Dlaczego warto mieć duży mózg?

Od dawna wiadomo, że różnice w zdolnościach kognitywnych kręgowców są ściśle związane z różnicami w wielkości płaszcza mózgu, do którego zaliczamy korę mózgu, wyspę, hipokamp i węchomózgowie. Płaszcz u ptaków i ssaków stanowi bardzo dużą część całego mózgu dlatego różnice w jego wielkości mają odzwierciedlenie w wielkości całego mózgu. Do procesów kognitywnych zaliczamy percepcję, naukę, pamięć długotrwałą i operacyjną, uwagę oraz podejmowanie decyzji.

Rozwój hominidów jest dobrym przykładem tego jak wielkość mózgu wpływa na możliwości gatunku. Procesy kognitywne odpowiadają za wiele cech zachowania, takich jak wybór siedliska, wybór pokarmu czy obrona przed drapieżnikami, aż po wybór partnera. Nietrudno zatem wysnuć wniosek, że wielkość mózgu może mieć związek z ekologią i ewolucją zwierząt.

Jak zbadać wielkość mózgu?

Badanie wielkości mózgu choć brzmi dość drastycznie, zupełnie takie nie jest. Badania porównawcze międzygatunkowe oparte są zwykle na pomiarach objętości puszki mózgowej okazów muzealnych. Zastosowanie takiego wskaźnika ma swoje uzasadnienie. Pomiary głowy są powszechnie stosowane jako wskaźnika dla wielkości mózgu nawet w pediatrii, ponieważ średnica głowy jest skorelowana z masą mózgu i wewnętrzną objętością puszki mózgowej. Niezmiernie rzadko korzysta się z bezpośrednich pomiarów mózgu – na przykład zwierząt upolowanych.

W badaniach nad różnicami wewnątrzgatunkowymi naukowcy korzystają z pomiarów zewnętrznych głowy żywego zwierzęcia, które jak pokazują badania, również są skorelowane z wielkością mózgu. Najlepszy pomiar uzyskuje się z badania tomografem komputerowym, jednak jest to metoda niezwykle rzadko stosowana.

Jak przeżyć w zmieniającym się środowisku?

W badaniach porównawczych różnych gatunków z różnych grup zwierząt, wskazywano na istnienie różnic i w prosty sposób pokazywano jak wielkość mózgu jest związana z pewnymi cechami zachowania i trudno jednoznacznie wyjaśnić z jakiego powodu dobór naturalny miałby preferować posiadanie dużego mózgu, bowiem musiałaby istnieć zależność między wielkością mózgu a sukcesem reprodukcyjnym i przeżywalnością.

Istnieje hipoteza, mówiąca, że duże mózgi wyewoluowały jako narzędzie pozwalające lepiej radzić sobie ze zmianami środowiska. Naukowcom udało się znaleźć odpowiedni model do sprawdzenia tej hipotezy. Do badań wykorzystano globalną bazę danych o przeszło sześciuset introdukcjach gatunków ptaków do nowych, nierodzimych środowisk. Okazuje się, że ptaki o dużych mózgach (w stosunku do wielkości ciała) wykazują wyższą przeżywalność w nierodzimych lokalizacjach aniżeli ptaki o relatywnie małych mózgach. Udowodniono, że dzieje się to dzięki większej skłonności do innowacyjnych zachowań u gatunków o większych mózgach.

Innowacyjność wydaje się być jednym z kluczowych elementów podlegających doborowi naturalnemu – zarówno tworzenie innowacji i włączanie ich do repertuaru zachowań osobnika, jak i możliwość rozprzestrzeniania się tych zachowań poprzez uczenie się ich od innych osobników. Adaptacja do zmieniającego się środowiska może wymagać wytworzenia nowych strategii antydrapieżniczych w obliczu pojawienia się nowego drapieżnika, korzystania z nowych źródeł pokarmu, kiedy tradycyjne zaczynają się kurczyć, czy dopasowanie zachowań rozrodczych do zmieniających się warunków. Brytyjskie badania pokazały również, że gatunki ptaków, których trendy populacji były rosnące to właśnie gatunki o dużych mózgach i wykorzystujące nietypowe źródła pokarmu.

Jak się nie dać zjeść?

Nie zostanie ofiarą drapieżnika wymaga od zwierząt sporej gimnastyki. Badania pokazują, że w diecie szympansów i kotowatych, najczęstszymi ofiarami są gatunki o mniejszych mózgach. Co ciekawe, podobna sytuacja dotyczy presji łowieckiej, choć w badaniach skupiono się na dużo bardziej subtelnych różnicach, bo tych międzyosobniczych. Osobniki, które najczęściej bywają odstrzeliwane przez myśliwych to te, które charakteryzuje mniejsza wielkość mózgu. U edredona natomiast pokazano, że w latach o najwyższej presji drapieżniczej gniazda samic o większych mózgach były rabowane istotnie rzadziej niż samic o małych głowach. Co więcej, w tych najtrudniejszych latach, samice o dużych mózgach najwcześniej zaczynały tworzyć koalicje, w których ptaki wspólnie opiekują się potomstwem. Co ciekawe, w latach kiedy lęgi rozpoczynały się wcześniej, a presja drapieżnicza była niższa, to właśnie samice o większych mózgach, przystępujące do lęgów później, najczęściej je traciły. Takie zróżnicowanie sezonowe bardzo dobrze tłumaczy dlaczego dobór naturalny utrzymuje w populacji ptaki o mniejszych mózgach. Co ciekawe, duży mózg i zdolności kognitywne prawdopodobnie wpływają także na zachowania wędrówkowe ptaków – dymówki o dużych mózgach wcześniej przylatywały bowiem na lęgowiska, aniżeli te o mniejszych mózgach.

A kiedy nie ma co jeść?

Oportunizm pokarmowy to strategia polegająca na odżywianiu się tym, co w danym momencie jest najlepiej dostępne i co najłatwiej jest zdobyć. Badania pokazują, że oportunizm pokarmowy ma związek z wielkością mózgu gatunków – oportunistami są te o większych mózgach. Oportunizm pokarmowy związany jest z innowacyjnością i wykorzystywaniem nowych źródeł pokarmu. Innowacje pokarmowe mogą dotyczyć samego źródła pokarmu, ale też sposobu jego zdobywania. Najciekawszymi z takich innowacji są zjadanie zamarzniętych ludzkich wymiocin przez gawrony, podążanie za odgłosami wystrzałów i żerowanie na ustrzelonych zwierzętach przez myszołowy królewskie, wykopywanie ziemniaków przez sroki, znane już powszechnie zrzucanie orzechów na jezdnię przed samochodami przez gawrony, okradanie ze zdobyczy czapli modrych przez pelikany brunatne, żerowanie na rozkładającym się wielorybim tłuszczu przez nawałniki, sprawdzanie samochodowych grillów w poszukiwaniu owadów przez wróble, otwieranie muszli przez zrzucenie ich z wysokości na wypełnione betonem beczki przez rybołowy, czy też chodzenie za traktorem wypłaszającym ofiary, tak jak robią to bociany. Mózg to jednak niezwykle kosztowny organ i wymaga dużych nakładów energii.

Nie każdemu zatem opłaca się posiadanie dużego mózgu. Badania pokazują, że zwierzęta, które hibernują, aby przetrwać najgorszy okres w roku, a zatem ograniczają dostawy pokarmu do zera w tym czasie, rzeczywiście charakteryzują się relatywnie mniejszym mózgiem.

Spryciarze z dużymi mózgami

Aby zmierzyć ptasią głowę, najpierw ptaka należy odłowić. Ptaki zwykle odławia się w specjalne sieci ornitologiczne, które dobrze rozstawione, są dla nich niewidoczne. Podobnie jak podczas obrączkowania, które de facto zwykle towarzyszy odławianiu ptaków, pobierane są pomiary, a następnie ptak jest wypuszczany. Dzięki założonym obrączkom, po ewentualnym powtórnym złapaniu możemy ustalić jego tożsamość lub po prostu w terenie obserwować jego poczynania i porównywać go z innymi osobnikami. Okazuje się, że u jaskółek dymówek, osobniki o większych głowach, czyli także większym mózgu, rzadziej pozwalają się powtórnie złapać w sieci niż osobniki o małych głowach. Pozwala to przypuszczać, że wielkość mózgu jest związana z umiejętnością osobnika do nauki. U szczurów natomiast wykazano, że osobniki o większych mózgach uzyskują lepsze wyniki w testach na szybkość i trafność rozumowania i plastyczności reakcji. U szczurów o większych mózgach zaobserwowano także większe zainteresowanie nowością. Takie zainteresowanie nowością i brak strachu przed nią, zwane w nauce neofilią, jest szczególnie istotne dla zwierząt w obliczu antropogenicznych przekształceń środowiska. Nie tylko znalezienie nowych źródeł pokarmu wspomniane wcześniej może stanowić problem, ale często utrata siedlisk niesie ze sobą szereg innych konsekwencji. Ptakom zaczyna brakować także miejsc, w których mogłyby zakładać gniazda. Ponadto, zwierzęta muszą zwyczajnie nauczyć się życia w towarzystwie człowieka, którego zwykły unikać. Okazuje się, że gatunki ptaków, które żyją w środowisku zurbanizowanym, te które widujemy codziennie w miastach, to mogą być gatunki ptaków o większych mózgach, choć w tym przypadku badacze nie są zgodni. Inne badania pokazują bowiem, że nie relatywna masa mózgu, ale zróżnicowanie wewnątrzgatunkowe oraz lewostronna skośność rozkładu tej cechy (więcej osobników o dużych mózgach) wzrosła w populacjach zurbanizowanych gatunków w porównaniu z populacjami niezurbanizowanymi tych samych gatunków, a także że rosną one w czasie od momentu zurbanizowania.

W 2018 r. badacze pokazali także, że ptasi mieszkańcy wysp mają większe mózgi niż ich kuzyni z kontynentu. Zbadano prawie 2000 gatunków. Co ciekawe, twierdzą oni, że rozwój mózgu wcale nie był przyczynkiem sukcesu kolonizacyjnego, ale prawdopodobnie konsekwencją kolonizacji. Jako że możliwości przemieszczania się na wyspach są niewielkie, to przetrwanie w zmieniających się warunkach wymaga bardziej złożonych zachowań.

Pamięć absolutna

Pewne części mózgu mogą też być większe u zwierząt wykorzystujących pewne konkretne strategie życiowe. Przykładem mogą być ptaki, które gromadzą pokarm w tzw. spiżarniach. Okazuje się jednak, że u tych gatunków nie tylko hipokamp jest relatywnie większy niż u ptaków nie robiących zapasów, ale także ogólna wielkość mózgu. Innym przykładem są pasożyty lęgowe takie jak starzyki, które muszą odnaleźć w przestrzeni gniazdo, do którego składały jajo. Pasożytnicze gatunki starzyków mają większe hipokampy aniżeli ich nie pasożytujący kuzyni. Co ciekawe, wbrew oczekiwaniom, u kukułek występuje odwrotna zależność. To właśnie pasożytnicze kukułki mają mniejsze mózgi niż ich niepasożytniczy krewni. Wysnuto zatem hipotezę, że pasożytnictwo spowodowało utratę pewnych zdolności, niezbędnych do wychowywania potomstwa, lub że zmniejszone zostały koszty energetyczne jakie ptaki te ponoszą, w związku z czym ich mózg zmniejszył się z uwagi na niższe dostawy tej energii. Okazało się jednak, że wystarczy prześledzić filogenezę (czyli pochodzenie i ewolucję) kukułek, aby dowiedzieć się, że pasożytnictwo pojawiło się u nich już po zmniejszeniu wymiarów mózgu. Stąd ukuto nową hipotezę, że te ptaki zaczęły zajmować siedliska słabej jakości, co wymusiło obniżenie zapotrzebowania w energię, a to z kolei wymusiło zarówno zmniejszenie wielkości mózgu, jak i zachowania pasożytnicze. Widać zatem, że presja selekcyjna nie zawsze na te same cechy działa w ten sam sposób.

Wpływ środowiska na wielkość mózgu

Również środowisko może oddziaływać na wielkość mózgu. Oprócz ciekawego przykładu kukułek, które prawdopodobnie ze względu na siedlisko ubogie w pokarm zredukowały wielkość mózgu, mamy też przykład zróżnicowania wewnątrzgatunkowego, wcale nie w czasie ewolucyjnym. Otóż okazuje się, że również promieniowanie może wpływać w podobny sposób na zwierzęta. Badania ptaków z Czarnobyla pokazują, że niezależnie od gatunku, ptaki zamieszkujące te tereny mają mniejsze mózgi niż przedstawiciele ich gatunków spoza strefy promieniowania. Co ciekawe nie wynika to wcale ze zmniejszenia wielkości całego ciała, zaobserwowano bowiem, że tylko wielkość puszki mózgowej uległa zmianie.

W obliczu zmian jakie dotykają naszą planetę w dzisiejszych czasach, począwszy od zanieczyszczenia środowiska, poprzez zmiany w użytkowaniu gruntów, a na zmianach klimatu kończąc, populacje wielu gatunków zwierząt kurczą się, a nawet wymierają. Ochrona przyrody jako dziedzina nauki stoi przed ogromnym wyzwaniem. Wygląda na to, że jeśli zwierzęta mają szanse przetrwać w tak szybko zmieniającym się środowisku, to tymi, które zaadaptują się do korzystania z nowych możliwości prawdopodobnie będą te gatunki, które rozwinęły największe mózgi.

Joanna T. Białas

Joanna T. Białas – doktorantka w Instytucie Zoologii Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. W pracy badawczej interesuje się ekologią i zachowaniami ptaków.