Mozek Evoluce mozku
Zkopírujte aktuální odkaz Přidat do oblíbených Před více než půl miliardou let přišla příroda s jedinečným vynálezem: vytvořila neurony. Buňky schopné přijímat, zpracovávat a předávat podněty. Tím položila základ pro nejsložitější strukturu ve vesmíru – náš mozek 
Starobylé, bezobratlé medúzy, které mají prastarý původ, postrádají mozek. Jejich tělo je protkáno pouze nervovou sítí © Rainer Harf, Eric Tscherne
Evoluce potřebovala více než 650 milionů let k tomu, aby se z původně jednoduchých nervových systémů u živočichů –
jako jsou medúzy a sasanky – postupně vyvinul lidský mozek.
Pokud si dovolíme použít přirovnání k lidské činnosti, pak příroda v průběhu evoluce pracovala jako poněkud excentrický stavitel, který během svého života postupně proměňuje zahradní domek na velkolepou vilu: téměř nic nebylo vyhozeno, zřídkakdy byla zbourána nějaká stěna, ale stále se na stavbě přestavovalo a doplňovalo. Nové prostory vznikaly, zatímco staré místnosti zůstávaly využívány a sklep zůstal téměř beze změny. Tak se postupně zrodila reprezentativní stavba, která slouží k mnoha účelům.
Prastarý způsob přenosu signálů
Také co se týče materiálů a technologií, příroda setrvávala u osvědčených prvků: lidský mozek ve své složitosti vychází z těch samých základních stavebních kamenů – nervových buněk – a způsobů komunikace – elektrických a chemických signálů –, jež již byly přítomné u jednoduchých organismů.
Dokonce i tak jednoduchý organismus jako střevní bakterie Escherichia coli dokáže adekvátně reagovat na podněty v okolním prostředí. Speciální receptory v její buněčné stěně jí pomáhají rozeznávat zdroje potravy nebo toxiny.
Jednoduchý nervový systém hmyzu připomíná žebřík a přenáší podněty do mozku (vlevo) © Eric Tscherne
Když se tyto receptory stimulují, vznikají chemické signály. Ty usměrňují jednobuněčného tvora, aby využíval své bičíky k pohybu směrem k nejvýhodnějšímu zdroji – například k potravě, nebo naopak pryč od nebezpečí. Tento pradávný systém komunikace zachovala příroda i v procesu vzniku lidského mozku.
Složitější mnohobuněční živočichové, na rozdíl od bakterií, nemají tak jednoduchý způsob rozhodování.
Potřebují totiž centrální systém, který integruje informace z různých částí těla, vyvozuje z nich závěry a řídí odpověď. Jinak by mohlo dojít k situaci, kdy každý orgán reaguje jiným směrem – za předpokladu, že se organismus vůbec dokáže pohybovat a nezůstává celý život přisedlý jako rostlina.
Proto se v evoluci mezi houbami a medúzami objevila novinka: neurony. Vyvinuly se z buněk vnější vrstvy těla, které jsou vystavené okolnímu prostředí, a specializovaly se na přijímání, vyhodnocování a přenos signálů.
Chobotnice patří k organismům s nejpokročilejším mozkem mezi bezobratlými: umožňuje jim to rychle se učit a provádět obratné pohyby © Rainer Harf
Houby, které se nepohybují ani neuloví kořist, nepotřebují nervové dráhy – a proto nemají neurony. Naopak pohyblivé, dravé medúzy patří mezi nejstarší stále žijící organismy s jednoduchou nervovou sítí složenou z propojených neuronů po celém těle.
Přesto však ještě nemají shluk těchto buněk, který by odpovídal mozku v pravém slova smyslu.
Tento typ uspořádání vznikl až u kroužkovců. Narozdíl od zvířat s radiální symetrií, jako jsou medúzy nebo hvězdice, u kroužkovců rozlišujeme přední a zadní konec – což představuje významný krok v evoluci mozku. Když živočich preferuje určitý směr pohybu, například vpřed, má smysl soustředit většinu nervových buněk i smyslových orgánů na přední části těla, která jako první přichází do kontaktu s novým prostředím a jeho výzvami i hrozbami.
Objem mozku roste
Mezi nejjednodušší organismy, kde lze tento vývoj pozorovat, patří ploštěnci: mají hlavu a v ní uložený mozek. Postupně hlava získá výraznější podobu a mozek se zvětšuje
v objemu. Postupem času se stává stále výkonnějším – nikoli díky novým konstrukčním prvkům, ale díky nárůstu počtu neuronů a jejich mezi sebou navzájem propojení.
Tento vývoj byl důsledkem mutací – tedy změn genetické informace, které byly pro organismus výhodné. Klíčovou roli hrály duplikace genů, umožňující, aby jedna kopie mohla podléhat mutacím, aniž by to ohrozilo přežití jedince.
Díky takto zdvojeným genům mohly vznikat nové neurony, které následně mohly plnit nové funkce.
Mozky všech obratlovců (zde ryba) mají podobnou organizaci: přední mozek (šedý) analyzuje informace, mozeček (růžový) zajišťuje koordinaci pohybu, mozkový kmen (červený) řídí činnost srdce a dýchání © Eric Tscherne
Samozřejmě zadní část těla nemohla být bez nervových buněk, protože musela stále předávat mozku informace o podnětech z okolí. Proto vede nervový pruh po délce těla – podobně jako u lidí míchu.
Pokročilejší tvorové, jako jsou žížaly nebo nově vzniklý hmyz, mají segmentované tělo. Každý segment obsahuje dva nervové uzly (ganglia), které fungují jako malé mozky řídící příslušnou část těla. Tyto uzly jsou spojeny jako žebřík vedoucí až do hlavy, kde se nachází hlavní mozek, který řídí celé nervové „představení“.
I když mozek hmyzu obsahuje jen asi milion neuronů, umožňuje zvířatům projevovat velmi složité chování.
Například samci bzučivky předávají samičce nejen pochoutku, ale dokážou i odhadnout velikost dárku podle její plodnosti.
Mravenci žijí v organizovaných společenstvech s dělbou práce, která někdy vedou i ozbrojené konflikty s konkurenčními koloniemi.
Během rozvoje složitějších mozků u obratlovců (zde žába) se hlavně výrazně zvětšil přední mozek (šedý), zatímco mozkový kmen zůstal většinou beze změny © Eric Tscherne
Možnosti mozků hmyzu však mají své hranice. Fungují jako počítače s omezeným softwarem a obtížně se dokážou přizpůsobit novým podmínkám v prostředí.
Obratlovčí mozky reagují na změny v prostředí
Na rozdíl od efektivních, ale méně flexibilních mozků hmyzu se u obratlovců vyvinuly mozky dynamické, schopné individuálního vývoje a adaptace, což jim umožňuje lépe přežít ve měnícím se prostředí oproti předchozí generaci.
Jejich nervová síť, tedy vzory spojení mezi neurony, je výrazně formována během embryonálního vývoje a raných fází života v reakci na okolní vlivy.
Kanárek například nevylétá z vejce již se naučenou písní svého zpěvu, ale učí se ji napodobováním dospělých samců. Rovněž po několika bolestivých nárazech do okna pochopí, že tam existuje neviditelná překážka.
Naproti tomu moucha se neúnavně pokouší projít sklem až do vyčerpání.
U krokodýlů je kaudální část předního mozku z velké části věnována analýze pachů, díky čemuž dokáží rozlišovat velmi jemné odlišnosti vůní © Eric Tscherne
První obratlovci, kteří se objevili před asi 500 miliony lety, byli podobní dnešním rybovitým mihulím. Už měli lebku chránící mozek. V té době se život odehrával výhradně v oceánech; nejstarší mozky obratlovců lze proto studovat právě u mihulí a ryb.
Přestože se liší vzhledem, struktura mozku ryb, ptáků, potkanů i lidí je základně shodná: mozkový kmen kontroluje životně důležité funkce jako srdeční tep a dech, mozeček řídí pohyb a přední mozek je centrem složitých úkolů, jako je plánování, vyhodnocování dat a rozhodování. Mnoho funkcí však nelze jednoznačně přiřadit k jedné mozkové oblasti, protože vznikají souhrou více částí.
Zatímco mozkový kmen se během evoluce změnil jen málo, příroda se soustředila na rozrůstání předního mozku, který neustále rozšiřovala o nové části, až přestávaly stačit původní prostory.
U mnoha ptáků je velký mozeček (růžově vyobrazený) zásadní k přesné orientaci v letu. Stejně tak přední část mozku – sídlo inteligence – je výrazně zvětšená © Eric Tscherne
Kůra mozková je nejvíce rozvinutou částí mozku
Růst výkonnosti, schopnosti učení a komplexnosti funkcí je primárně spojován s expanzí vnější vrstvy předního mozku, známé jako mozková kůra. Nejmladší část této vrstvy, nazývaná neokortex, se vyskytuje pouze u savců. U lidí tvoří téměř polovinu objemu mozku.
Aby se tento tenký, avšak rozrůstající se neuronový povrch vešel do lebky, skládá se do záhybů, díky nimž získal mozek člověka charakteristický vzhled připomínající vlašský ořech.
Pokud by bylo možné vyrovnat záhyby mozkové kůry u člověka, pokryly by plochu čtyř listů formátu A4 – což je čtyřnásobek plochy šimpanzí kůry. Mozek krysy, který je poměrně hladký, má rozměry srovnatelné s poštovní známkou.
Čím je mozek obratlovce složitější, tím větší jsou oblasti mozkové kůry, jež nelze přesně přiřadit konkrétním funkcím, například zraku nebo sluchu.
Tyto asociativní oblasti umožňují obratlovcům pružně reagovat. Na rozdíl od hmyzu nebo plže, které reagují na podnět pevně daným způsobem, zpracovávají vyšší živočichové impuls přes více mezistupňů a jejich odpověď může být různorodá.
U mnoha ptáků je velký mozeček (růžově vyobrazený) zásadní k přesné orientaci v letu. Stejně tak přední část mozku – sídlo inteligence – je výrazně zvětšená © Eric Tscherne
V určitých fázích evolučních vln došlo k výraznému rozvoji právě těchto asociativních oblastí a jejich rozsah je jedním z klíčových rozdílů mezi mozkem člověka a lidoopa.
Evoluce mozku však rozhodně neprobíhala lineárně od „vynálezu“ neuronů u bezobratlých k lidskému mozku.
Spíše vznikly z původního „neurálního tělesa“ podle analogie s přírodou jako architektem nezávisle na sobě různé struktury – včetně výrazných skvostů.
Například chobotnice představují nejinteligentnější bezobratlé. Jejich mozek má jinou stavbu než mozek obratlovců, přesto ale jejich intelekt je srovnatelný se schopnostmi psů.
Mezi obratlovci jsou mozkem architektonicky výjimečné například sloni, velryby i někteří ptáci, jako jsou havrani – jejich složitost odpovídá lidskému mozku a mozku lidoopů.
Klima urychlilo evoluci mozku
Po rozdělení vývojové linie člověka a šimpanze před asi sedmi miliony lety rostl mozek hominidů jen pomalu.
Mozek savců s vyspělými mozky (například u koček) je charakteristický svým záhybovým povrchem mozkové kůry, kde vzniká vědomí a schopnost učení © Eric Tscherne
Přibližně před dvěma miliony let se však jeho růst dramaticky zrychlil: mozek Homo habilis dosahoval přibližně 600 krychlových centimetrů, zatímco Homo sapiens před 190 000 lety již měl asi 1400 krychlových centimetrů. Právě tato změna přispěla k formování dnešního člověka.
Spouštěčem mohl být klimatický zlom před 2,3 miliony lety, který přinesl nové výzvy a vedl předky lidí k využívání pokročilejších nástrojů, například k získávání nových zdrojů potravy.
Výroba a používání těchto pomůcek vyžadovala vyšší mentální kapacity a lepší obratnost rukou, což v období rychlých změn životního prostředí představovalo evoluční výhodu.
Mozková kůra lidoopů je podobně silně záhybová jako u Homo sapiens, takže jejich poměrně velká plocha se vejde do lebky © Eric Tscherne
Vznik řeči a připoutání tohoto nástroje k dennímu přežití pravděpodobně také přispěly k růstu mozku. Tento proces mohl být dále urychlen díky zpětné vazbě: lepší zbraně a nástroje usnadnily lov velké zvěře, čímž se zvýšil přísun potravy.
Vyšší dostupnost energie umožnila evoluci rozšiřovat mozek – což vedlo k větší inteligenci a obratnosti lidí.
Velký mozek přináší i nevýhody
Velký mozek člověka však není pouze výhodou ve výběrovém boji, ale také zátěží kvůli vysoké spotřebě energie.
Mozek představuje asi dva procenta tělesného objemu Homo sapiens, ale spotřebuje 20 procent celkové energie metabolismu, u novorozence dokonce až dvě třetiny. Čím větší je mozek, tím déle trvá jeho dospívání a rozvoj plného potenciálu.
Rodiče tak musejí vynaložit mnoho času a energie na péči o potomky, což omezuje počet jejich potomků a může omezit další evoluční rozšíření mozku v budoucnosti.
Ve skutečnosti lidé za posledních 35 000 let dokonce zaznamenali snížení mozkové hmoty. Současný lidský mozek váží v průměru asi 1300 gramů, tedy o 150 gramů méně než mozky lidí v době kamenné.
Během vývoje lidstva se významně zvětšila především přední část mozkové kůry, kde probíhají vyšší mentální procesy a pravděpodobně sídlí inteligence © Eric Tscherne
Zda tento úbytek souvisí s menším tlakem na přežití díky rozvoji zemědělství, nebo s postupným poklesem tělesné hmotnosti předků, zůstává nejasné.
Příroda jako architekt nejen přistavovala mozkovým komplexům nové místnosti a haly, ale také bez milosti bourala nevyužívané prostory. Například mozek psa klesl v průběhu domestikace: mozek psa velikostí srovnatelný s vlkem je oproti němu přibližně o třetinu menší.
Existují rovněž příklady, kdy jednou získaný mozek znovu vymizel: tasemnice, potomek ploštěnce s nervovým uzlem v hlavě, se usadila v lidském střevě, tedy v pohodlném, bezpečném prostředí s bohatým zdrojem potravy. Nákladná existence mozku je takovému parazitovi zbytečná, a proto došlo k jeho úplnému zániku.
GEO KOMPAKT č. 15 – 06/08 – Jak myslíme
