Das Gehirn Evolution des Gehirns

Vor mehr als einer halben Milliarde Jahren machte die Natur eine geniale Erfindung: Sie schuf Neurone. Zellen, die Reize empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Damit legte sie den Grundstein für die komplexeste Struktur im Universum - unser Gehirn

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Die Stammesgeschichtlich alten, wirbellosen Quallen haben kein Gehirn. Ihre Körper sind nur von einem Nervennetz durchzogen

Mehr als 650 Millionen Jahre brauchte die Evolution, um die anfangs sehr simplen Nervensysteme in der Tierwelt –

etwa bei Quallen und Seeanemonen – zum menschlichen Gehirn weiterzuentwickeln.

 

Erlaubt man sich für einen Augenblick, die Natur zu vermenschlichen, dann ging sie im Verlauf der Evolution vor wie ein etwas verschrobener Baumeister, der im Laufe seines Lebens ein Gartenhäuschen nach und nach zu einer Villa ausbaut: Kaum etwas wurde weggeworfen, nur selten eine Wand eingerissen, stattdessen immer wieder an und umgebaut. Neue Raumfluchten entstanden, während alte Kämmerchen weiterhin genutzt wurden und der Keller fast unverändert blieb. So nahm nach und nach ein Prachtbau Gestalt an, der zu vielerlei Zwecken taugt.

Uralte Form des Signalverkehrs

Auch bei Material und Technik hielt sich die Natur an das Bewährte: Das menschliche Gehirn in all seiner Komplexität basiert letztlich auf jenen Bausteinen – Nervenzellen – und Kommunikationsmitteln – elektrischen und chemischen Signalen –, die schon bei einfachen Lebewesen zu finden sind.

Selbst eine so simple Kreatur wie das Darmbakterium Escherichia coli ist fähig, auf Reize in seiner Umgebung sinnvoll zu reagieren. Spezielle Empfangsmoleküle in der Zellwand helfen ihm, Nahrungsquellen oder Giftstoffe wahrzunehmen.

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Das einfach gebaute Nervensystem der Insekten ähnelt einer Strickleiter und sendet Reize an das Gehirn (links)

Werden diese Rezeptoren gereizt, erzeugen sie chemische Signale. Sie veranlassen den Einzeller, sich mit seinen propellerartigen Geißeln in die günstigste Richtung zu bewegen – etwa hin zum Futter oder weg von der Gefahr. Diese uralte Form des Signalverkehrs hat die Natur auf dem Weg zum Menschenhirn beibehalten.

Komplexere Lebewesen, die im Gegensatz zum Kolibakterium aus vielen Zellen bestehen, kommen nicht ganz so leicht zu ihren Entscheidungen.

Vielmehr brauchen sie eine Instanz, welche die Informationen aus unterschiedlichen Körperregionen zusammenführt, ein Ergebnis daraus ableitet und die Reaktion steuert. Sonst würde womöglich jeder Körperteil in eine andere Richtung streben – vorausgesetzt, der Organismus kann sich überhaupt fortbewegen und verharrt nicht wie eine Pflanze sein Leben lang an einem Fleck.

Konsequenterweise führte die Evolution im Verlauf der Entwicklung zwischen Schwämmen und Quallen eine Neuerung ein: die Nervenzellen (Neurone). Sie bildeten sich aus Zellen der äußeren Hautschicht, die unmittelbar der Umgebung ausgesetzt waren, und spezialisierten sich darauf, Reize zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten.

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Kraken besitzen das höchstentwickelte Gehirn aller Wirbellosen: Es befähigt sie zu raschem Lernen und virtuosen Bewegungen

Ein Schwamm, der weder auf die Jagd geht noch vor Feinden flüchten kann, benötigt keine Signalleitungen – folglich hat er keine Neurone. Die mobilen, räuberischen Quallen hingegen gehören zu den ältesten heute noch existierenden Organismen, die über ein einfaches Nervensystem verfügen. Es besteht aus einem Netz miteinander verbundener Neurone, das den ganzen Körper durchzieht.

Doch eine Zusammenballung solcher Zellen, die den Namen Gehirn verdient, findet sich bei den Quallen noch nicht.

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. Schließlich kommt dieser Teil meist als Erster mit den Verheißungen und Gefahren einer neuen Umgebung in Berührung.

Das Gehirn legt an Volumen zu

Die Plattwürmer zählen zu den einfachsten Kreaturen, bei denen sich dieser Bauplan beobachten lässt: Vorn sitzt ein Kopf, und darin ruht das Gehirn. Mit der Zeit prägte sich der Kopf stärker aus, und das Gehirn legte an

Volumen zu. Nach und nach wurde es immer leistungsfähiger – und zwar nicht etwa, weil grundlegend neue Bausteine hinzukamen, sondern weil die Zahl der Neurone und ihrer Verknüpfungen untereinander zunahm.

Ursache dieser Entwicklung waren Mutationen – also Veränderungen des Erbguts, die sich als vorteilhaft für den Organismus erwiesen. Eine Schlüsselrolle spielten dabei Erbgutveränderungen, bei denen wichtige Gene doppelt an die nächste Generation weitergegeben wurden. Die Gen-Kopie konnte nun ihrerseits mutieren, ohne die Lebensfähigkeit des Organismus aufs Spiel zu setzen.

Dank solcher Gene wuchsen etwa zusätzliche Neurone, die sich dann für neue Aufgaben nutzen ließen.

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Die Gehirne aller Wirbeltiere (hier ein Fisch) sind ähnlich gebaut: Das Vorderhirn (grau) bewertet Informationen, das Kleinhirn (rosafarben) koordiniert Bewegungen, der Hirnstamm (rot) steuert Herzschlag und Atmung

Natürlich konnte das Hinterteil des Wurms nicht ganz auf Nervenzellen verzichten, schließlich musste auch dieses dem Gehirn Signale aus seiner Umwelt melden. Deshalb durchzieht ein Nervenstrang der Länge nach seinen Leib – wie bei uns das Rückenmark.

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. Dort sitzt ihr größeres Pendant, das eigentliche Gehirn, und koordiniert wie ein Dirigent das Konzert der Nervenzellen.

Auch wenn Insektenhirne nur aus knapp einer Million Neurone bestehen, befähigen sie ihre Träger zu ungemein komplexen Verhaltensweisen.

Das Männchen der Skorpionsfliege etwa überreicht dem umworbenen Weibchen nicht nur ein essbares Geschenk, sondern bemisst die Größe der Gabe auch nach der erwarteten Fruchtbarkeit der Partnerin.

Und Ameisen leben in arbeitsteilig organisierten Staaten, die mitunter regelrechte Kriege gegen Konkurrenzvölker führen.

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Im Laufe der Entwicklung zu komplexeren Gehirnen vergrößerte sich bei Wirbeltieren (hier ein Frosch) vor allem das Vorderhirn (grau). Der Hirnstamm veränderte sich meist relativ wenig

Doch sind den Fähigkeiten der Insektenhirne Grenzen gesetzt. Sie ähneln Computern, auf denen nur eine bestimmte Software läuft – veränderten Umweltbedingungen können sie sich kaum anpassen.

Die Gehirne von Wirbeltieren passen sich der Umwelt an

Grundsätzlich anders als die bei gleich bleibenden Anforderungen unschlagbar effizienten, aber relativ unflexiblen Insektenhirne entwickelten sich die Gehirne der Wirbeltiere: Sie sind dynamischer und auf individuelle Entwicklung und Veränderung angelegt und können sich daher in einer Umwelt, die nicht mehr exakt jener der Eltern gleicht, besser behaupten.

Ihr Schaltplan, also das Muster der Verknüpfungen zwischen den Nervenzellen, wird in hohem Maße durch äußere Einflüsse während der Entwicklung des Embryos und in den frühen Lebensphasen bestimmt.

So schlüpft etwa ein Kanarienvogel nicht mit einer fest eingeschriebenen Melodie seines Werbegesangs im Kopf aus dem Ei, sondern lernt sein Lied, indem er erwachsenen Männchen lauscht. Ebenso ist er imstande, nach ein paar schmerzhaften Kollisionen mit einer Fensterscheibe zu begreifen, dass ihm ein unsichtbares Hindernis den Weg verstellt.

Eine Fliege hingegen versucht bis zur finalen Erschöpfung immer wieder, durch das Glas zu gelangen.

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Bei Krokodilen ist der keulenförmige Teil des Vorderhirns vornehmlich mit der Analyse von Gerüchen beschäftigt. So vermögen die Tiere feinste Variationen von Duftstoffen zu unterscheiden

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. Das Leben jener Zeit spielte sich noch ausschließlich im Ozean ab; die älteste Bauart der Wirbeltiergehirne lässt sich deshalb bei Neunaugen und Fischen beobachten.

Bei allen äußeren Unterschieden ist das Hirn bei Fisch und Vogel, Ratte und Mensch grundsätzlich ähnlich konzipiert: Der Hirnstamm steuert lebenserhaltende Funktionen wie Herzschlag und Atmung, das Kleinhirn koordiniert unter anderem Bewegungen, und das Vorderhirn dient anspruchsvollen Aufgaben wie Planen, Bewerten von Informationen und Entscheiden. Allerdings lassen sich viele Funktionen nicht eindeutig einer Hirnregion zuschreiben, sondern werden stets im Zusammenspiel mehrerer Strukturen erfüllt.

Während sich der Hirnstamm im Verlauf der Evolution relativ wenig veränderte, erkor die Baumeisterin Natur das Vorderhirn zu ihrer Lieblingsbaustelle. Hier ließ sie ständig erweitern und anbauen, bis die neuen Säle kaum noch auf dem Grundstück Platz fanden.

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Viele Vögel besitzen ein massiges Kleinhirn (rosafarben), das ihnen eine präzise Orientierung in der Luft ermöglicht. Auch der vordere Teil des Hirns – Sitz der Intelligenz – ist stark vergrößert

Die Großehirnrinde ist der am stärksten entwickelte Teil des Gehirns

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. Bei Menschen macht er knapp die Hälfte des Hirnvolumens aus.

Damit diese expandierende, jedoch nur wenige Millimeter dicke Neuronenschicht noch in den Schädel passte, faltete sie sich so auf, dass das Gehirn allmählich sein beim Homo sapiens -walnussartig zerfurchtes Aussehen annahm.

Könnte man die Großhirnwindungen im menschlichen Kopf glätten, würden sie eine Fläche von vier DIN-A4-Blättern bedecken – viermal so groß wie beim Schimpansen. Der ziemlich glatte Kortex einer Ratte hingegen erreicht nur das Format einer Briefmarke.

Je weiter entwickelt das Gehirn eines Wirbeltieres ist, desto größer sind die Areale seiner Großhirnrinde, die sich nicht mehr eindeutigen Funktionen wie etwa Sehen oder Hören zuordnen lassen.

Diese assoziativen Areale ermöglichen Wirbeltieren erst ein flexibles Reagieren. Statt wie ein Insekt oder eine Schnecke auf einen Reiz mit einem festgelegten Verhalten zu antworten, wird der Input bei höheren Tieren über viele Zwischenstationen hinweg bearbeitet und moduliert; die Reaktion kann daher unterschiedlich ausfallen.

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Viele Vögel besitzen ein massiges Kleinhirn (rosafarben), das ihnen eine präzise Orientierung in der Luft ermöglicht. Auch der vordere Teil des Hirns – Sitz der Intelligenz – ist stark vergrößert

In bestimmten Phasen der Evolutionschwollen ebendiese assoziativen Areale stark an, und ihre Größe ist ein wesentlicher Unterschied zwischen Menschen- und Affenhirn.

Doch die Evolutionsgeschichte des Hirns folgte keinesfalls einem geraden Weg von der „Erfindung“ der Neurone bei Wirbellosen hin zum Denkorgan des Menschen.

Im Gegenteil: Aus dem ersten „Neuronenbau“ entwickelten sich, um im Bild des von der Natur erbauten Hauses zu bleiben, unabhängig voneinander unterschiedliche Gebäude – darunter einige Prachtbauten.

Kraken etwa stehen in Bezug auf Intelligenz an der Spitze aller wirbellosen Tiere. Das Hirn eines Oktopus ist zwar völlig anders gebaut als das eines Wirbeltieres. Doch die intellektuellen Fähigkeiten der Kraken halten locker mit denen von Hunden mit.

Unter den Wirbeltieren wiederum gehören die Gehirne der Elefanten und Wale, aber auch die einiger Vögel wie Raben zu den Meisterwerken der Hirnarchitektur – in ihrer Komplexität mit denen der Menschen und Menschenaffen vergleichbar.

Ein Klimawandel beschleunigt die Hirnevolution

Nachdem sich die evolutionären Wege von Mensch und Schimpanse vor etwa sieben Millionen Jahren getrennt hatten, legte das Hirn der Hominiden zunächst nur langsam zu.

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Das Denkorgan von Säugern mit höher entwickelten Gehirnen (etwa von Katzen) ist von der zerfurchten Großhirnrinde geprägt. In ihr entstehen Bewusstsein und Lernfähigkeit der Tiere

Erst 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. Diese Entwicklung ließ den Menschen zu dem werden, was er heute ist.

Der Auslöser war möglicherweise ein Klimawandel vor 2,3 Millionen Jahren, der die frühen Menschen vor neue Herausforderungen stellte. Sie reagierten darauf, so eine These, mit dem Gebrauch besserer Werkzeuge, etwa um neue Nahrungsquellen zu erschließen.

Für die Herstellung und Bedienung dieser Hilfsmittel waren erhöhte geistige Fähigkeiten und eine gesteigerte Geschicklichkeit der Hände notwendig. In einer solchen Phase schneller Umweltveränderungen bedeutete die Zunahme der Intelligenz daher einen Vorteil im evolutionären Selektionsprozess.

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Die Großhirnrinde von Menschenaffen ähnelt der des Homo sapiens und ist sehr stark gefaltet – so passt sie trotz ihrer großen Oberfläche in den Schädel der Tiere

Auch die Entstehung der Sprache und der damit verbundene Nutzen im täglichen Überlebenskampf förderte vermutlich die Entwicklung großer Gehirne. Möglicherweise beschleunigte sich die Gehirnexpansion dann durch einen Rückkopplungseffekt: Verbesserte Werkzeuge und Waffen ermöglichten etwa die Jagd auf Großwild, sodass sich das Nahrungsangebot erweiterte.

Die erhöhte Energiemenge, die dem menschlichen Körper damit zur Verfügung stand, erlaubte es der Evolution, größere Gehirne auszuprobieren. Folglich wurden die Menschen noch geschickter und intelligenter.

Große Gehirne bringen nicht nur Vorteile

Ein stattliches Gehirn wie das des Menschen bringt seinem Besitzer jedoch nicht nur Vorteile im evolutionären Wettbewerb, sondern ist wegen seines hohen Energieverbrauchs auch eine Last.

Beim Homo sapiens nimmt es zwar nur etwa zwei Prozent des Körpervolumens ein, verbraucht jedoch 20 Prozent der Stoffwechselenergie, bei einem Neugeborenen sind es sogar zwei Drittel. Und je üppiger das Gehirn eines Tieres dimensioniert ist, desto mehr Zeit benötigt es, um heranzureifen und sein ganzes Potenzial zu entfalten.

Für die Eltern bedeutet dies, dass sie viel Zeit und Aufwand in ihren Nachwuchs investieren müssen, ihr Fortpflanzungserfolg also zahlenmäßig gering bleibt. Diese Faktoren könnten weitere evolutionäre Ausbauten des Gehirns in der Zukunft begrenzen.

Tatsächlich haben die Menschen in den vergangenen 35 000 Jahren sogar an Hirnmasse verloren. Unser heutiges Gehirn wiegt im Durchschnitt etwa 1300 Gramm – 150 Gramm weniger als bei den Menschen in der Steinzeit.

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Im Laufe der menschlichen Entwicklungsgeschichte nahm vor allem der stirnnahe Teil der Großhirnrinde zu. Dort laufen höhere geistige Prozesse ab, und dort ist vermutlich auch unsere Intelligenz lokalisiert

Ob der Schwund eine Folge der Abnahme existenzieller Nöte etwa durch Fortschritte im Ackerbau war oder mit dem über lange Zeiträume ebenfalls rückläufigen Körpergewicht unserer Vorfahren zusammenhängt, ist unklar.

Die Natur als Architekt baute nicht nur immer neue Zimmer und Säle an ihre Gehirnkomplexe – sie riss ungenutzte Räume auch kompromisslos wieder ab. So nahm das Hirnvolumen des Hundes im Laufe seiner Karriere als Gefährte der Menschen ab: Das Gehirn eines Haushundes von der Größe eines Wolfes ist um ein Drittel kleiner als das seines wilden Verwandten.

Und auch dafür, dass ein einmal erworbenes Hirn wieder verloren gehen kann, kennt die Naturgeschichte Beispiele: Der Bandwurm, ein Nachfahr des ersten Plattwurms mit seinem Nervenknoten im Kopf, klammert sich im menschlichen Darm fest, lebt also in einem komfortablen, sicheren Ökosystem mit reichem Nahrungsangebot. Sich ein Gehirn zu leisten, bedeutet für einen solchen Parasiten sinnlosen Luxus.

Folglich wurde es restlos zurückgebaut.

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