Гипотеза дорогих тканей - Expensive tissue hypothesis

В гипотеза дорогих тканей (ETH) связывает размер мозга и кишечника в эволюции (особенно в эволюции человека). Это предполагает, что для того, чтобы организм развил большой мозг без значительного увеличения базальная скорость метаболизма (как видно на примере человека), организм должен использовать меньше энергии на других дорогих тканях; В документе, представляющем ETH, предполагается, что у людей это было достигнуто за счет диеты, легко усваиваемой, и развития меньшего размера, менее энергоемкого кишечника.[1] ETH вдохновил множество исследовательских проектов на проверку его применимости на приматах и ​​других организмах.

Человеческий мозг выделяется среди млекопитающих, потому что его относительный размер по сравнению с остальным телом необычно велик по сравнению с другими животными. Человеческий мозг примерно в три раза больше, чем у нашего ближайшего живого родственника, шимпанзе. Для приматов нашего размера относительный размер мозга и пищеварительного тракта довольно неожидан; пищеварительный тракт меньше, чем ожидалось для приматов нашего размера. В 1995 году двое ученых предложили попытаться разрешить этот феномен эволюции человека с помощью гипотезы дорогих тканей.

Оригинальная бумага

Оригинальный документ, представляющий ETH, был написан Лесли Айелло и Питер Уиллер. Доступность новых данных об основной скорости метаболизма (BMR) и размере мозга показала, что энергетика является проблемой в поддержании относительно большого мозга, такого как человеческий мозг. У млекопитающих размер мозга положительно коррелирует с BMR. В своей статье они стремились объяснить, как людям удалось получить энергию для своего большого и метаболически дорогостоящего мозга, сохранив при этом BMR, сравнимый с другими приматами с меньшим мозгом. Они обнаружили, что меньший относительный размер кишечника у людей почти полностью компенсировал метаболические затраты более крупного мозга. Они продолжили постулат, что больший мозг позволит более сложное поведение при поиске пищи, что приведет к более качественной диете, которая затем позволит кишечнику сузиться еще больше, высвободив больше энергии для мозга. Это исследование также представило аргумент в пользу изучения эволюции органов во взаимосвязи, а не изолированно.[1]

Дальнейшие исследования

Антропологи смогли наблюдать резкий контраст в относительных размерах мозга между людьми и нашими предками-обезьянами. Исследования показали, что различия в размерах мозга лежат в основе основных различий в когнитивных способностях. Из-за этого ткань мозга является энергетически дорогой и требует большого количества энергии по сравнению с некоторыми другими соматическими тканями во время отдыха. Чтобы понять, как организм может обеспечить мозг нужным количеством энергии для правильного функционирования, ученые рассматривают затратную часть уравнения и сосредотачиваются на том, как мозг и другие дорогие ткани, такие как кишечник или яички, могут найти компромисс.[2] Другая возможность заключается в том, что здесь не может быть никаких компромиссов, скорее, есть другие способы, которыми люди поддерживают питание мозга.

Академические дебаты вокруг ETH все еще активны и вдохновили на ряд аналогичных тестов, все из которых пытались проверить ETH с другим видом или группой видов, глядя на энцефализацию (соотношение между размером мозга и размером тела), размер кишечника, и / или качество диеты. Приматы, являющиеся ближайшими живыми родственниками людей, являются естественным продолжением этой гипотезы и, как таковые, исследуются многими из этих тестов. Одно из таких исследований поддержало гипотезу о дорогостоящих тканях и обнаружило положительную корреляцию между качеством диеты и размером мозга (как и следовало ожидать в исходной статье), но отметило, что среди протестированных видов были исключения.[3] Более широкое исследование с участием приматов и других млекопитающих оспаривало ETH, обнаружив, что нет отрицательной корреляции между размерами мозга и кишечника; Однако он поддержал идею энергетических компромиссов в эволюции, поскольку обнаружил отрицательную корреляцию между энцефализацией и жировой депозиты.[4]

Исследования также проводились на видах, менее похожих на людей, таких как бесхвостые амфибии и рыбы. Исследование бесхвостых животных показало, что среди 30 протестированных видов существует значительная отрицательная корреляция между размером кишечника и размером мозга, как Айелло и Уиллер обнаружили у людей и приматов в своем первоначальном исследовании.[5] В одном исследовании рыбы использовались плотоядные рыбы. Gnathonemus petersii, обладающий уникально большим мозгом, который примерно в три раза больше, чем у рыбы такого размера. Исследование показало, что у этих рыб кишечник значительно меньше, чем у других подобных хищных рыб.[5] Эти дальнейшие исследования обогащают дебаты по поводу ETH. Другое исследование, проведенное Хуангом, Ю и Ляо, изучило возможные эффекты кишечной микробиоты в гипотезе о дорогостоящих тканях среди позвоночных. Исследователи исследовали различные симбиотические кишечные бактерии, а также другие микроорганизмы, которые совместно эволюционировали в пищеварительном тракте человека или других животных. Эти микробиоты эволюционировали, чтобы сформировать взаимовыгодные отношения со своим хозяином, они важны для иммунной функции, питания и физиологии человека, и любое нарушение в кишечнике может привести к желудочно-кишечной дисфункции, такой как, например, ожирение. Несколько исследований также показали, что разнообразие и состав микробиоты кишечника различаются топографически и временно. Это связано с тем, что определенные бактерии связаны с потреблением пищи хозяином, а также с его использованием в питании и энергетическом обмене. Любые изменения или модификации микробного ландшафта в кишечнике могут привести к нескольким сложным и динамичным взаимодействиям на протяжении всей жизни. Кроме того, выбор хозяина тесно связан с разнообразием и сложностью микробов, например, исследование показывает, что диета с высоким содержанием жира увеличивает уровень Bacteroidete и снижает уровень Firmicute в кишечнике детей, исследование также предположило, что Качество диеты также связано с размером кишечника.[6]

Исследование также показало, что размер кишечника также претерпел совместную эволюцию в размере мозга, отчасти потому, что размер мозга и кишечник являются одними из самых энергетически затратных органов в теле позвоночных. Основываясь на гипотезе о дорогостоящих тканях, более высокий расход энергии позвоночных с большим мозгом должен уравновешиваться аналогичным сокращением в других потребляющих энергию органах; в данном случае это размер кишечника. Также были доказательства того, что позвоночные животные с более крупным мозгом эволюционировали, чтобы уравновешивать энергетические затраты, необходимые для компромисса с размером кишечника. Например, исследователи обнаружили отрицательную корреляцию между размером мозга и размером кишечника у гуппи а также Древесная лягушка Омей[6] Микробиотика кишечника реагирует на качество диеты таким образом, что влияет на метаболизм хозяина. Например, повышение выработки энергии в организме хозяина или изменение метаболических путей - один из основных процессов, определяющих компромисс между размером мозга и размером кишечника. Этот процесс также коррелирует с гипотезой ETH, потому что размер мозга увеличивается, когда потребление энергии находится на высоком уровне из-за потребления дополнительной диеты и общего увеличения постоянного потребления энергии.[6] Однако после нескольких исследований исследование не смогло найти убедительных доказательств того, что размер мозга отрицательно коррелирует с микробиотой кишечника у позвоночных.

Похожее исследование, проведенное Цубои и др., Демонстрирует четкие доказательства того, что размер мозга коррелирует с размером кишечника, контролируя влияние общих предковых и экологических переменных. Исследование показало, что эволюция большего мозга тесно связана с увеличением репродуктивных вложений в размер яйца и размер родительского яйца. В результате эксперимента был сделан вывод о том, что затраты энергии на энцефализацию могли быть вовлечены в эволюцию размера мозга как у эндотермических, так и у эктотермных позвоночных.[7] Например, исследование показало, что гомеотермные позвонки, такие как слоновий нос, Gnathonemus petersii имеет большой мозг, связанный с меньшим размером кишечника и желудка. Это свидетельствует о том, что энергетические ограничения эволюции размера мозга обнаруживаются, по крайней мере, у высоко энцефализованных тропических видов. Кроме того, исследование показало, что изменение размера мозга связано с увеличением размера яйца, что может привести к увеличению периода родительской заботы. Это также показывает, что наличие энергетических ограничений энцефализации также применяется к гомеотермным позвоночным.[7] Несмотря на то, что исследование предоставило убедительные доказательства того, что размер мозга и размер кишечника отрицательно коррелируют друг с другом, убедительных доказательств этого не было. Например, большая часть исследований, проведенных на живородящих и яйцекладущих видах хондрихтиан, не может быть обобщена на всех гомеотермных и эктотермных позвоночных.

Дальнейшие исследования действительно показали, что существует определенно положительная корреляция между остатками массы мозга и остатками BMS у млекопитающих, но эта связь значима только у приматов. Рассматривая гипотезу о дорогостоящих тканях, мы также должны учитывать, как гипотеза энергетического компромисса влияет и на организм. Животные могут уменьшать размер других дорогостоящих тканей тела или уменьшать выделение энергии на движение или воспроизведение.[2]

Исследование также показало, что размер кишечника также претерпел совместную эволюцию в размере мозга, отчасти потому, что размер мозга и кишечник являются одними из самых энергетически затратных органов в теле позвоночных. Основываясь на гипотезе о дорогостоящих тканях, более высокий расход энергии позвоночных с большим мозгом должен уравновешиваться аналогичным сокращением в других потребляющих энергию органах; в данном случае это размер кишечника. Также были доказательства, которые показывают, что позвоночные животные с большим мозгом эволюционировали, чтобы уравновесить энергетические затраты, требуемые компромиссом с размером кишечника. Например, исследователи обнаружили отрицательную корреляцию между размером мозга и размером кишечника у поклонниц, а также у древесной лягушки Омей.

Рекомендации

  1. ^ а б Айелло Л.К., Уилер П. (апрель 1995 г.). «Гипотеза дорогих тканей: мозг и пищеварительная система в эволюции человека и приматов». Современная антропология. 36 (2): 199–221. Дои:10.1086/204350. JSTOR  2744104.
  2. ^ а б Isler K, van Schaik CP (декабрь 2006 г.). «Метаболические издержки эволюции размера мозга». Письма о биологии. 2 (4): 557–60. Дои:10.1098 / rsbl.2006.0538. ЧВК  1834002. PMID  17148287.
  3. ^ Fish JL, Локвуд, Калифорния (февраль 2003 г.). «Диетические ограничения энцефализации у приматов». Американский журнал физической антропологии. 120 (2): 171–81. Дои:10.1002 / ajpa.10136. PMID  12541334.
  4. ^ Наваррете А., ван Шайк С.П., Ислер К. (ноябрь 2011 г.). «Энергетика и эволюция размеров человеческого мозга» (PDF). Природа. 480 (7375): 91–3. Bibcode:2011Натура.480 ... 91Н. Дои:10.1038 / природа10629. PMID  22080949. S2CID  205226956.
  5. ^ а б Кауфман Дж. А., Хладик С. М., Паске П. (декабрь 2003 г.). «О гипотезе дорогих тканей: независимая поддержка от высокоэнцефализованных рыб». Современная антропология. 44 (5): 705–7. Дои:10.1086/379258. JSTOR  10.1086/379258.
  6. ^ а б c Хуан Ч., Ю X, Ляо ВБ (июнь 2018 г.). «Гипотеза дорогих тканей у позвоночных: эффект кишечной микробиоты, обзор». Международный журнал молекулярных наук. 19 (6): 1792. Дои:10.3390 / ijms19061792. ЧВК  6032294. PMID  29914188.
  7. ^ а б Цубой М., Хусби А., Котршал А., Хейворд А., Бючел С.Д., Зидар Дж., Лёвли Х., Колм Н. (январь 2015 г.). «Сравнительное подтверждение гипотезы о дорогих тканях: большой мозг коррелирует с меньшим размером кишечника и большими родительскими вложениями в цихлиды озера Танганьика». Эволюция; Международный журнал органической эволюции. 69 (1): 190–200. Дои:10.1111 / evo.12556. ЧВК  4312921. PMID  25346264.