Die Evolution des Menschen ist ein komplexer Prozess, in dem viele Faktoren zusammenspielen. Zwei der wichtigsten Entwicklungen in der Menschheitsgeschichte sind der aufrechte Gang und die Zunahme der Gehirngröße. Diese beiden Merkmale haben sich nicht unabhängig voneinander entwickelt, sondern stehen in einem engen Zusammenhang.
Die Ursprünge des aufrechten Ganges
Eine der vielen interessanten Fragen, die in der Paläolanthropologie und Archäologie diskutiert werden, beschäftigt sich mit dem aufrechten Gang: Wie kam es dazu, dass wir aufrecht laufen? Aktuell geht man davon aus, dass ein Wandel im Klima die Entwicklung des aufrechten Ganges gefördert haben könnte. Der Auslöser hierfür soll demnach der große ostafrikanische Grabenbruch sein, der vor ca. 35 Millionen Jahren entstand und die klimatischen Verhältnisse maßgebend beeinflusste. Der Bruch kam durch das Auseinanderdriften der afrikanischen und arabischen Platte zustande und ließ das Klima einen entscheidenden Wandel in der Region nehmen. Zunächst stiegen in dem Grabenbruch große Mengen Magma auf und bildeten über 1800 m hohe Gebirge. Im Windschatten dieser Gebirge kam es vor ca. 10 Millionen Jahren zu einem weiteren entscheidenden Wandel der Umwelt: Der Regenwald lockerte sich auf, die Bäume verschwanden und die Affen waren gezwungen, sich auf dem savannenartigen Flachland fortzubewegen. Aus eben dieser Zeit und dieser Region stammen die ältesten bekannten Skelettfunde aufrecht gehender Vormenschen, weshalb auch ein Zusammenhang mit dem Grabenbruch vermutet wird.
Der aufrechte Gang brachte verschiedene Vorteile mit sich. Zum einen ermöglichte er es, feindlich gesinnte Tiere oder Gegner frühzeitig zu erkennen und Fluchtwege schnell wahrzunehmen. Zum anderen verringerte er die der Sonne ausgesetzte Körperfläche, was in der Savanne mit ihrer hohen Sonneneinstrahlung von Vorteil war. Zudem erhöhte sich der Abstand zum ebenfalls Wärme abstrahlenden Boden, wodurch der Körper durch Wind effizienter gekühlt werden konnte.
Die Entwicklung des aufrechten Ganges führte auch zu einer Arbeitsteilung der Gliedmaßen. Beine und Füße übernahmen die Fortbewegung, während Arme und Hände frei wurden zum Greifen und Halten. Dies ermöglichte es den Frühmenschen, Werkzeuge herzustellen und zu nutzen, was wiederum die Jagd und das Sammeln von Nahrung erleichterte.
Die Entwicklung des Gehirns
Das Gehirn des Menschen ist ungefähr dreimal so gross wie dasjenige eines Menschenaffen. Zurückzuführen ist dies nicht zuletzt auf die evolutionäre Herausbildung neuer Hirnstrukturen, die zum Beispiel das Sprechen oder das Herstellen von Werkzeugen ermöglichen. Wie ein Fisch im Aquarium schwimmt das menschliche Gehirn in dem mit Flüssigkeit gefüllten Schädel, füllt diesen aber fast vollständig aus. In welcher Beziehung Gehirn und Schädel zueinander stehen und wie sie während der menschlichen Evolution interagierten, fragen sich Forschende seit fast hundert Jahren.
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José Luis Alatorre Warren vom Anthropologischen Institut der Universität Zürich untersuchte die Frage anhand von Computertomografie- und Magnetresonanztomografie-Daten von Menschen und Schimpansen. Eine Kombination der beiden bildgebenden Verfahren ermöglichte es ihm, die räumlichen Beziehungen zwischen Windungen (Gyri) und Furchen (Sulci) des Gehirns einerseits und Schädelnähten andererseits zu quantifizieren. Die Resultate zeigen, dass sich die charakteristischen räumlichen Verhältnisse zwischen Hirn- und Schädelstrukturen bei Menschen klar von denjenigen bei Schimpansen unterschieden. So haben sich etwa Gehirnstrukturen, die mit komplexen kognitiven Aufgaben wie Sprache, sozialen Verhaltens- und Denkweisen oder manueller Geschicklichkeit verbunden sind, im Laufe der Evolution deutlich vergrössert. Sichtbar wird dies zum Beispiel an für den Menschen charakteristischen Veränderungen im Frontallappen. Diese Reorganisation innerhalb des Gehirns hatte jedoch keinen Einfluss auf die Umformungen, die sich parallel dazu am Schädel zeigen. Ausschlaggebend dafür war vielmehr der aufrechte Gang auf zwei Beinen. Um das Gleichgewicht des Kopfes auf der Wirbelsäule zu verbessern, hat sich im Laufe der menschlichen Evolution zum Beispiel die Öffnung für das Rückenmark an der Schädelbasis nach vorne verschoben. «Innerhalb des Schädels schwebend, ist das Gehirn also seinem eigenen evolutionären Weg gefolgt», fasst Alatorre Warren zusammen.
Der Zusammenhang zwischen aufrechtem Gang und Gehirnentwicklung
Der aufrechte Gang und die Gehirnentwicklung stehen in einem engen Zusammenhang. Der aufrechte Gang ermöglichte es den Frühmenschen, ihre Hände für andere Tätigkeiten zu nutzen, wie zum Beispiel die Herstellung von Werkzeugen. Die Nutzung von Werkzeugen wiederum förderte die Entwicklung des Gehirns, da sie komplexe Denkprozesse erforderte.
Hinzu kommt, dass der aufrechte Gang die Perspektive der Frühmenschen auf ihre Umwelt veränderte. Sie konnten nun weiter sehen und Gefahren früher erkennen. Dies führte zu einer erhöhten Aufmerksamkeit und einer besseren Wahrnehmung der Umwelt, was ebenfalls die Entwicklung des Gehirns förderte.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Ernährung. Der aufrechte Gang ermöglichte es den Frühmenschen, größere Strecken zurückzulegen und somit neue Nahrungsquellen zu erschließen. Insbesondere der Konsum von Fleisch spielte eine wichtige Rolle bei der Gehirnentwicklung, da tierische Nahrung mehr wertvolle Proteine und Fette liefert als pflanzliche Nahrung.
Das Dilemma zwischen aufrechtem Gang und größerem Gehirn
Der aufrechte Gang entstand vor etwa sieben Millionen Jahren und führte zu einer tiefgreifenden Umgestaltung des Beckens mit einem verkürzten Abstand zwischen Hüftgelenk und Kreuzbein. Die enorme Zunahme der Hirngrösse erfolgte jedoch erst ab zwei Millionen Jahren, als die frühesten Vertreter der Gattung Homo auftauchten. Das Dilemma, das durch die beiden gegensätzlichen Selektionsdrücke entstand, löste die Evolution durch die Geburt von neurologisch unterentwickelten, hilflosen Neugeborenen mit einer relativ kleinen Gehirngrösse. Wir Menschen werden deshalb auch als sekundäre «Nesthocker» bezeichnet.
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Die Forschungsgruppe von Martin Häusler vom Institut für Evolutionäre Medizin der Universität Zürich (UZH) und das Team von Pierre Frémondière von der Université Aix-Marseille zeigen nun, dass verglichen mit den Menschenaffen die Geburt bereits bei den Australopithecinen vor zwei bis vier Millionen Jahren schwierig war. «Vormenschen wie Lucy sind ideal, um die Effekte der unterschiedlichen evolutiven Kräfte zu untersuchen: Sie besassen noch ein relativ kleines, affenähnliches Gehirn, ihr Becken wies aber bereits deutliche Anpassungen an den aufrechten Gang auf», sagt Häusler.
Gelungen ist den Forschenden der Nachweis mit Hilfe von dreidimensionalen Computer-Simulationen. Da keine Fossilien von neugeboren Australopithecinen erhalten sind, simulierten sie die Geburt mit verschiedenen Fetuskopfgrössen, um die gesamte mögliche Variationsbreite abzudecken. Für jede Art steht die Gehirngrösse der Neugeborenen in einem typischen Verhältnis zur Gehirngrösse der Erwachsenen: Basierend auf dem Verhältnis von nichtmenschlichen Primaten und der Hirngrösse eines durchschnittlichen erwachsenen Australopithecus berechneten die Forschenden die mittlere Gehirngrösse der Neugeborenen auf 180 g. Gemäss dem menschlichen Verhältnis entspräche dies einer Grösse von 110 g.
Für die 3D-Geburtssimulationen berücksichtigten die Forschenden die durch die Schwangerschaft erhöhte Beweglichkeit der Beckengelenke und ermittelten eine realistische Dicke der Weichteile. Das Resultat: Eine problemlose Passage ist nur bei einem Fetuskopf von 110 g Grösse, nicht aber bei 180 g oder einer Zwischengrösse von 145 g. «Das bedeutet, dass die Australopithecus-Babys bei der Geburt ähnlich neurologisch unterentwickelt und auf Hilfe angewiesen waren wie die Menschenbabys heutzutage», sagt Häusler.
Aus diesem Grund praktizierten wahrscheinlich bereits die Australopithecinen eine Form der gemeinsamen Aufzucht des Nachwuchses. Verglichen mit Menschaffen konnte das kindliche Gehirn länger ausserhalb der Gebärmutter wachsen und die Neugeborenen so länger von anderen Gruppenmitgliedern lernen. «Diese ausgedehntere Lernphase wird gemeinhin als entscheidender Faktor für die kognitive und kulturelle Entwicklung des Menschen angesehen», sagt Häusler.
Die Bedeutung der Kindesentwicklung
Die ersten Lebensjahre sind entscheidend für die Vernetzung des Gehirns. Klinische Studien haben gezeigt, dass in der frühen Kindheit selbst geringfügige Abweichungen im Muster der Gehirnentwicklung die Struktur des Gehirns und damit Kognition und Verhalten beeinflussen. Dieses dynamische Netzwerk ist das Substrat für Kognition und entwickelt sich besonders beim Menschen unter dem Eindruck der Stimuli außerhalb des Mutterleibes.
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Unterschiede zwischen Neandertalern und modernen Menschen
Ob es zwischen Neandertalern und modernen Menschen Unterschiede in geistigen und sozialen Fähigkeiten gab, ist eines der großen Streitthemen in der Anthropologie und Archäologie. Da Neandertaler und moderne Menschen ähnlich große Gehirne hatten, gehen einige Forscher davon aus, dass auch die kognitiven Fähigkeiten dieser Spezies ähnlich gewesen sein mussten. Manche archäologischen Befunde deuten allerdings auf Unterschiede im Verhalten zwischen modernen Menschen und Neandertalern hin.
So konnten Wissenschaftler nachweisen [7], dass sich das Muster der endocranialen Gestaltveränderung direkt nach der Geburt zwischen Neandertalern und modernen Menschen unterscheidet. Das wichtigste Indiz dafür waren die fossilen Fragmente der Schädel von zwei Neandertalern, die bei der Geburt oder kurz danach verstorben waren. Bereits 1914 hatte ein Team französischer Archäologen in der Dordogne das Skelett eines Neandertalerbabys entdeckt. Die versteinerten Kinderknochen wurden aber kaum beachtet und schließlich vergessen. Erst neunzig Jahre später wurden die verschollenen Knochen im Lager des Museums von Les Eyzies-de-Tayac-Sireuil in Frankreich wiederentdeckt. Die zerbrechlichen Fragmente wurden daraufhin mit einem hochauflösenden µCT-Gerät gescannt und dann an Computern im Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig rekonstruiert. Das gleiche Verfahren wendeten die Forscher an den Fragmenten des Neandertalerbabys von Mezmaiskaya im Kaukasus (Abb. 4) an [7].
Zur Zeit der Geburt ist das Gesicht eines Neandertalers bereits größer als das eines modernen Menschenbabys. Die gut dokumentierten Unterschiede in der Gehirngestalt [8] zwischen erwachsenen modernen Menschen und Neandertalern entwickeln sich aber erst nach der Geburt. Sowohl Neandertaler als auch Homo sapiens haben bei der Geburt längliche Schädel (Abb. 2A) mit etwa gleich großen Gehirnen. Erst im Laufe des ersten Lebensjahres entwickelt sich bei modernen Menschen die charakteristisch runde Schädelform. Kurz nach der Geburt sind die Schädelknochen sehr dünn und die knöchernen Nähte sind noch weit offen (deutlich zu sehen zum Beispiel an der Fontanelle). Da sich die knöcherne Gehirnkapsel an das expandierende Gehirn anpasst, bedeutet das, dass die Gehirne von modernen Menschen und Neandertalern von der Geburt bis etwa zum Durchbrechen der ersten Milchzähne unterschiedlich wachsen [7]. Moderne Menschen unterscheiden sich von Neandertalern in einer frühen Phase der Gehirnentwicklung. Sobald die Milchzähne durchgebrochen sind, unterscheiden sich die Wachstumsmuster dieser beiden Menschengruppen allerdings nicht mehr. Diese Entwicklungsunterschiede direkt nach der Geburt könnten Auswirkungen auf die neuronale und synaptische Organisation des Gehirns haben. Erst kürzlich ergaben genetische Studien, dass sich der moderne Mensch vom Neandertaler durch einige Gene unterscheidet, die wichtig für die Gehirnentwicklung sind [9, 10].
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