Новое научное исследование о размерах мозга и тела у животных: сложные взаимосвязи и исключения

Долгое время в научном сообществе существовало убеждение, что размер мозга животного прямо пропорционален размеру его тела. Однако недавнее исследование поставило под сомнение этот линейный подход и открыло новые перспективы в понимании совместной эволюции размера мозга и тела.

Существует значительное разнообразие в форме, размере и внутренней структуре мозга у различных животных. Хотя размер мозга часто коррелирует с когнитивными способностями, он тесно связан с размером тела животного. При увеличении размера тела мозг также увеличивается, но не в прямой пропорции, что известно как аллометрическое масштабирование.

Размеры тела млекопитающих варьируются от крошечных шмелевидных летучих мышей весом менее двух граммов до огромных синих китов. Для понимания эволюционных различий в размерах мозга важно изучить, как эти два параметра — размер тела и размер мозга — развивались вместе.

В исследовании, которое охватывало более 1500 видов млекопитающих, ученые использовали мощные вычислительные методы анализа, чтобы выяснить, как эволюционировал размер мозга в зависимости от размера тела животного. Результаты показали, что связь между этими двумя параметрами является нелинейной, как предполагалось ранее, а кривой. После достижения определенного порога размера тела эта связь выходит на плато.

Ранее ученые сталкивались с трудностями в объяснении значительной изменчивости соотношения размера мозга и тела среди различных групп животных. Например, у некоторых групп, таких как слоны и их родственники, это соотношение оказалось гораздо круче, чем у других, таких как приматы.

Ученые вновь проанализировали данные, чтобы выяснить, почему у некоторых крупных животных размер мозга относительно тела уменьшается. К нашему удивлению, оказалось, что это не связано с высокими энергетическими затратами на поддержание большого мозга, который у людей потребляет около 20% от общего объема энергии. Кроме того, это не связано с плотностью нейронов, которая могла бы увеличить вычислительную мощность мозга без необходимости в увеличении его размеров.

Таким образом, механизмы, лежащие в основе этого аспекта наших открытий, пока остаются загадкой.

Однако исследование позволило выявить виды млекопитающих, которые являются аномалиями в отношении соотношения размера мозга и тела. С помощью анализа ученые выявили виды и линии, в которых наблюдались быстрые изменения размеров мозга. В частности, наш собственный вид, Homo sapiens, показал эволюционную скорость увеличения размера мозга более чем в 20 раз выше средней скорости всех других видов млекопитающих. Это объясняет уникально большой мозг человека, который характеризует наш вид сегодня.

Тот факт, что люди являются аномалией в общей модели млекопитающих, подтверждает способность использовать инструменты, строить жилища, создавать музыку и жить в сложных обществах. Однако люди — не единственные, кто отклоняется от общей кривой. Ученые обнаружили множество видов на древе млекопитающих, которые также демонстрировали быстрое увеличение размера мозга относительно тела. К ним относятся крысы, медведи, дельфины и слоны, а также менее ожидаемые виды, такие как валлаби, сурки и куницы.

С другой стороны, у летучих мышей, эволюционировавших 50 миллионов лет назад, наблюдалось значительное уменьшение размера мозга. В течение следующего времени их эволюции размер мозга оставался практически неизменным. Это может указывать на существование ограничений, связанных с полетом, которые сдерживают дальнейшее увеличение мозга у летучих мышей.

Ученые выявили быстрые изменения относительного размера мозга у таких групп, как хищники, грызуны и приматы. В этих группах увеличение размера мозга происходило почти всегда.

Этот принцип, известный как правило Марша-Лартета, предполагает, что относительный размер мозга имеет тенденцию к увеличению в процессе эволюции млекопитающих. Однако модели показывают, что это явление не является универсальным для всех видов.

Группы млекопитающих, у которых наблюдается данная тенденция, демонстрируют значительное разнообразие в поведении и экологии, даже среди близких видов (например, панды и гризли, дикобразы и морские свинки). Эти группы включают в себя одних из самых социальных животных, таких как люди, землекопы и сурикаты.

У приматов увеличение размера мозга наблюдается на протяжении всей их эволюции. На ранних этапах эволюции мозг приматов составлял около 0,5% от массы их тела. В дальнейшем это привело к увеличению размера мозга у человека до 2% от массы тела.

Данные свидетельствуют о том, что иногда простые объяснения могут пролить свет на сложные явления, наблюдаемые в природе. Тем не менее, естественный отбор остается сложным процессом. Как и любое правило, кривая взаимосвязь между размером мозга и тела нарушается у тех видов, которые эволюционировали быстрее остальных.