Der Mensch ist zu bemerkenswerten kognitiven Leistungen fähig. Doch wie kam es im Laufe der Evolution dazu? Die Evolution des Gehirns ist ein komplexes und faszinierendes Thema, das Wissenschaftler seit langem beschäftigt. Von den ersten einfachen Nervensystemen bis hin zum komplexen menschlichen Gehirn hat die Natur einen langen Weg zurückgelegt. Dieser Artikel beleuchtet die Gründe für die Evolution des Gehirns und gibt Einblicke in die verschiedenen Faktoren, die diese Entwicklung beeinflusst haben.
Die frühen Anfänge: Nervenzellen und erste Gehirne
Vor mehr als einer halben Milliarde Jahren machte die Natur eine geniale Erfindung: Sie schuf Neurone. Zellen, die Reize empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Selbst eine so simple Kreatur wie das Darmbakterium Escherichia coli ist fähig, auf Reize in seiner Umgebung sinnvoll zu reagieren. Konsequenterweise führte die Evolution im Verlauf der Entwicklung zwischen Schwämmen und Quallen eine Neuerung ein: die Nervenzellen (Neurone).
Die mobilen, räuberischen Quallen hingegen gehören zu den ältesten heute noch existierenden Organismen, die über ein einfaches Nervensystem verfügen. Die Stammesgeschichtlich alten, wirbellosen Quallen haben kein Gehirn. Vielmehr brauchen sie eine Instanz, welche die Informationen aus unterschiedlichen Körperregionen zusammenführt, ein Ergebnis daraus ableitet und die Reaktion steuert.
Die Entwicklung von Gehirnstrukturen: Von Würmern zu Wirbeltieren
Diese Konstruktion erprobte die Natur erst bei den Würmern. Im Gegensatz zu radialsymmetrischen Tieren wie Quallen oder Seesternen lassen sich bei ihnen bereits vorn und hinten unterscheiden - und das bedeutete einen gewaltigen Sprung bei der Evolution des Gehirns. Schlägt ein Tier bevorzugt eine Richtung ein, also vorwärts, ist es sinnvoll, wenn sich ein Großteil seiner Nerven und Sinneszellen am vorderen Ende konzentriert. Die Plattwürmer zählen zu den einfachsten Kreaturen, bei denen sich dieser Bauplan beobachten lässt: Vorn sitzt ein Kopf, und darin ruht das Gehirn.
Etwas weiter entwickelte Tiere wie die Ringelwürmer und die später entstandenen Insekten besitzen in Segmente gegliederte Körper. Jeder Abschnitt hat zwei Nervenknoten (Ganglien), die wie Minihirne das jeweilige Segment steuern. Die Ganglien sind zu einer strickleiterartigen Struktur verknüpft, die in den Kopf führt. Die ersten Wirbeltiere, die vor etwa 500 Millionen Jahren auftraten, hatten Ähnlichkeit mit den heutigen, fischähnlichen Neunaugen. Sie besaßen bereits eine Schädelkapsel, die das empfindliche Gehirn schützte.
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Die Evolution des Vorderhirns: Der Weg zu komplexen Fähigkeiten
Während sich der Hirnstamm im Verlauf der Evolution relativ wenig veränderte, erkor die Baumeisterin Natur das Vorderhirn zu ihrer Lieblingsbaustelle. Bei Krokodilen ist der keulenförmige Teil des Vorderhirns vornehmlich mit der Analyse von Gerüchen beschäftigt. Im Laufe der Entwicklung zu komplexeren Gehirnen vergrößerte sich bei Wirbeltieren (hier ein Frosch) vor allem das Vorderhirn (grau).
Der Fortschritt hin zu immer mehr Leistung, Lernbereitschaft und zu komplexeren Fähigkeiten ist in erster Linie dem Aufblähen einer äußeren Schicht des Vorderhirns, der Großhirnrinde, zu verdanken. Ihr stammesgeschichtlich jüngster Teil wird Neokortex genannt und existiert nur bei Säugetieren. Könnte man die Großhirnwindungen im menschlichen Kopf glätten, würden sie eine Fläche von vier DIN-A4-Blättern bedecken - viermal so groß wie beim Schimpansen.
Umweltfaktoren und die Entstehung des menschlichen Gehirns
Vor etwa zwei Millionen Jahren beschleunigte sich sein Wachstum rasant: Nahm das Organ des damals lebenden Homo habilis etwa 600 Kubikzentimeter ein, so brachte es der Homo sapiens vor 190 000 Jahren schon auf etwa 1400 Kubikzentimeter. Der Auslöser war möglicherweise ein Klimawandel vor 2,3 Millionen Jahren, der die frühen Menschen vor neue Herausforderungen stellte. Für die Herstellung und Bedienung dieser Hilfsmittel waren erhöhte geistige Fähigkeiten und eine gesteigerte Geschicklichkeit der Hände notwendig. Auch die Entstehung der Sprache und der damit verbundene Nutzen im täglichen Überlebenskampf förderte vermutlich die Entwicklung großer Gehirne.
Ernährung und Gehirnentwicklung
Die Gehirne von Menschen sind dreimal so groß wie die anderer Primatenarten. Es wird angenommen, dass eine vielfältige, hochwertige Ernährung und eine lange Kindheit mit ausreichend Zeit zum Erlernen komplexer Fähigkeiten zum Nahrungserwerb wichtige evolutionäre Faktoren für unsere großen Gehirne sind. Im Gegensatz zu anderen Primaten zeichnet sich die menschliche Ernährung durch eine große Vielfalt an hochwertigen und schwer zu beschaffenden Nahrungsmitteln aus, wie etwa Fleisch, Fisch und Raupen sowie unterirdische Knollen oder viele Arten von Nüssen. Um diese zu sammeln zu können, bedarf es komplexer Fähigkeiten zur Nahrungssuche, die vermutlich schon im frühen Alter entwickelt werden. Eine stabilere Energie- und Nährstoffversorgung könnte eine größere Investition in das Gehirn ermöglicht haben.
Die Rolle der Kindheit bei der Gehirnentwicklung
Um besser zu verstehen, wie der Mensch diese Fähigkeiten erlernt, begleitete das internationale Forscherteam ein Jahr lang 27 Kinder einer modernen Sammlergesellschaft in der Republik Kongo. Die BaYaka beginnen bereits im Alter von fünf Jahren mit der selbstständigen Nahrungssuche in Gruppen von Gleichaltrigen. Die Forschenden untersuchten die Methoden der Kinder bei der Nahrungssuche, die Zusammensetzung ihrer Nahrung und ihr Wissen über die Pflanzenwelt auf ihren täglichen Ausflügen.
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Die Entwicklung des Gehirns im Kindesalter: 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.
So konnten Wissenschaftler nachweisen, dass sich das Muster der endocranialen Gestaltveränderung direkt nach der Geburt zwischen Neandertalern und modernen Menschen unterscheidet. Die gut dokumentierten Unterschiede in der Gehirngestalt zwischen erwachsenen modernen Menschen und Neandertalern entwickeln sich aber erst nach der Geburt. Moderne Menschen unterscheiden sich von Neandertalern in einer frühen Phase der Gehirnentwicklung.
Schrumpfende Gehirne? Ein Blick auf die jüngste Entwicklung
Tatsächlich haben die Menschen in den vergangenen 35 000 Jahren sogar an Hirnmasse verloren. Das menschliche Gehirn ist kleiner geworden. Zumindest im Vergleich zu unseren Vorfahren, die vor gut 1,5 Millionen Jahren den Planeten bevölkerten. Ausgerechnet Ameisen können Hinweise geben, wieso das so ist.
Die Art und Weise, wie sich Individuen in einem Ameisenstaat organisieren, ähnelt unseren modernen Gesellschaftsstrukturen. Die Insekten haben, verglichen mit ihrer Körpergröße, ein Mini-Gehirn. Es ist etwa eine Million Mal kleiner als das eines Menschen - sie können aber Großes leisten. Das Prinzip dahinter ist eine Art kollektive Intelligenz. Nicht jeder muss alles können oder wissen, es gibt eine klare Aufgabenteilung. Wahrscheinlich, so die Forscher, sind kleinere Gehirne in solchen Systemen evolutionär im Vorteil.
Die Anfälligkeit des menschlichen Gehirns für altersbedingten Abbau
Vergleichen wir uns mit unseren genetisch nächsten noch lebenden Verwandten, den Schimpansen, spricht physisch wenig für uns. Doch wo Vorteile sind, gibt es auch die Schattenseiten. Und die hat ein Forscherteam aus Deutschland und den USA jetzt entdeckt. Im Austausch für mehr geistige Kapazität und größere Hirnrinde sind die Menschen möglicherweise anfälliger für den altersbedingten Verlust der grauen Substanz geworden.
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Chilecebus carrascoensis: Ein Puzzleteil in der Gehirnevolution
Eines der wenigen Fossilien, die einen Einblick in die frühe Entwicklungsgeschichte unseres Denkorgans liefern könnten, ist Chilecebus carrascoensis. Dieser kleine Primat lebte vor rund 20 Millionen Jahren im heutigen Chile und gehört zu den frühesten bekannten Vertretern der Neuweltaffen. Seine Position im Stammbaum sowie sein guter Erhaltungszustand machen Chilecebus für die Frage nach der Gehirnentwicklung besonders interessant.
Die Analysen offenbarten: Das Gehirn von Chilecebus war wie erwartet zwar noch relativ klein, aber schon erstaunlich komplex. So stellten die Wissenschaftler fest, dass der Primat bereits über die für moderne Affen typischen gefalteten Hirnwindungen verfügt haben muss. Sie scheinen sich vielmehr unabhängig voneinander entwickelt zu haben. Auch die Vergrößerung des Gehirns insgesamt scheint im Laufe der Evolution der Affen mehrmals stattgefunden zu haben. Damit zeichnet sich ab, dass die Evolution des Gehirns wesentlich komplexer und weniger stringent abgelaufen ist als bislang angenommen.
TKTL1: Ein Protein mit entscheidender Rolle für die Gehirnentwicklung
Ein internationales Forscherteam des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden zeigen nun, dass die Variante des Proteins TKTL1, die moderne Menschen in sich tragen und die sich nur um eine einzige Aminosäure von der Neandertaler-Variante unterscheidet, eine entscheidende Rolle bei der Gehirnentwicklung spielt. Denn diese ist dafür verantwortlich, dass sich ein Typ von Vorläuferzellen des Gehirns, die basalen radialen Gliazellen, im Gehirn von modernen Menschen vermehrt. Basale radiale Gliazellen produzieren den Großteil der Nervenzellen im sich entwickelnden Neokortex, einem Teil des Gehirns, der für viele kognitive Fähigkeiten entscheidend ist.
Die Form des Gehirns: Mehr als nur die Größe zählt
Verschiedene Print- und Onlinemedien haben diese Forschung zu einer der Top-Wissenschaftsmeldungen des Jahres 2017 gekürt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Gehirn von Homo sapiens allmählich von einer länglichen zu einer runderen Form entwickelt hat. Zu diesem Prozess tragen insbesondere Veränderungen in zwei Gehirnarealen bei: Die Wölbung des Scheitellappens im Großhirn und die Wölbung des Kleinhirns nehmen zu. Wichtig ist, dass sich diese Formveränderungen unabhängig von der Gehirngröße entwickelten, mit Hirnvolumina von etwa 1.400 Millilitern hatten selbst die ältesten Homo sapiens-Fossilien von Jebel Irhoud schon eine ähnliche Gehirngröße wie heute lebende Menschen.
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