Wozu ein Gehirn?

Grafik: MW
Gehirne

Gehirne sind, möchte man meinen, die Krone der Schöpfung. Allerdings gibt es eine Vielzahl von Lebewesen, die schon seit Millionen von Jahren sehr erfolgreich ohne Nervensysteme leben. Bringen Gehirne am Ende gar keinen evolutionären Vorteil?

Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. Petra Wahle

Veröffentlicht: 01.01.2018

Das Wichtigste in Kürze
  • Auch wenn viele Lebewesen im Laufe der Evolution ein Nervensystem entwickelt haben, existieren Arten, die seit hunderten Millionen von Jahren vollkommen ohne Neurone leben. Ein Nervensystem ist also nicht gleichbedeutend mit höherem Fortpflanzungserfolg.
  • Einige Areale unseres Gehirns haben sich im Laufe der Evolution stark verändert (z.B. der Neocortex), während andere wie der Hirnstamm hochgradiert konserviert sind. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass Evolution an einzelnen Modulen, nicht dem gesamten Gehirn ansetzt.
  • Komplexe Nervensysteme erlauben höhere kognitive Fähigkeiten wie Abstraktionsvermögen und Lernen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Tiere in neue Lebensräume mit veränderten Anforderungen vordringen.
  • Ein üppiges Nervensystem muss man sich auch leisten können, denn Gehirne verbrauchen viel Energie – in unserem Fall immerhin 20 Prozent der Glukose. Das bedeutet, dass anderen Körperfunktionen wie dem Immunsystem, die zum Überleben nicht minder wichtig sind, weniger zur Verfügung steht. Das muss nicht immer sinnvoll sein.
  • Am Ende kommt es also auf unsere Lebenswelt an, ob ein großes (und energiehungriges) Gehirn evolutionären Sinn ergibt. In einer Umwelt, in der höhere kognitive Fähigkeiten nicht notwendig sind, ist sicherlich ein kleineres Gehirn von Vorteil, weil es Ressourcen für andere Funktionen freimacht.
Kurioses
  • Das Gehirn einer Ameise macht ca. 14,5 Prozent ihres Körpergewichts aus. Das wäre so, als würde das Gehirn eines 75kg schweren Menschen 10,8 Kilogramm wiegen!
  • Bei Pottwalen macht das Gehirn mit neun Kilogramm bei 20 bis 60 Tonnen Gewicht hingegen weniger als 0,001 Prozent aus.
  • Einige sehr kleine Spinnenarten besitzen ein derart großes Gehirn, dass es sich bis in die Vorderbeine erstreckt.
  • Den Rekord für das kleinste bekannte Nervensystem hält mit nur 200 Neuronen Asplanchna brightwellii, ein Vertreter der mikroskopisch kleinen Rädertierchen, die man in Pfützen und Tümpeln finden kann.

Unser hochentwickeltes Gehirn gilt gemeinhin als Zeichen für unsere Position als Krone der Schöpfung. Nicht weit von dieser Überzeugung sind viele der Meinung, dass ein Gehirn einen entscheidenden Überlebensvorteil bringt. Dennoch ist in der Vergangenheit verblüffend oft entdeckt worden, dass sich diverse Tierarten sukzessive von ihren Gehirnen zu verabschieden scheinen. Was auf den ersten Blick wie ein Fehler im Zahnrad der Evolution erscheint, ist bei näherem Hinsehen gar nicht so widersprüchlich.

Vorab die für uns eventuell schmerzvolle Einsicht: Auch ein hochentwickeltes Nervensystem führt nicht zwangsläufig zu reproduktivem Erfolg und der Weitergabe unserer Gene. Den Prokaryoten beispielsweise – darunter auch die ältesten Lebensformen unseres Planeten – florieren völlig ohne Nervensystem, und sie besitzen nicht einmal einen Zellkern.

Ebenso existieren seit vielen Hunderttausenden von Jahren Spezies mit den simpelsten Nervensystemen sehr erfolgreich. Eine Meeresschnecke, der Kalifornische Seehase (Aplysia californica) kann beispielsweise lediglich 20.000 Neurone sein Eigen nennen. Der bei Genetikern sehr beliebte Fadenwurm Caenorhabditis elegans kommt mit 302 exakt kartierten Nervenzellen aus. Bei Menschen gehen die jüngsten Schätzungen von etwa 86 Milliarden Neuronen aus, die durch mehr als 100 Billionen Synapsen miteinander verbunden sind. Welchen evolutionären Vorteil bringen uns also unsere Gehirne verglichen mit den Einzellern?

Warum hat sich ein Nervensystem im Laufe der Evolution entwickelt?

Vereinfacht gesagt bedeutet Evolution, dass diejenigen Individuen, die am besten an ihre Umwelt angepasst sind, die größten Chancen haben, ihre Gene weiterzugeben. Bezogen auf das Gehirn bedeutet dies, dass nur dann ein Nervensystem von Vorteil ist, wenn es einen positiven Einfluss auf unsere evolutionäre Fitness ausübt, also auf die Fähigkeit, zu überleben und viele Nachkommen zu zeugen

Dazu muss zunächst einmal geklärt werden, welche Funktionen von unserem Nervensystem übernommen werden. Neben der Steuerung von Vitalfunktionen wie der Atmung wird es insbesondere mit kognitiven Fähigkeiten wie Gedächtnis oder räumlichem Denken assoziiert. Es ist der Ort, an dem Informationen aus der Umwelt verarbeitet und integriert werden und eine geeignete Reaktion ausgewählt wird. Dies findet vor allen Dingen in der Großhirnrinde statt, einem Teil des Nervensystems, der sich im Laufe der Evolution besonders deutlich verändert hat. Gerade der stammesgeschichtlich jüngste Teil, der Neocortex, wird dabei mit höheren Fähigkeiten in Verbindung gebracht. Der Neocortex kommt nur bei Säugetieren vor und macht bei Menschen ca. die Hälfte des gesamten Hirnvolumens aus.

Ein üppiges Nervensystem erlaubt eine größere Anzahl an Möglichkeiten, aus verschiedenen Verhaltensweisen eine Auswahl zu treffen – es ermöglicht adaptives Verhalten und Lernen. Das schafft einen entscheidenden Überlebensvorteil. Beispielsweise sind Geradschnabelkrähen in der Lage, mithilfe von Werkzeugen an ihr Futter zu gelangen, während andere Vogelarten wahrscheinlich schon an viel leichtern Problemen scheitern. Komplexe Problemlösefähigkeiten sind insbesondere dann gefragt, wenn Arten in neue Lebensräume vordringen oder der Lebensraum sich zum Beispiel durch Klimaänderungen sehr schnell verändert. Dies birgt neue Herausforderungen, wie beispielsweise andere Nahrungsquellen, neue Fressfeinde oder unbekanntes Terrain, die hohe Anforderungen an das Gehirn stellen.  

Dies ist sicherlich auch einer der Gründe dafür, dass sich Nervensysteme (und Intelligenz) wahrscheinlich mehrmals und unabhängig voneinander entwickelt haben. Ebenfalls kann es erklären, warum Domestizierung mit einem Verlust an Gehirnvolumen einhergeht – bestimmte Fähigkeiten waren nicht mehr notwendig, sodass der Selektionsdruck abnahm. Kein Wunder also, dass Hunde Wölfen in jederlei Hinsicht „kognitiv“ unterlegen sind.

Wie kann es nun sein, dass sich einzelne, sehr spezielle Funktionen des Gehirns im Laufe der Evolution derart verändert haben, während andere (wie beispielsweise autonome Steuerung der Atmung durch den Hirnstamm) weitestgehend unverändert geblieben sind? Eine Antwort auf diese Frage könnte Modularisierung sein, denn Evolution ist ein komplexer Prozess, der an einzelnen „Modulen“ und nicht dem gesamten Gehirn ansetzt. Module sind spezialisierte Strukturen, die weitestgehend unabhängig voneinander arbeiten. Aufgrund der funktionellen Unabhängigkeit einzelner Module erhöht sich also die Wahrscheinlichkeit für eine günstige Mutation deutlich. Wenn beispielsweise ein Merkmal durch ein Zusammenspiel von 100 Genen gesteuert wird, dann müsste für eine positive Veränderung dieses Merkmals wahrscheinlich erst eine deutlich höhere Anzahl an Genen mutieren, als wenn dasselbe Merkmal nur durch zwei Gene gesteuert würde. Gleichfalls macht der modulare Aufbau unseres Gehirns deutlich, dass intelligentes Verhalten wahrscheinlich viele verschiedene Ursprünge hat.

Neben Kognition und intelligenznahen Fähigkeiten befähigen komplexere Nervensysteme zu Emotionen, die bereits Charles Darwin bei Menschen sowie einigen Tierarten beschrieb. Seiner Meinung nach sind Emotionen mentale Zustände, die kognitiven Bewertungen von Situationen oder Ereignissen folgten und sich in einem bestimmen Gesichtsausdruck widerspiegeln. Dieser Emotions-Ausdruck ist dabei nach Darwin universell und angeboren. „Kinder schreien vor Schmerz unmittelbar nach der Geburt, wobei ihre Gesichtszüge dieselbe Form annehmen wie in späteren Jahren. Schon diese Tatsachen allein genügen für den Nachweis, dass viele unserer wichtigsten Ausdrucksformen nicht erlernt worden sind“, (Darwin 1872). Und tatsächlich scheinen so genannte Basisemotionen [Link zu: Die Wurzeln der Gefühle] zu existieren, die alle Menschen von Geburt an erkennen. Dazu gehören beispielsweise Furcht und Freude, die für ein Individuum sehr nützliche Informationen liefern. Treffen wir beispielsweise jemanden, dem die Furcht ins Gesicht geschrieben steht, ergibt es für uns sicherlich Sinn, das Weite zu suchen. Weiterhin erhöhen Emotionen die Gruppenkohäsion und Kooperation unter Mitgliedern eines Stammes.

Ein großes Gehirn hat nicht nur Vorteile

Allerdings haben üppige Nervensysteme auch ihren Preis: Wegen ihres immensen Energiehungers (bei Menschen immerhin 20 Prozent der Glukose bei nur zwei Prozent des Körpergewichts) sind sie auch eine Belastung. Außerdem brauchen komplexe Gehirne länger, um zu reifen – und dies bedeutet eine höhere Arbeitsbelastung für die Eltern und begrenzt deren Chance, sehr schnell sehr viele Nachkommen zu produzieren.

Ein anderer großer Posten im Energiehaushalt des Körpers ist das Immunsystem. Interessanterweise scheint das Gehirn direkt mit dem Immunsystem um Ressourcen zu konkurrieren. Auf diese Weise wird verbesserte „kognitive“ Leistung mit verminderter Widerstandskraft gegen Pathogene erkauft – was beispielsweise bei bestimmten Zierfischen (Guppys) sowie einigen Vogel- und Fledermausarten gezeigt werden konnte. Dies geht so weit, dass es bei einigen Arten wie den Mausmakis sogar zu einer Schrumpfung des Gehirns gekommen ist.

Ein großes Gehirn zu haben, wo ein kleines (oder überhaupt keins) reicht, ergäbe also wenig Sinn. Viele Tiere kommen auch so gut durch das Leben. Schwämme beispielsweise existieren seit Millionen von Jahren auf dem Meeresboden – und das ohne eine einzige Nervenzelle. Wann ist also ein exquisites Nervensystem von Vorteil? Letzten Endes kommt es auf unsere Lebenswelt an: Wenn höhere Fähigkeiten eine höhere Fortpflanzung gewähren, brauchen wir eins – falls nicht, dann eben nicht. Das macht uns im Sinne der Evolution aber nicht zwangsläufig weniger erfolgreich.

Zum Weiterlesen

  • Roth, Gerhard: Wie einzigartig ist der Mensch? Die lange Evolution der Gehirne und des Geistes, Heidelberg (2010).
  • Kaas, Jon H: Evolution of Nervous Systems, Oxford (2017).

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