Test af ideen om, at miljøudfordringer driver udviklingen af ​​større hjerner

I betragtning af hvor stolte vi er af vores store hjerner, det er ironisk, at vi endnu ikke har fundet ud af, hvorfor vi har dem. En idé, kaldet den kognitive bufferhypotese, er, at udviklingen af ​​store hjerner er drevet af de adaptive fordele ved at være i stand til at montere hurtigt, fleksible adfærdsmæssige reaktioner på hyppige eller uventede miljøændringer.

Det er svært at teste denne idé på mennesker, fordi der kun er én levende art i slægten Homo. Fugle, ifølge Carlos Botero, assisterende professor i biologi i kunst og videnskab ved Washington University i St. Louis, er en anden sag. Der er mange arter, de har en række hjernestørrelser, og de lever overalt. På mange måder, de er den ideelle gruppe til at teste denne hypotese.

Som ung lærd, Botero var i stand til at vise, hvordan mockingbirds, der lever i variable levesteder, har mere detaljerede sange. Da sangkompleksitet er en proxy for indlæringsevne, dette fund syntes at understøtte den kognitive bufferhypotese.

Men, efter et stykke tid, han begyndte at tænke på alternative forklaringer på sine resultater. Hypotesen kræver, at store hjerner forbedrer overlevelse, men Boteros undersøgelse viste ikke dette. Og det afgjorde ikke et afgørende timingsproblem:Udviklede store hjerner sig i variable levesteder, eller udviklede de sig andre steder og gjorde det lettere at kolonisere barske miljøer? Imidlertid, Mockingbird-undersøgelsen så sig ikke tilbage i tiden.

Så sammen med Trevor Fristoe, postdoc i biologi ved Washington University og canadiske biolog Andrew Iwaniuk fra University of Lethbridge, Botero besluttede at teste antagelserne bag den kognitive bufferhypotese og teste hver af dem separat.

Deres studie, udgivet 25. september i Naturens økologi og evolution , viste, at store hjerner ikke var mere tilbøjelige til at udvikle sig variabel sammenlignet med stabile levesteder, så den del af hypotesen blev ikke understøttet. Men det viste også, at mere intelligente fugle var bedre i stand til at kolonisere sæsonbestemt, uforudsigelige steder. Så fugle med store hjerner var i stand til at bevæge sig ind i en bredere vifte af miljøer.

"Resultaterne var ret overraskende, " sagde Fristoe. "I den første del af undersøgelsen, vi viste, at en stor hjerne virkelig giver fugle en overlevelsesfordel i variable miljøer. Så mekanismen virker. Men det gjorde det endnu mere gådefuldt, da anden del af undersøgelsen viste, at store hjerner ofte udviklede sig i stabile – ikke i variable – levesteder."

Botero er den første til at anerkende, at hjernestørrelse er et ufuldkomment mål for kognition, et begreb, der i sig selv har mange definitioner.

Hvad forskerne så på var ikke absolut hjernestørrelse, men forskellen mellem hjernestørrelse og den statistisk forudsagte hjernestørrelse for fuglens kropsstørrelse. "En struds ser ud til at have en enorm hjerne, men i forhold til dens kropsstørrelse, det er virkelig ikke så imponerende, "Sagde Botero." En ravn er ikke meget større end en kylling, men dens hjerne er forholdsmæssigt meget mere massiv.

"Korrelationen mellem relativ hjernestørrelse og kognitiv evne er bedre for fugle end for pattedyr, " sagde Botero. "Selvom relativ hjernestørrelse er en støjende målestok, det er stadig en af ​​de bedre måder, vi har til at måle hjernerelaterede forskelle mellem arter på store taksonomiske skalaer.

"Hele dette felt er fyldt med forbehold."

Botero og Fristoe testede først antagelsen om, at en større hjerne gav fugle en overlevelsesfordel ved at analysere de data, der blev indsamlet af avlsfugleundersøgelsen, en enorm database med fugleobservationer, der bruges til at overvåge bestande af nordamerikanske fugle. Hvert år siden 1966, frivillige fuglekiggere har fulgt forudbestemte ruter i højeste yngletid, stopper i tre minutter på udpegede steder for at tælle alle de fugle, de kan høre eller se.

"Vi gennemgik alle data for Nordamerika, alle de arter, som vi kendte hjernestørrelse til, og kom med et mål for befolkningsstabilitet, justering for andre faktorer, der kan påvirke stabiliteten, såsom koblingens størrelse, og hvorvidt fuglen er trækkende eller ej, "Sagde Botero.

De karakteriserede miljøforhold i samme periode med data fra ecoClimate, en åben database over klimatiske simuleringer, og data fra NASA Jordobservationer.

"Vi viste, at arter med store hjerner opretholder stabile populationer i miljøer, hvor temperaturen, nedbør eller produktivitet ændrer sig meget, og arter med mindre hjerner klarer sig dårligere, " sagde Botero.

"Så den mekanisme, folk foreslog, ser virkelig ud til at fungere, " sagde han. "Store hjerner forbedrer overlevelse, når miljøforhold ændrer sig ofte og uventet."

Forskerne var nu klar til at tage fat på hovedproblemet. "Den kognitive bufferhypotese hævder, at hjerner blev større, fordi arter blev udsat for mere variable miljøer, " sagde Botero. "Det giver mening, men er det sandt?"

For at hypotesen skal være sand, de variable forhold skulle ske først, og det betød, at forskerne måtte udtænke en måde at rekonstruere egenskaberne ved fugle og miljøer, som forsvandt for længe siden.

At gøre dette, de ledte efter evolutionære sammenhænge mellem overgange i hjernestørrelse og temperatur- og nedbørsvariablen for artsspecifikke levesteder i en global fylogeni af fugle (et diagram, der repræsenterer den rækkefølge, i hvilken arter menes at have udviklet sig fra en fælles forfader).

"Vi fandt ud af, at store hjerner er lige tilbøjelige til at udvikle sig på steder, der havde variable forhold, og steder, der havde stabile forhold. Vi kan ikke se nogen forskel mellem de to, " sagde Botero.

"Men vi fandt ud af, at variable miljøer er mere tilbøjelige til at blive koloniseret af arter, der allerede havde store hjerner, " sagde han. "Det forklarer hvorfor, når vi går ud i dag, vi finder en sammenhæng mellem store hjerner og variable miljøer. Og sandsynligvis hvorfor hans tidligere undersøgelse fandt, at de bedste sangere blandt spottefugle levede i variable levesteder.

Så vi ved nu, at en stor hjerne hjalp arter som den almindelige ravn med at udvide sig til de mange forskellige levesteder, hvor de lever i dag, men vi ved stadig ikke, hvorfor ravne og endda mennesker udviklede store hjerner i første omgang. Botero og Fristoe tænker over det.