Magyar Tudomány, 2006/12 1453. o.

Tanulmány



Az emberi agy fejlõdésének története


Hámori József

az MTA rendes tagja

hamori @ ana.sote.hu




A Homo sapiens legjellegzetesebb, megkülönböztetõ jellege a más emlõsökhöz képest jóval nagyobb agya (1. ábra); testsúlyhoz viszonyítva is háromszor nagyobb, mint legközelebbi élõ rokonunké, a csimpánzé.

Mi különbözteti meg az emberi idegrendszert, ezt a John Eccles Nobel-díjas tudós szerint a világmindenség legcsodálatosabb és legkomplexebb szerkezetét más, nem emberi agyaktól? Mi az a különlegesség, ami az emberi idegrendszerben található és amelyet meg kell fejtenünk ahhoz, hogy az ember-állatvilág közötti különbséget ténylegesen értelmezni tudjuk?

Miért van az, hogy az ötéves embergyerek idõnként különbözõ kérdéseket tesz fel, például egy nagyon egyszerû kérdést: honnan és hogyan jöttem én erre a világra? Míg a legszofisztikáltabb és legjobban tréningezett ötéves és kommunikációra tanított csimpánz is mindössze annyit képes közölni a maga módján, hogy „enni kérek, inni kérek”. Az elmúlt hárommillió esztendõ alatt az ember a törzsfejlõdés során fantasztikus komplex nyelvi kultúrát fejlesztett ki, magyarul: megtanult beszélni és olyan anyagi kultúrát alakított ki, amelyet nemcsak a nagyobb agynak, hanem az agy kvalitatív, minõségi fejlõdésének is tulajdoníthatunk. Kérdés tehát, hogy az emberi agyfejlõdés, ez a fantasztikus, részben nagyságában, másrészt komplexitásában két-hárommillió év alatt végbement agyfejlõdés hogyan is történt? Az emberi agy fejlõdésére vonatkozó ismereteink közül a dolgozatban a paleoneurológiai vizsgálatok eredményeit, másrészt az ember és agyának fejlõdését szabályozó genetikai héttér újonnan felderített, nagyon fontos részeredményeit foglaljuk össze.


Paleoneurológia


Ez a tudomány az emberelõdök, a hominidák fajainak csontleleteibõl, elsõsorban a koponya lenyomataiból következtet a fejlõdés láncolatának, az emberré alakulásnak állomásaira. A foszilis evidenciák arra utalnak, hogy az agy nagyságában lépcsõzetes fejlõdés volt az elmúlt 2-2,5 millió év során. Vegyük elõször az Australopithecusokat, amelyek tulajdonképpen a hominid sor legelején találhatók (2. ábra).

Az Australopithcus aferensis a korai hominidák képviselõje volt, mintegy 3,5-2,9 millió éve. A Donald Johanson által talált, 3,2 millió éves egyed, a híres „Lucy” tartozott ehhez a fajhoz. A mai csimpánzhoz hasonló, 400-450 cm3 körüli agytérfogat és ugyancsak nagyon erõs rágóizomzat jellemezte. Testmagassága 95 és 135 cm között lehetett. Ugyanakkor a fogazata, lábai és a medence már inkább emberszerû jelleget mutatott. Ez volt az elsõ hominid (emberelõd), ami két lábon járt (2. ábra).

Australopithecus africanus, 3-2 millió évvel ezelõtt élt, természetesen Afrikában; az agy nagysága 400 és 500 cm3 között volt. Ez valamivel nagyobb, mint a csimpánzok agya, bár a test nagysága körülbelül azonos lehetett. Természetesen még nincs meg az agynak az a fejlõdése, mely a beszédet is lehetõvé tette volna. Gyümölcs- és növényevõ volt.

Australopithecus boisei (az A. robustus is ehhez hasonló lehetett). A koponya erõteljes, bár az agykoponya csupán max. 500 cm3. 2,3-1,1 millió éve élt – az Australopithecusok eddig talált utolsó (legfiatalabb) faja. Éppúgy, mint elõdei, két lábon járt.

Homo habilis, vagyis a ‘kezes ember’; azért hívják úgy, mert már eszközöket is lehet találni a Homo habilis maradványai mellett. A habilis tulajdonképpen 2,4-1,5 millió évvel ezelõtt élt. Sok tekintetben még hasonló az Australopithecusokhoz. Ugyanakkor az átlag agyméret már 650 cm3, jóval nagyobb, mint az Australopithecusoké. Ez az agyméret egyébként változik, 500 és 800 cm3 között, a 800 cm3 már a következõ Homo agy (Homo erectus) nagyságát is eléri. A Homo habilis agy formája is emberi jellegû. A Broca area, azaz a beszédközpont még nem található meg; a habilis testnagysága kb. 127 cm lehetett, és kb. 45 kg-os volt. A következõ és a legfontosabb az emberelõdök közül a Homo erectus. Ennél volt a fejlõdés a legdrámaibb.


Homo erectus


A leggyorsabb evolúciós fejlõdést itt találhatjuk az agy nagyságában is. A Homo erectus (egyenesen járó ember) kb. 1,8 millió évvel ezelõtt lépett fel, de még 300 000 évvel ezelõtt is találhatók Homo erectus szerû maradványok. A habilishez hasonlóan az arc még erõteljesen elõre nyúló, nagyon nagy moláris fogakkal, az agyméret pedig nagyon változó volt: 750 és 1225 cm3 között volt a különbözõ Homo erectus-maradványoknál. Míg a Homo habilis és valamennyi Australopithecus csak Afrikában élt, az erectus már kikerült Afrikából. Megtalálhatók Homo erectus-maradványok Ázsiában és Európában is. Arra is van bizonyíték, hogy a Homo erectus már tüzet is használt, és kõszerszámai is jóval szofisztikáltabbak voltak, mint a Homo habilisé. Az erectus után a következõ forma az emberi elõdöknél a Homo sapiens, méghozzá annak archaikus, õsi formája.


Homo sapiens (archaikus)


Kb. 500 000 évvel ezelõtt élt. Keveréke a Homo erectus és a mai modern ember jellegzetességeinek. Az agyméret már általában is nagyobb, mint a Homo erectusé, de valamivel kisebb, mint a modern embereké, 1250 cm3 körüli átlaggal. A koponya jóval kerekdedebb, mint az erectusnál. A váll és a fogak az erectusénál kevésbé robusztusak, de jóval erõteljesebbek még mindig, mint a modern embernél. Nincs egészen pontos választóvonal az 500 000 és 200 000 évvel ezelõtt talált erectus és az archaikus sapiens között. Idõnként valószínûleg keveredés is volt közöttük.

Következõ a Homo sapiens neanderthali, azaz a neanderthali ember. 230 000 évvel ezelõtt jelent meg elõször és még 30 000, újabb kutatások szerint még 25 000 évvel ezelõtt is élt, elsõsorban a hidegebb éghajlaton, tehát nem Afrikában, hanem Európában. Az átlagagy valamivel nagyobb, mint a ma élõ modern embereké átlagban, körülbelül 1450 cm3. Az agy mérete mellett azonban az agy formája még mindig kissé hosszúkásabb, mint a modern embernél. A neanderthaliak nagyon jó vadászok lehettek, és tulajdonképpen az elsõk voltak, akik eltemették halottaikat. A legkorábbi ilyen temetkezési hely kb. 100 000 évvel ezelõtt keletkezett. A neanderthaliak Európában és a Közel-Keleten éltek.


Homo sapiens sapiens (a mai ember)


E formájában elõször 195 000 évvel ezelõtt jelent meg, agyméret átlagban 1350 cm3, némileg különbözik a férfiaknál és a nõknél. 40 000 évvel ezelõtt, amikor a crô-magnoni kultúra megjelent, az eszközök jóval szofisztikáltabbak lettek, mint az elõdöknél vagy akár a neandervölgyi embereknél. Sokféle anyagot használtak, így csontot, a késõbbiekben már fémet is. Új technológiát alakítottak ki arra, hogy ruhát varrjanak, ruházatot állítsanak össze. Ezenkívül különbözõ mûvészeti alkotások létrehozására voltak képesek, így jöttek létre a finom mûvészi munkák, például a különbözõ csontfaragások. Kisebb szobrocskák (csontból, kõbõl), a zenei instrumentumok (ezek nagyon fontosak, tehát már zenéltek) és rendkívül szép barlangfestmények, amelyek a tulajdonképpeni a crô-magnoni kultúra megjelenése után, 20 000-30 000 évvel ezelõtt fejlõdtek ki a legteljesebb mértékben.

Ugyanakkor amikor azt tapasztaltuk, hogy az emberi agy fejlõdésének egyik legfontosabb tényezõje, hogy jelentõs mértékben növekedett 2-2,5 millió év alatt, míg elérte a jelenlegi nagyságát, megállapítható (3. ábra), hogy ugyancsak a hominidák fejlõdésének másik ágában furcsa módon az volt a jellemzõ, hogy nem növekedett az agy. Ez a vonal az Australopithecusok ága. Nagyon kis különbséget lehet látni a korábbi Australopithecus gracilis afarensis és jóval késõbbi, robusztus fajok között.

A gracilis formánál az Australopithecus africanusnál az agy térfogata kb. 442 cm3, míg a jóval robusztusabb formáknál (Australopithecus robostus és Australopithecus boisei) kb. 516 cm3, tehát tulajdonképpen nincs nagyobb különbség. Vagyis az Australopithecusok egymást követõ fajai úgy éltek és haltak is ki, hogy nem növekedett az agy térfogata. Ennek egyik lehetséges magyarázata, hogy az agy térfogatnagysága tulajdonképpen a fajnak a komplex fejlõdési lehetõségeivel és elsõsorban az eszközök megjelenésével volt kapcsolatban. Tehát olyan eszközökrõl van szó, amelyeket az elõemberek, a habilis, elsõként maga is már használhatott. Ugyanez, azaz az eszközhasználat, az Australopithecusoknál nem jelent meg. Az, hogy különbözõ munkaeszközöket, eszközöket használtak az elõemberek, annyit is jelentett ugyanis, hogy megnövekedett az a lehetõségük, hogy megfelelõen alkalmazkodjanak a környezetükhöz, és ehhez megfelelõ technológiával rendelkezzenek. Tulajdonképpen a Homo erectus volt az az elõdünk, amely már „kifinomultabb” eszközökkel rendelkezett, és képes volt arra, hogy a környezetével kapcsolatos problémákat kreatívan oldja meg. Vagyis a fejlõdésben kétfelé ágazott a hominidák fejlõdése: az ember, a Homo vonal felé, a másik, kihaló ága pedig az Australopithecusok különbözõ fajai voltak. Ez a lényegi különbség valójában egy adaptív fejlõdés eredményének vagy éppenséggel eredménytelenségének volt tulajdonítható. A törzsfejlõdés, az evolúció tulajdonképpen „kísérletezett” a hominidák különbözõ típusaival, méghozzá azért, hogy kiderüljön, hosszú távon melyik az a típus, tulajdonsághalmaz, ami a leghasznosabb a progresszív fejlõdésben. Nyilvánvaló, hogy e tulajdonságok közül a megnövekedett agykapacitásnak jelentõs evolúciós haszna volt. A megnövekedett agyméret és agynagyság nagyobb magatartási, viselkedési flexibilitást jelentett, amikor a különbözõ és változó környezeti szituációhoz kellett alkalmazkodni. Ez ugyanakkor annyit is jelentett, hogy a Homo elõd képes volt arra, hogy jóval komplexebb eszközöket gyártson magának, s arra is, hogy megfelelõ védõhelyeket találjon magának, hogy a tüzet használja azért, hogy megmelegedjen, védje magát és fõzésre-sütésre is. Hasonlóképpen könnyebb volt az ilyen módon kialakított fejlettebb innovatív képességek, mint az eszközhasználat, eszközök készítése, átadása egyik nemzedékrõl a másikra. Ugyanakkor a nagyobb agynak vannak – voltak persze problémái is. Ilyen példának okáért a hosszabb posztnatális, tehát születés utáni növekedési szakasz. Ez azzal járt, hogy megfelelõképpen kellett gondoskodni az egyébként még eléggé elesett csecsemõk felnevelésérõl. Tulajdonképpen ez azt jelentette, hogy az agyfejlõdés nagyobb része nem születés elõtt, hanem születés utánra tolódott. Különösen kritikus gondoskodásra volt szükség az emberi csecsemõknél a születés utáni elsõ és második év során. Ezen túlmenõen a növekedõ és megnövekedett agynak sokkal nagyobb energiaszükséglete van a születés utáni megnyúlt periódus alatt is. Azok a hominidák, amelyeknek nagyobb agyuk volt, és megvolt a lehetõségük a szükséges megnövekedett energia fölvételére, könnyebben élték túl az elsõ növekedési évek nehézségeit, és felnõttként is könnyebben léptek át a szaporodási szakaszba. Éppen ezért a megnövekedett agykapacitáshoz kapcsolódott és kapcsolódik, ma már tudjuk, a megnövekedett, de mint a továbbiakban látjuk, differenciált táplálkozási szükséglet is. Valójában az emberi agy törzsfejlõdés során tapasztalt gyors megnagyobbodása a következõ tényezõkkel állhatott összefüggésben:

1.) az étrendben történt gyors változás,

2.) szociális, illetve társadalmi csoportokban való életmód, és

3.) talán legfontosabbak azok az újabb adatok, amelyek a fejlõdésgenetikával magyaráznak sok mindent az emberi agy fejlõdésével kapcsolatban.

Étrend


Vegyük elõször az étrendben tapasztalható gyors és radikális változást. Az emberi agy anyagcsere-szükséglete jelentõs mértékben különbözik a fõemlõsökétõl. Az antropoid fõemlõsök az agy energiaellátásához az egész testre érvényes nyugalmi anyagcserének kb. 8 %-át használják, más emlõsök – természetesen nem az emberekrõl van szó – pedig csak 3, illetve 4 %-át. Ugyanakkor az ember, a Homo sapiens az agy ellátásához sokkal többet, az úgynevezett nyugvó anyagcsere 25 %-át használja. Vagyis az egész testre érvényes anyagcsere 25 %-át az agy használja föl! Ez természetesen annyit jelent, hogy az energiaszükséglet jelentõs mértékben különbözik minden más állatétól, még a legközelebbi rokontól, az antropoid fõemlõsöktõl is. 315 Kcal-val az emberek az agy számára három és félszer többet használnak föl a nyugvó anyagcsere-lehetõségbõl, mint a legközelebbi antropoidok, például a csimpánzok. A világos magyarázata ennek a különbségnek az, hogy a Homo erectus nem egyszerûen Australopithecus élelmezéssel tartotta fönn magát; vagyis egyszerûen arról volt szó, hogy a növényi táplálék mellett húst is evett. Nem úgy, mint az Australopithecusok, amelyek csak növényi táplálékot hasznosítottak, hanem a növényi táplálék mellett jelentõs mennyiségû állati eredetû komponens is szerepelt a Homo elõdök menüjében. Emellett, s ami különösen fontos, már a Homo erectusnál is, késõbb a mai embernél is, rendkívül lényeges az agyfejlõdés szempontjából különösen az, hogy az így elfogyasztott fehérjénél nem is tulajdonképpen a mennyiség volt a fontos, hanem a fehérjek, és fõképpen az állati fehérje kalóriatartalma. A korai vadászó, gyûjtögetõ életmód, amely már a Homo erectusra is jellemzõ volt, hatásosabb módja volt annak, hogy olyan táplálékra tegyen szert, amely összehasonlítva az Australopithecusokkal, 35-50 %-kal növelte a bevitt kalóriát. Újabb adatok arra utalnak, hogy a különösen gazdag, kalóriadús táplálkozás (már a habilisszal kezdõdõen) és így az agy fejlõdésében tapasztalt, viszonylag gyors változás az állati eredetû élelemben történt változással függhetett össze. Az emberelõdök vándorlásuk során kimerészkedtek a folyó-, tó- s fõként a tengerparti területekre. Azaz élelmezésükben a tengerbõl nyert puhatestûek, halak mind nagyobb szerepet játszhattak. Ebben az élelemforrásban, a tengerparton összegyûjthetõ állatokban pedig különösen nagy koncentrációban találhatók olyan agyspecifikus zsírsavak, vegyületek (például omega-3 és omega-6 zsírsavak), amelyek az agy fejlõdésében nagy szerepet játszanak. Ezzel ellentétben, a „belföldi” környezetben élõ, vegetáriánus Australopithecusok nem jutottak hozzá például omega-3 zsírsavakhoz, s így agyfejlõdésük, agyméretük megrekedt a mai csimpánz nívóján. A feltételezések szerint ennek a tenger menti diétának (s így a „tenger gyümölcseinek”) jelentõs szerepe lehetett az emberelõdök agyfejlõdésében. Természetesen, még ha ez a hipotézis valószerû is, egymagában nem magyarázhatja a hominid agy történelmi mértékkel robbanásszerû, gyors fejlõdését, hiszen az itt említett, új összetételû élelmezés csak egyik elõfeltétele volt az agy növekedésének. A növekedõ emberi agy a Homo erectus esetében nyilvánvalóan nemcsak az étrend változásával lehetett kapcsolatban, hanem a megnövekedett társadalmi szervezõdés is hozzájárulhatott az emberi agy növekedéséhez.

Szocializáció


Már 1992-ben kimutatták kutatók, hogy a fõemlõsök esetében direkt kapcsolat áll fenn a csoport és a neokortex nagysága között. Mások arra mutattak rá, hogy a társadalmi csoportokban való élés paradox módon elõsegíti az egyén szükségletét arra, hogy a csoporton belül saját érdekeit is érvényesítse azon keresztül, hogy másokkal kooperatív vagy éppen manipulatív módon jár el, például a vadászat eredményével kapcsolatban is, anélkül, hogy ez lényegében zavarná a csoport szociális kohézióját. Ezt a képességet Macchiavelli-jellegû intelligenciának nevezték el. Stanford szerint a csoportban való élés fõ eleme, leglényegesebb eleme az a képesség, hogy kooperációban vadásszanak mint csoport, és azután, a vadászat után nagyon sok más szociális, társadalmi elem is szerepel a továbbiakban, mint példának okáért a vadászat eredményének együttes felhasználása vagy a vadászat eredményének együttes átváltása más értékes dolgokra. Stanford ugyancsak kimutatta, hogy a hús, tehát az állati élelem rendkívül magasra értékelt ezekben a csoportokban, vagyis az emberi vadászó, gyûjtögetõ társadalomban, de még a csimpánzoknál is. Részben azért, mert a húsnak és a vadászat eredményének a birtoklása felhatalmazza a birtoklót arra, hogy politikai elõnyöket nyerjen más hímektõl, ugyanakkor szexuális elõnyöket a nõstényektõl. Vagyis az ilyen, nagyon értékes anyagoknak a birtoklása tulajdonképpen hatalmat és státust jelent. Érdekes módon az emberi vadászó, gyûjtögetõ társadalmakban a nõstények elõnyben részesítették (részesítik) a sikeres vadászokat, mint a szaporodáshoz legalkalmasabb partnereket.


Fejlõdésgenetika


A harmadik, talán legérdekesebb elem az emberi agy fejlõdésében a molekuláris genetikából vett példákkal érzékeltethetõ elsõsorban. Ezek a genetikai vizsgálatok 2003-2004-tõl a máig, tehát a legújabb idõkben hoztak nagyon fontos eredményeket. Ezek a tanulmányok arra utalnak, hogy azok a gének, amelyek kontrollálják az agy fejlõdését, komplexitását és nagyságát, sokkal gyorsabb evolúción mentek keresztül az emberelõdökben és az emberben, mint a nem emberi fõemlõsökben és más emlõsökben. Logikus volt ezért a kérdés, amelyet evolúciós biológiával, antropológiával és szociológiával foglalkozó kutatók tettek fel, hogy vajon az emberi agy fejlõdése – ezek szerint – nem egy rendkívüli speciális esemény volt-e. A legújabb kutatások, amelyeket a Chigacói Egyetemen Bruce Lahn vezetésével végeztek, megerõsíteni látszanak a „speciális” fejlõdés elméletét. Az erre vonatkozó adatokat Lahn és kollégái a Nature-ben közölték, 2004. december végén. Ebben beszámolnak arról, hogy erre vonatkozó adataikat 214, agyhoz kapcsolódó gén vizsgálatából nyerték, tehát olyan génekbõl, amelyek az agy fejlõdését és mûködését kontrollálják. Megvizsgálták, hogy ezen gének DNS-szekvenciája hogyan változott az evolúció során. Négy fajban is, így az emberben, a makimajomban, patkányban és az egérben. Az embereknek és a makimajmoknak volt egy közös elõdjük 20-25 millió évvel ezelõtt, míg a patkány és az egér 16-23 millió évvel ezelõtt vált szét. Mind a négy fajnak volt egy közös elõdje, kb. 80 millió évvel ezelõtt. Az embereknek, mint ahogy tudjuk, különlegesen nagy és komplex agya van, ha összehasonlítjuk a makákóval vagy más nem hominid fõemlõsökkel. Az emberi agy néhányszor nagyobb, mint a makákóé, még akkor is, ha a testnagysághoz hasonlítjuk, és nemcsak hogy nagyobb, hanem sokkal komplikáltabb, ami a szerkezetét illeti. A kutatók megszámolták a DNS-frekvenciában található változásokat. Ezt követõen az adott gén evolúciós sebességét határoztak meg, méghozzá olyan módon, hogy megszámolták a DNS-változásokat az eltelt, millió években mérhetõ evolúciós idõben. Ezzel a módszerrel kimutatták, hogy az agyhoz kapcsolódó gének sokkal gyorsabban terjedtek el az embereknél, mint a makákóban, az egérben és a patkányban. Ezen túlmenõen az evolúciós sebesség sokkal nagyobb volt az emberekhez vezetõ vonalban, tehát az utolsó öt-hatmillió év alatt, mint abban a vonalban, amely a makimajomhoz vezetett. Ez a felgyorsult sebesség, az evolúciónak ez a felgyorsított sebessége összhangban van azon szelektív erõk jelenlétével az emberi vonalban, amelyek erõteljesen favorizálták a nagyobb és a komplex agy kialakulását. A szerzõk szerint ezért az emberhez vezetõ vonal egészen különleges szelektív folyamatnak volt alávetve, különösen a nem emberi vonalakkal összehasonlítva. Olyan szelekcióról volt szó, amely nagyobb intelligenciához, nagyobb és jóval komplexebb agyhoz vezetett, és ami sokkal intenzívebb volt az emberi evolúció, mint más emlõsök fejlõdése során. Hogy tovább vizsgálják az agyhoz köthetõ gének szerepét a gyors fejlõdéshez vezetõ szelekcióban, Lahn és kollégái az „agyi” géneket két csoportba osztották: az egyik csoportban voltak az embrionális, fetális és csecsemõkori állapotban, tehát a fejlõdés során mûködõ gének. A másik csoport olyan géneket tartalmazott, amelyek az úgynevezett normális agymûködéshez szükséges funkciók esetében szükségesek az idegsejtek számára. Ha a felgyorsított szelekció valóban drámai változásokhoz vezetett az agy fejlõdésében és nagyságában, akkor a fejlõdéssel kapcsolatos génekkel kapcsolatosan el lehetett várni, hogy azok gyorsabban változzanak az emberi evolúció során, mint az úgynevezett normális agymûködéshez szükséges gének. Valóban, azt találták, hogy a fejlõdéssel kapcsolatos gének az elmúlt néhány millió év során sokkal nagyobb arányú változásoknak voltak kitéve, mint a késõbbi, normális agy mûködéséhez szükséges gének. Ugyanezt a taktikát alkalmazva, számos gént sikerült azonosítani, amelyek az emberi agy fejlõdésében szerepet játszhattak. El is nevezték õket humanness géneknek. Ezek között két különösen fontos gént találtak, az úgynevezett ASPM és a Mikrokephalin géneket, amelyek aberráns esetben mikrokephaliát okoznak, s amelyek normális esetben a neuronok számát szabályozzák, és így az agy nagyságának speciális szabályozói. A két gén hasonló fejlõdési, evolúciós tulajdonságokkal rendelkezik. Elõször, a két gén egy szignifikánsabb, felgyorsítottabb evolúciót mutat, méghozzá, ha összehasonlítjuk a fõemlõsöket az egyéb emlõsökkel. Másodszor, a fõemlõsökön belül ez a gyorsulás abban a vonalban a legkiemelkedõbb, amely az emberekhez vezet, az emberi vonalban. Harmadszor: azt találták, hogy ez a felgyorsított evolúció az emberi vonalban valószínûleg pozitív szelekció következménye. Negyedszer: a gyorsult evolúció ezeknek a géneknek egy speciális régiójában található, ami arra utal, hogy a génváltozás által létrehozott pozitív szelekció a gének bizonyos területeit sokkal jobban érintette, mint a gének más területeit. Mindezen adatok arra utalnak, hogy a két gén, az ASPM és a Mikrokephalin egy nagyon erõs pozitív szelekció célgénjei voltak a fõemlõsfejlõdésben, és hogy ez a szelekció az emberhez vezetõ vonalban a leghatározottabb. Ezek a tanulmányok arra is rámutattak, hogy van 17 gén, amelyek a legnagyobb evolúciós sebességgel rendelkeznek az emberi vonalban, tehát ez a 17 gén valamilyen formában részt vett az agy nagyságának és a magatartásának szabályozásában is. Azt is feltételezik, hogy ezek közül a két gén, az ASPM és a Mikrokephalin specifikusan vett részt az emberi agy evolúciós megnagyobbodásában.

Egy következõ, ugyancsak fontos génmutáció az úgynevezett MYH16 génnel kapcsolatos. Azt találták egy philadelphiai klinikán, hogy minden emberben, bármely populációból származó emberben az MYH16 géneknek két DNS-bázisa hiányzik, ha összehasonlítjuk a nem emberi fõemlõsök hasonló génjeivel. Vagyis egy redukált jellegû génrõl van szó. A valódi, a fõemlõsökben található MYH16 gén, tehát a hosszú, eredeti verzió, ugyanis elõfeltétele volt annak, hogy erõs rágóizom fejlõdjön ki ezekben a fõemlõsökben. Ez a nagy rágóizom, amely szükséges az egész napos táplálkozásnál, rágásnál (ez a nagyizom a csimpánznál is megtalálható), a koponyán, méghozzá a halántéki csonton található nagy tuberkulumhoz, nagy csontkiemelkedéshez kapcsolódik. Anatómiai tanulmányok arra utalnak, hogy ez az extra csontmegnagyobbodás valamilyen módon gátló kapcsolatban van az agykoponya kiterjedésével és az agykoponya csontjai között található növekedési gócokkal, az úgynevezett suturákkal; ezek növekedésgátlásán keresztül tulajdonképpen gátolja az agykoponya fejlõdését, az agy fejlõdését is. A mutáció során kialakuló (emberi) MYH16 gén egy rövidebb, tehát a két bázissal rövidített gén, jóval kevesebb rágóizomproteint tud legyártatni, ennek következtében jelentõsen csökken a rágóizom nagysága is, ami annyit jelent, hogy nem szükséges extra csontkiemelkedés a koponyán (ez a közvetlen emberelõdöknél el is tûnik!), tehát végsõ soron ez felszabadítja a koponyát a további, azon gátló tényezõk alól, amelyek a koponya növekedését gátolták eddig. Tehát növekedhet a koponya, így az agyunk is. Kutatók a vizsgálatok alapján azt gondolják, hogy ez a mutáció, amelyet nagyon szellemesen a „gondolat szobájának” neveztek el, kb. 2,4 millió évvel ezelõtt jött létre, éppen az emberi elõemberek fejlõdésének egy olyan szakaszában, amikor ezzel párhuzamosan felgyorsult az agy fejlõdése.

A kutatók emellett egy olyan, agyhoz kapcsolódó szabályozó gént is találtak, amelyet prodynorphinnak (PDYN) neveztek el. Ez a gén az emberi agy fejlõdése során különleges szerepet játszott, mivel közvetlenül vett részt a fejlettebb érzékelés, a magatartás és a memória kialakulásának a szabályozásában. Nagyon fontos, hogy ez a gén, amely a prodynorphin proteint indukálja, az emberi populációban semmiféle variációt nem mutat, tehát ugyanúgy néz ki embereknél, sõt a nagymajmoknál is. Éppen ezért ha van valami különbség, az nem annyira a génben, mint inkább annak a szabályozásában kell hogy legyen, és valóban úgy találták, hogy a gén expressziójának sokfélesége igazából egy szabályozó transzmissziós mechanizmus következtében alakult ki, amely felgyorsította a gén produkciójának az emberi agy fejlõdése közben tapasztalt változásait.

Egy másik, ugyancsak fontos gén az emberi evolúció szempontjából a FOXP2, amelyet szellemesen a „beszéd génjének” is neveznek. Az a protein, amelyet a FOXP2 termeltet, majdnem tökéletesen azonos az egérben, csimpánzban és az emberben. Ténylegesen a 715 aminosavból, amelyek ezt a proteint létrehozzák, csak két aminosav különbözik a csimpánz és az ember között. A kutatók szerint a FOXP2 génnek ez a fixált, humánspecifikus mutációja kb. 50-100 000 évvel ezelõtt jött létre. Ez a mutáció teszi lehetõvé azokat a finom orofaciális mozgásokat, a nyelvhez és a beszédhez kapcsolódó izmok szabályozott mozgásait, amelyek szükségesek ahhoz, hogy motorikusan egyáltalán létrejöjjön a beszéd. Ilyen módon a FOXP2 gén kis mutációja jelentõs mértékben hozzájárult a beszéd és a nyelv kifejlõdéséhez. Ugyanakkor meg kell jegyezni, hogy más vélemények szerint a mutáns FOXP2 ennél többre is képes, hiszen jóval komplexebb fejlõdési folyamatokban is szabályozóként lép föl, mint például a tudati folyamatok kialakulásában. Ami biztosra vehetõ, az a FOXP2 jelenléte a nyelv – beszéd evolúciójában, kialakulásában. Világos azonban, hogy ma sem könnyû pontosan meghatározni azokat az összes folyamatokat, amelyek révén a nyelv kifejlõdött. Ahhoz, hogy a nyelv – beszéd kialakulásának pontos mechanizmusát tisztázzuk, szükséges lenne egy nagyon szoros kollaboráció a nyelvészek és a biológusok között, akik sajnos mostanáig erre nem mindenben voltak hajlandók.

A beszéd kialakulása természetesen nemcsak a beszédizmok megfelelõ differenciálódásától, megjelenésétõl függ. Az aszimmetrikus agy, egyáltalán a kéz és láb használati aszimmetriák, a domináns jobbkezesség kialakulása (évmilliók során) az oldaliságot meghatározó génallélek olyan mutációjából alakulhatott ki, amelynek következtében a „jobbra toló” gén vált dominánssá. Ez jelenleg még a nagyon valószínû, szimpatikus hipotézisek körébe tartozik. Újabb (2005) kutatások azonban felderítették, hogy van egy gén az emberi genomban (LMO4), amely ugyancsak szükséges az emberi agykéreg kifejlõdéséhez, s amely általában egyformán expresszálódik a leendõ két féltekében (fetális agyakról volt szó a vizsgálatok során), kivéve a beszédkérget a bal oldalon, ahol jelentõsen csökkent volt az LMO4 gén expressziója! További vizsgálatok szükségesek annak kiderítésére, hogy a csökkent génexpresszió hogyan függhet össze a beszéd kérgi központjának a kialakulásával.

Legújabban, és talán a legújabb szó alatt az értem, hogy a Nature 2006-os, augusztusi számában egy olyan új gént írtak le, amely – hasonlóképpen az elõzõekhez – nagyon felgyorsult evolúciós változáson ment át az emberelõdökben és az emberekben, s amely különösen aktív az agyfejlõdés kritikus szakaszában. Ezt a gént HAR1-nek (Human Acceleraled Region) nevezték el. Rendkívül gondos számítógépes elemzés során, amelyben az ún. bioinformatika segítségével összehasonlították a csimpánzok és emberek genomjait, kiderítették, hogy kb. 48 olyan terület található a humán emberi genonban, a mostani Homo sapiens genomjában, amelyek különösen gyorsabban fejlõdtek, mint a csimpánz vagy más állatok ugyanazon 48 régiója. Az egyik régió ezek közül az úgynevezett HAR1, amely tulajdonképpen két egymást fedõ gén részlete. E régió egyik génje, amelyet HAR1F-nek neveztek el, különösképpen aktív az úgynevezett Cajal–Retzius-idegsejtekben az agyfejlõdés korai szakaszában, amely sejtek nagyon fontos szerepet játszanak az emberi kéreg, a neokortex réteges szerkezetének a kialakulásában. Ugyanis a Cajal–Retzius-neuronok egy olyan fehérjét, az úgynevezett reelin fehérjét termelnek, amely ezeknek a neuronoknak és kapcsolataiknak a milyenségét szabályozza, és ilyen módon járulnak hozzá a réteges szerkezet kialakulásához. Tehát nagyon fontos, hogy a reelin gén és fehérje terméke nélkül tulajdonképpen nem fejlõdik ki normálisan az az emberi kéreg, amely igen nagy részét teszi ki az emberi agynak. Az is kiderült, hogy ez a HAR1F gén nagyon aktív a fejlõdõ agyban, méghozzá a 7. és 19. embrionális hetek alatt és pontosan azon a területen, amelybõl a nagyagykéreg fejlõdik ki. Különösképpen fontos az, hogy ez a gén együttmûködik a reelintermeltetõ génnel, és így egy idõben aktív mindkét fehérjetermelés ezekben a sejtekben. A Cajal–Retzius-sejtek pontosan a fetális fejlõdés 7–19. hetei között vannak jelen. E sejtek felelõsek a fejlõdõ kéreg rétegeinek kialakításában részt vevõ idegsejtek megfelelõ kérgi rétegbe történõ migrációjáért. Miután a hatrétegû neokortex alapstruktúráját kialakították, a Cajal–Retzius-sejtek eltûnnek, felszívódnak. A HAR1F gén szerepe ebben a periódusban (7-19. fetális héten) a reelintermõ gén szabályozása. E gének átmeneti idõre szóló együttes aktivitása azért is fontos az emberi agy nagyságának a kialakításában, mert az emberi nagyagykéreg éppenséggel e gének mûködésének következtében háromszor olyan nagy, mint elõdeinkében volt. Az elemzések során kimutatták azt is, hogy a HAR1 lényegében ugyanaz minden emlõsben, kivéve az embereket. Csak két különbséget találtak a csirke és a csimpánz genomjai között a HAR1 118 bázisában (a bázis a DNS-nek az a szubegysége, amely genetikus kódot fejez ki). Ez a hasonlóság azt jelenti, hogy ez a DNS-szekvencia tulajdonképpen változatlan maradt százmillió éveken keresztül az evolúció során, ami egyben azt is jelzi, hogy egy biológiailag rendkívül fontos funkciót lát el. Abban az idõben azonban, amikor az emberi vonal szétvált a csimpánzzal közös elõdtõl, kb. öt-hétmillió évvel ezelõtt, a HAR1 elkezdett változni, sokkal gyorsabban, mint azelõtt. Egyáltalán, míg azelõtt nem volt lényegi változás, most rendkívüli módon változott: 18 különbséget találtak a csimpánz és a humán HAR1 DNS-e között, ami fantasztikusan gyors és nagy változás, különösképpen figyelembe véve azt, hogy néhány millió év alatt játszódott le. Különösen fontos e tekintetben az, hogy a neokortexnek az elsõ része a prefrontális, vagyis elõhomloki lebeny, kortex, rendkívüli módon, hatalmasra fejlõdött a hominid evolúcióban, az ember fejlõdése során (4. ábra).

Méghozzá olyan módon, hogy a prefrontális kéreg megnagyobbodása a Homo sapiensben kulminál. Ami nyilvánvalóan arra utal, hogy rendkívül gyors, erõs szelekciós nyomás játszódott le, amely elõsegítette a prefrontális kéreg megnagyobbodását. A prefrontális kérget Changaux a civilizáció szervének nevezte el, hiszen az elõhomloki lebeny az, ami minden érzékszervtõl állandóan információkat kap, és ezeket az információkat összehozza, kombinálja, méghozzá (általában) hasznos következtetésekre is jut. A prefrontális kéreg állandóan tartalmaz aktív reprezentációt, méghozzá a munkamemória aktív reprezentációját; a céloknak és a célokkal kapcsolatos kontextusoknak a reprezentációja is az elõhomloki lebenyben található. Az agy intellektuális és emocionális aktivitása is itt kapcsolódik egymáshoz. Az elmúlt hárommillió év, az emberi fejlõdés hárommillió éve során a prefrontális kéreg nagysága hatszorosára nõtt, míg az agy és a neokortex nagy része tulajdonképpen csak háromszorosára. Ez is jelzi a prefrontális kéreg különleges és kiemelkedõ jelentõségét az emberré válásban. Nagyon sokan úgy gondolják, hogy a neokortexnek ez az expanziója általában és a prefrontális kortexnek ez a különlegesen nagy fejlõdése csakis mutációk révén vált lehetségessé, méghozzá egy korlátozott számú génnek a mutációja révén, a fejlõdés korai szakaszában. Ezek a mutációk, valószínûleg HAR1 típusú géneknek a mutációja, tulajdonképpen a kérgi areáknak a duplikációját hozták létre, éppúgy, mint ahogy megfigyelhetõ hasonló folyamat más gének esetében is a genomban. És mint más gének esetében, a duplikáció lehetséges elõnye itt az lenne, hogy egy adott kérgi régió, példának okáért a prefrontális kéreg sokkal gyorsabban fejlõdik, és nagyobbra tud fejlõdni, mint a duplikátum másik része, amely a továbbiakban is azt a funkciót látja el, amire alapvetõen szánták. A genetikai vizsgálatok alapján más, különösen érdekes következtetésre is jutottak, nevezetesen: hogy az erõs szelekció, amely lehetõvé teszi a „jobb”, mennyiségileg és minõségileg jobb agyakat, még ma is lényegében folytatódik. Vagyis ma is várható az emberi agyak további fejlõdése, legalábbis kvalitatív fejlõdése, genetikai háttérrel.

Hogy az emberi vonal fejlõdésében miért volt ilyen fantasztikusan felerõsített az a szelekció, ami „jobb” és nagyobb agyakat hozott létre, míg más fajoknál ez nem következett be, továbbra is nyitott kérdés. Más szóval, hogy az emberi agynak ez a fejlõdése miért volt és még ma is folytatódóan miért egy „speciális” esemény, ma még nem lehet pontosan megmondani. A válasz erre a nagyon fontos kérdésre nemcsak a biológiai tudományoktól, hanem valószínûleg a társadalomtudományoktól is várható.

Konklúzióként azt lehet elmondani, hogy ez a speciális jelenség, az emberi agynak ez a nagyon gyors, rendkívüli fejlõdése, amely Ecclesszel szólva létrehozta az Univerzum legkomplexebb és legszebb szerkezetét, vagyis az emberi agyat, a jelenlegi hatmilliárd Homo sapiens agyát, egy olyan bonyolult folyamat lévén jöhetett létre, amelyben szerepelnek a szociális társadalmi háttér, a kulturális magatartásformák és a felgyorsult agyspecifikus génmutációk.

A végsõ kérdésre, tudniillik, hogy mi hozta létre az emberi agy s így az ember felgyorsult evolúcióját, valamint ennek következtében az állat rokonainktól történt markáns elkülönülését – egyelõre csak hipotézisekkel lehetne válaszolni.


Kulcsszavak: emberelõdök, fõemlõsök, agy, agyfejlõdés, agyfejlõdés génjei, beszédgén,

gyorsuló evolúció, elõhomloki lebeny, kéregfejlõdés



1. ábra • Emlõs agyak összehasonlító makromorfológiája

2. ábra • A kettéágazó hominid fejlõdésvonal. Látható, hogy az Australopithecusok korai szakaszát már a két lábon járás jellemezte.

3. ábra • A hominid fejlõdésvonal emberhez vezetõ fajainál (habilis, erectus) jellemzõ az agytérfogat növekedése. Ugyanez az Australopithecus vonalnál (boisei) nem tapasztalható.

4. ábra • A prefrontális kéreg (satírozott kéregterület) nagysága emlõsökben. Legnagyobbra relatíve és abszolúte is az emberben fejlõdik.


Irodalom

Dorus, Stephen – Vallender, E. J. – Evans, P. D. – Anderson, J. R. – Gilbert S. L. – Mahowald, M. – Wyckoff, G. J. – Malcom, C. M. – Lahn, B. T. (2004): Accelerated Evolution of Nervous System Genes in the Origin of Homo Sapiens. Cell. 119,1027–1040.

Enard, Wolfgang et al. (2002): Molecular Evolution of FOXP2, a Gene Involved in Speech and Language. Nature. 418, 869–872.

Evans, Patrick D. et al. (2004): Adaptive Evolution of ASPM, a Major Determinant of Cerebral Cortical Size in Humans. Human Molecular Genetics. 13, 489–494.

Evans, Patrick D. – Gilbert, S. J. – Mekel-Bobrov, N. – Vallender, E. J. – Anderson, S. L. – Vaez-Azizi, L. M. – Tishkoff, S. A. – Hudson, R. R. – Lahn, E. T. (2005): Microcephalin, a Gene Regulating Brain Size, Continues to Evolve Adaptively in Humans. Science. 309, 1717–1720.

Hofman, Michael A. (1989): On the Evolution and Geometry of the Brain in Mammals. Progress in Neurobiology. 32,137–158.

Hofman, Michael A. (2000): Brain Evolution in Hominids: Are We at the End of the Road? In: Falk, Dean – Gibson, Kathleen R. (eds.): Evolutionary Anatomy of the Primate Cerebral Cortex. Cambridge Univ. Press, in press.

Milton, Katherine (1993): Diet and Primate Evolution. Scientific American. August, 70–77.

Stedman, Hansell H. (2004): Myosin Gene Mutation Correlates with Anatomical Changes in Human Lineage. Nature. 428, 415-418.

Zhang, Jianzhi (2003): Evolution of the Human ASPM Gene, a Major Determinant of Brain Size. Genetics. 165, 2063–2070.


<-- Vissza a 2006/12 szám tartalomjegyzékére


<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra


[Információk] [Tartalom] [Akaprint Kft.]