Neue Studie erklärt die Beziehung zwischen Gehirnmasse und Körpermasse bei Säugetieren

Die Annahme, dass Gehirnmasse und Körpermasse von Tieren miteinander zusammenhängen, erscheint intuitiv plausibel: Größere Tiere besitzen schließlich meist auch größere Gehirne als ihre kleineren Verwandten.

Dennoch hat es sich als schwierig erwiesen, ein eindeutiges Modell dafür zu finden, wie genau diese beiden Größen zueinander in Beziehung stehen.

Eine diesen Monat in Nature Ecology and Evolution veröffentlichte Studie legt nahe, dass das Problem auf einem grundlegenden Fehler in einer seit Langem vertretenen Annahme über die mathematische Beziehung zwischen den beiden Massen beruht.

Die Untersuchung stellt ein alternatives Modell vor, das die Daten nicht nur besser abbildet, sondern auch Erklärungen für mehrere weitere langjährige Fragen zur Evolution des Gehirns verspricht.

Gehirnmasse und Körpermasse bei Säugetieren

Wie die Studie erläutert, wird seit Jahrzehnten allgemein angenommen, dass das Verhältnis zwischen Körper- und Gehirnmasse einem relativ einfachen Potenzgesetz folgt. Diese vorgeschlagene Beziehung ist jedoch stark umstritten, weil sie offenbar nicht auf sämtliche Artengruppen zutrifft.

Bisher ist es Forschenden nicht gelungen, eine Form dieser Gleichung zu finden, die universell funktioniert. Besonders die Unterschiede zwischen verschiedenen taxonomischen Ebenen haben sich als so problematisch erwiesen, dass sie eine eigene Bezeichnung erhielten: das Taxon-Level-Problem.

Sowohl der Wert als auch der Ursprung eines entscheidenden Bestandteils dieser Beziehung, der als allometrische Komponente bezeichnet wird, wurden ausführlich diskutiert. Die neue Arbeit befasst sich jedoch mit einer noch grundlegenderen Frage: Ist die Annahme überhaupt richtig, dass zwischen Gehirnmasse und Körpermasse eine Art logarithmisch-lineare Beziehung besteht?

Um dies zu untersuchen, werteten die Autorinnen und Autoren einen umfangreichen Datensatz mit 1.504 Werten zur Gehirn- und Körpermasse von Säugetieren aus und prüften, welches Modell am besten zu den Daten passte.

Eine gekrümmte Beziehung statt einer Geraden

Dabei zeigte sich, dass die Beziehung nicht log-linear, sondern log-kurvilinear ist: Werden die Daten auf einer logarithmischen Skala dargestellt, muss die Kurve selbst gekrümmt verlaufen, um sie abzubilden.

Für die Konstruktion dieser Kurve erprobten die Forschenden mehrere Gleichungen. Am besten passte ein Polynom zweiter Ordnung – jene Art quadratischer Gleichung, der man typischerweise in der Oberstufe begegnet.

Das zentrale Merkmal der Kurve besteht darin, dass „mit zunehmender Masse von Säugetieren die Rate abnimmt, mit der die Gehirnmasse gemeinsam mit der Körpermasse zunimmt“. Daraus folgt die Vorhersage, dass sehr große Tiere kleinere Gehirne haben als das lineare Modell erwarten ließe – genau das zeigen auch die Daten.

Eine einzige Kurve, an die sich die Beziehung zwischen Gehirn und Körper anpassen lässt, ermöglicht zudem Vergleiche zwischen Gruppen, die im bisherigen Modell deutlich unterschiedliche allometrische Koeffizienten aufwiesen.

Evolution großer Gehirne

Die Studie veranschaulicht einen Vorteil des neuen Modells: „[es] ermöglicht es, evolutionäre Trends in der Merkmalsentwicklung (oder der relativen Merkmalsentwicklung) im Zeitverlauf zu untersuchen.“ Zu diesem Zweck analysiert sie die Geschwindigkeit, mit der die Gehirnmasse zunimmt – anders gesagt: das Tempo, in dem sich größere Gehirne entwickeln. Dabei wurden erhebliche Unterschiede zwischen den Arten festgestellt.

Erwartungsgemäß entwickelten Primaten große Gehirne außergewöhnlich rasch. Das traf jedoch ebenso auf Nagetiere und Fleischfresser zu. Nur drei Tiergruppen zeigten im Lauf der Zeit eine Beziehung zunehmender Gehirn- zu Körpermasse.

Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt auf Säugetieren. Die Autorinnen und Autoren prüften jedoch auch einen Datensatz mit Paaren aus Körper- und Gehirnmasse bei Vögeln und stellten fest, dass die kurvilineare Beziehung auch zu diesen Daten gut passte. Die vielleicht spannendste noch ungelöste Frage lautet allerdings, warum Gehirn- und Körpermasse auf diese Weise korrelieren.

Diese Frage ist weiterhin völlig offen, und ihre Beantwortung könnte viel darüber aussagen, wie und warum sich Tiere so entwickelt haben, wie sie es getan haben.

Wie die Studie in ihrer Schlussfolgerung festhält, „wird die Suche nach sowohl den theoretischen als auch den empirischen Grundlagen kurvilinearer Beziehungen zwischen Arten wahrscheinlich zu bedeutenden Beiträgen in der gesamten Biologie führen.“

Diese Forschung wurde in Nature Ecology and Evolution veröffentlicht.