исследования
[ редактировать ]Антропологам удалось наблюдать резкий контраст в относительном размере мозга между людьми и нашими предками человекообразных обезьян. Исследования показали, что различия в размерах мозга лежат в основе серьезных различий в когнитивных способностях. Из-за этого ткань мозга энергетически дорога и требует в состоянии покоя большого количества энергии по сравнению с некоторыми другими соматическими тканями. Чтобы понять, как организм способен обеспечивать мозг необходимым количеством энергии для правильного функционирования, ученые рассматривают стоимостную сторону уравнения и сосредотачиваются на том, как мозг и другие дорогостоящие ткани, такие как кишечник или яички, могут найти компромисс. [2] Другая возможность заключается в том, что здесь не может быть никакого компромисса, а есть другие способы, которыми люди поддерживают питание мозга.
Научные дебаты вокруг ETH все еще активны и вдохновили на ряд подобных тестов, все из которых пытаются проверить ETH на другом виде или группе видов, рассматривая энцефализацию (соотношение между размером мозга и размером тела), размер кишечника, и/или качество диеты. Приматы, являющиеся ближайшими живыми родственниками человека, являются естественным продолжением этой гипотезы и, как таковые, исследуются во многих из этих тестов. Одно из таких исследований подтвердило гипотезу о дорогих тканях и обнаружило положительную корреляцию между качеством диеты и размером мозга (как и ожидалось в исходной статье), но в нем было отмечено, что среди протестированных видов были исключения. [3] Более широкое исследование, включающее приматов и других млекопитающих, оспорило ETH, обнаружив, что нет никакой отрицательной корреляции между размерами мозга и кишечника; однако он поддержал идею энергетического компромисса в эволюции, поскольку обнаружил отрицательную корреляцию между энцефализацией и жировыми отложениями. [4]
Исследования также проводились на видах, менее похожих на человека, таких как бесхвостые животные и рыбы. Исследование бесхвостых животных показало, что среди 30 протестированных видов наблюдалась значительная отрицательная корреляция между размером кишечника и размером мозга, как Айелло и Уиллер обнаружили у людей и приматов в своем первоначальном исследовании. [5] В одном исследовании рыб использовалась хищная рыба Питерса, слононосая рыба , у которой мозг уникального размера, примерно в три раза превышающий ожидаемый размер рыбы такого размера. Исследование показало, что у этих рыб кишечник значительно меньше, чем у других подобных хищных рыб. [5] Эти дальнейшие исследования обогащают дебаты по поводу ETH.Другое исследование, проведенное Хуангом, Ю и Ляо, изучало возможное влияние микробиоты кишечника на гипотезу дорогих тканей у позвоночных. Исследователи исследовали различные симбиотические кишечные бактерии, а также другие микроорганизмы, которые одновременно эволюционировали в пищеварительном тракте человека или других животных. Эти микробиоты эволюционировали, чтобы сформировать взаимовыгодные отношения со своим хозяином, они важны для иммунной функции, питания и физиологии человека, и любое нарушение в кишечнике может привести к желудочно-кишечной дисфункции, например, ожирению. Несколько исследований также показали, что разнообразие и состав микробиоты кишечника различаются топографически и временно. Это связано с тем, что определенные бактерии связаны с приемом пищи хозяином, а также с использованием питания и энергетическим обменом. Любые изменения или модификации микробного ландшафта кишечника могут привести к ряду сложных и динамичных взаимодействий на протяжении всей жизни. Кроме того, выбор хозяина тесно связан с разнообразием и сложностью микроба. Например, исследование показывает, что диета с высоким содержанием жиров увеличивает уровень Bacteroidete и снижает уровень Firmicute в кишечнике детей. Исследование также предположило, что Качество диеты также связано с размером кишечника. [6]
Исследование также показало, что размер кишечника также претерпел коэволюцию в размере мозга, отчасти потому, что и размер мозга, и кишечник являются одними из наиболее энергетически затратных органов в организме позвоночных. Согласно гипотезе дорогих тканей, более высокие затраты энергии у позвоночных с более крупным мозгом должны уравновешиваться аналогичным снижением в других энергопотребляющих органах; в данном случае размер кишки. Также были получены данные, показывающие, что позвоночные с более крупным мозгом эволюционировали, чтобы сбалансировать энергетические затраты, необходимые за счет размера кишечника. Например, исследователи обнаружили отрицательную корреляцию между размером мозга и размером кишечника у гуппи, а также у лесной лягушки Омей. [6] Микробиота кишечника a реагирует на качество диеты таким образом, что это влияет на метаболизм хозяина. Например, улучшение выработки энергии у хозяина или изменение метаболических путей является одним из основных процессов, которые определяют компромисс между размером мозга и размером кишечника. Этот процесс также коррелирует с гипотезой ETH, поскольку размер мозга увеличивается, когда потребление энергии находится на высоком уровне из-за потребления дополнительной диеты и общего увеличения постоянного потребления энергии. [6] Однако после нескольких исследований исследование не смогло найти убедительных доказательств того, что размер мозга отрицательно коррелирует с микробиотой кишечника у позвоночных.
Аналогичное исследование, проведенное Цубои и др., демонстрирует четкие доказательства того, что размер мозга коррелирует с размером кишечника за счет контроля эффектов общих наследственных и экологических переменных. Исследование показало, что эволюция более крупного мозга тесно связана с увеличением репродуктивных инвестиций в размер яйцеклеток и размер родителей. В результате эксперимента был сделан вывод о том, что энергетические затраты на энцефализацию могли быть связаны с эволюцией размера мозга как у эндотермных, так и у экзотермных позвоночных. [7] Например, исследование показало, что гомойотермные позвонки, такие как рыба-слононос, Gnathonemus petersii, имеют большой мозг, который соответствует размеру кишечника и желудка меньшего размера. Это позволило предположить, что энергетические ограничения на эволюцию размера мозга обнаружены, по крайней мере, у тропических видов с высокой энцефализацией. Кроме того, исследование показало, что эволюция размера мозга, связанная с увеличением размера яиц, может привести к увеличению периода родительской заботы. Это также показывает, что наличие энергетических ограничений энцефализации также применимо к гомойотермным позвоночным. [7] Несмотря на то, что исследование предоставило четкие доказательства того, что размер мозга и размер кишечника отрицательно коррелируют друг с другом, убедительных доказательств этого не было. Например, большая часть исследований, проведенных на живородящих и яйцекладущих видах хондрихтиев, не может быть обобщена на всех гомеотермных и экзотермных позвоночных.
Дальнейшие исследования показали, что определенно существует положительная корреляция между остатками массы мозга и остатками BMS у млекопитающих, но эта связь значима только у приматов. Рассматривая гипотезу дорогих тканей, нам также необходимо учитывать, как гипотеза энергетического компромисса влияет и на организм. Животные могли бы уменьшить размер других дорогостоящих тканей тела или уменьшить выделение энергии на передвижение или размножение. [2]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Айелло LC, Уиллер П. (апрель 1995 г.). «Гипотеза дорогих тканей: мозг и пищеварительная система в эволюции человека и приматов». Современная антропология . 36 (2): 199–221. дои : 10.1086/204350 . JSTOR 2744104 . S2CID 144317407 .
- ^ Перейти обратно: а б Ислер К., ван Шайк С.П. (декабрь 2006 г.). «Метаболические затраты на изменение размера мозга» . Письма по биологии . 2 (4): 557–60. дои : 10.1098/rsbl.2006.0538 . ПМК 1834002 . ПМИД 17148287 .
- ^ Фиш Дж.Л., Локвуд, Калифорния (февраль 2003 г.). «Диетические ограничения энцефализации у приматов» . Американский журнал физической антропологии . 120 (2): 171–81. дои : 10.1002/ajpa.10136 . ПМИД 12541334 .
- ^ Наваррете А., ван Шайк К.П., Ислер К. (ноябрь 2011 г.). «Энергетика и эволюция размера человеческого мозга» (PDF) . Природа . 480 (7375): 91–3. Бибкод : 2011Natur.480...91N . дои : 10.1038/nature10629 . ПМИД 22080949 . S2CID 205226956 .
- ^ Перейти обратно: а б Кауфман Дж. А., Хладик С. М., Паске П. (декабрь 2003 г.). «О гипотезе дорогих тканей: независимая поддержка от рыб с высокой энцефализацией». Современная антропология . 44 (5): 705–7. дои : 10.1086/379258 . JSTOR 10.1086/379258 . S2CID 145674535 .
- ^ Перейти обратно: а б с Хуан Ч., Юй Х, Ляо В.Б. (июнь 2018 г.). «Гипотеза о дорогих тканях у позвоночных: эффект кишечной микробиоты, обзор» . Международный журнал молекулярных наук . 19 (6): 1792. doi : 10.3390/ijms19061792 . ПМК 6032294 . ПМИД 29914188 .
- ^ Перейти обратно: а б Цубои М., Хасби А., Котршал А., Хейворд А., Бючел С.Д., Зидар Дж., Лёвли Х., Колм Н. (январь 2015 г.). «Сравнительная поддержка гипотезы о дорогих тканях: большой мозг коррелирует с меньшим размером кишечника и большими родительскими инвестициями в цихлид озера Танганьика» . Эволюция; Международный журнал органической эволюции . 69 (1): 190–200. дои : 10.1111/evo.12556 . ПМЦ 4312921 . ПМИД 25346264 .