Secretul evoluţiei unui creier mare ar putea fi în intestin, spun cercetătorii. Un studiu recent oferă o nouă perspectivă asupra evoluţiei umane, în special asupra dezvoltării creierului uman. Microbii care susţin producerea unei cantităţi mai mari de energie metabolică ar putea fi cheia evoluţiei creierului nostru mare.
Cercetătorii de la Universitatea Northwestern au descoperit dovezi conform cărora unii dintre cei mai mici locuitori din organismul uman - bacteriile intestinale - ar fi putut juca un rol într-una dintre cele mai mari evoluţii ale omenirii: dezvoltarea unui creier mare.
Ţesutul cerebral este unul dintre cele mai costisitoare din punct de vedere energetic din organism. Ca urmare, mamiferele cu creierul mai mare au nevoie de mai multă energie pentru a susţine creşterea şi întreţinerea creierului. Cu toate acestea, nu este clar care sunt exact schimbările biologice care au permis strămoşilor oamenilor să satisfacă nevoile foarte mari de energie pe măsură ce au dezvoltat creiere mai mari.
Un nou studiu al Universităţii Northwestern indică rolul microbilor intestinali, mici organisme vii din sistemul nostru digestiv care ajută la descompunerea alimentelor şi la producerea de energie.
Ce au descoperit cercetătorii
Cercetătorii au constatat că şoarecii cu microbi proveniţi de la specii de primate cu creier mare produc şi consumă mai multă energie, în timp ce exemplarele cu microbi proveniţi de la specii cu creier mic stochează mai multă energie sub formă de grăsime.
Studiul, care a fost publicat pe 2 decembrie, în revista Microbial Genomics, oferă o nouă perspectivă asupra unui puzzle evolutiv care persistă de multă vreme. În timp ce oamenii de ştiinţă ştiu de mult timp că ţesutul cerebral este unul dintre cele mai scumpe din punct de vedere energetic din organism, mecanismele biologice care le-au permis strămoşilor noştri să facă faţă acestor cerinţe energetice intense au rămas neclare - până acum.
Ce este nou
Datele sunt primele care arată că microbii intestinali din diferite specii de animale modelează variaţiile biologice dintre speciile de animale şi susţin ipoteza că microorganismele din intestin ar putea influenţa evoluţia prin schimbarea modului în care funcţionează organismul unui animal.
Studiile anterioare au comparat influenţa genelor şi a mediului asupra primatelor cu creiere mai mari şi mai mici. Cu toate acestea, există foarte puţine studii care să compare modul în care diferite primate utilizează energia. Sunt disponibile şi mai puţine informaţii cu privire la modul în care se dezvoltă metabolismul la diferite specii de primate.
„Ştim că în ceea ce priveşte comunitatea de microbi care trăiesc în intestinul gros aceasta poate produce compuşi care afectează aspecte ale biologiei umane - de exemplu, provocând modificări ale metabolismului care pot duce la rezistenţa la insulină şi creşterea în greutate”, a declarat într-un comunicat, Katherine Amato, primul autor al studiului şi profesor asociat de antropologie la universitatea americană Northwestern.
„Variaţia microbiotei intestinale este un mecanism neexplorat în care metabolismul primatelor ar putea facilita diferite cerinţe energo-cerebrale”, a explicat ea.
Pentru a investiga această legătură, echipa de cercetare a conceput un experiment folosind trei specii de primate cu dimensiuni distincte ale creierului în raport cu masa lor corporală: oamenii şi maimuţele veveriţă (ambele cu un coeficient relativ mare al encefalului (EQ) şi macacii, cu un EQ relativ mai mic. În loc să studieze direct aceste primate, cercetătorii au transferat bacterii intestinale de la fiecare specie în grupuri de şoareci fără germeni - şoareci de laborator crescuţi în condiţii complet sterile, fără bacterii intestinale proprii.
În cadrul unui experiment de laborator controlat, cercetătorii au implantat în şoareci microbi de la două specii de primate cu creier mare (om şi maimuţa veveriţă) şi de la o specie de primate cu creier mic (macac).
După introducerea microbilor intestinali la şoareci, cercetătorii au măsurat în timp modificările fiziologice ale animalelor, inclusiv creşterea în greutate, procentul de grăsime, glucoza la post, funcţia hepatică şi alte caracteristici. De asemenea, au măsurat diferenţele dintre tipurile de microbi şi compuşii produşi de aceştia în fiecare grup de şoareci.
Asemănări surprinzătoare
Cercetătorii se aşteptau să descopere că microbii proveniţi de la diferite primate vor duce la diferenţe în biologia şoarecilor care au fost inoculaţi. De asemenea, se aşteptau ca şoarecii cu microbi umani să aibă cea mai mare diferenţă în biologie faţă de şoarecii cu microbi din celelalte două specii.
„Deşi am observat că şoarecii inoculaţi cu microbi umani aveau unele diferenţe, cel mai puternic tipar a fost reprezentat de diferenţa dintre primatele cu creier mare (oamenii şi maimuţele veveriţă) şi primatele cu creier mic (macacii)”, a precizat Amato.
Şoarecii cărora li s-au administrat microbi de la oameni şi maimuţe veveriţă aveau o biologie similară, chiar dacă cele două specii nu sunt rude evolutive apropiate. Acest lucru sugerează că altceva decât o ancestralitate comună - probabil trăsătura comună a unui creier mare - stă la originea similitudinilor biologice observate la şoarecii inoculaţi cu microbi.
Rezultatele au evidenţiat diferenţe metabolice clare. Şoarecii cărora li s-au administrat bacterii intestinale provenite de la primatele cu EQ ridicat (oameni şi maimuţe veveriţă) au prezentat un consum mai mare de alimente, dar o creştere în greutate mai mică, niveluri mai ridicate de glucoză din sânge şi o activitate crescută a enzimelor hepatice legate de producerea glucozei. În schimb, şoarecii care au primit bacterii intestinale de macac au stocat mai multă energie sub formă de grăsime, deşi au mâncat mai puţin.
Cercetătorii au constatat că aceste diferenţe metabolice au fost asociate cu diferite niveluri de acizi graşi cu lanţ scurt (SCFA) - în special acetat, propionat, butirat şi valerat - care sunt produse atunci când bacteriile intestinale fermentează fibrele alimentare. Şoarecii cu bacterii intestinale provenite de la primate cu QE ridicat au prezentat concentraţii mai mari ale acestor compuşi, care pot influenţa metabolismul prin mai multe căi, inclusiv reglarea apetitului, stocarea grăsimilor şi producerea glucozei.
În special, şoarecii care au primit bacterii intestinale umane au prezentat modele distincte, inclusiv cele mai ridicate niveluri de glucoză şi cea mai mică creştere în greutate dintre toate grupurile. Acest lucru se aliniază cu faptul că oamenii au cel mai ridicat EQ dintre primate, deşi cercetătorii avertizează că sunt necesare mai multe cercetări pentru a înţelege pe deplin aceste relaţii.
„Aceste constatări sugerează că atunci când oamenii şi maimuţele veveriţă au evoluat separat pentru a avea creiere mai mari, comunităţile lor microbiene s-au schimbat în moduri similare pentru a ajuta la furnizarea energiei necesare”, a explicat cercetătoarea.
Recenta cercetare reprezintă prima dovadă că microbii intestinali din diferite specii de animale pot modela variaţiile biologice dintre specii şi sugerează că, pe măsură ce primatele au dezvoltat creiere mai mari, este posibil ca acestea să fi dezvoltat, de asemenea, relaţii cu comunităţile de bacterii intestinale, care le-au ajutat să îşi satisfacă cerinţele energetice în creştere.
În viitor, echipa de cercetare intenţionează să îşi extindă investigaţia pentru a include alte specii de primate cu diferite dimensiuni ale creierului. De asemenea, cercetătorii speră să adune informaţii mai detaliate despre tipurile de compuşi produşi de microbi şi să colecteze date suplimentare privind caracteristicile biologice ale gazdei, cum ar fi funcţia imunitară şi comportamentul.
De la microb la minte, cine ar fi crezut că drumul către inteligenţa umană a fost pavat nu doar cu mutaţii genetice şi selecţie naturală, ci şi cu sprijinul metabolic al nenumăraţilor aliaţi microscopici din tractul nostru digestiv? Poate că ar trebui să existe o nouă zicală: Când vine vorba de evoluţia creierului, ceea ce contează este ceea ce este în interior (intestinul).
Rezumatul cercetării
Cercetătorii au utilizat un model de şoarece fără germeni pentru a izola efectele microbilor intestinali asupra metabolismului. Laboratorul Northwestern a colectat probe de scaun de la cinci donatori adulţi din fiecare specie (oameni, maimuţe veveriţă şi macaci), le-au verificat dacă aveau un indice de masă corporală normal şi dacă nu au folosit recent antibiotice şi le-au folosit pentru a crea cocktailuri bacteriene specifice fiecărei specii. Apoi au administrat aceste amestecuri de bacterii unor grupuri de zece şoareci tineri şi sterili prin administrare orală. Timp de 60 de zile, au urmărit mai mulţi indicatori metabolici, inclusiv greutatea, aportul alimentar, chimia sângelui, compoziţia corporală (cu ajutorul scanărilor RMN) şi diverse măsurători moleculare atât ale bacteriilor intestinale, cât şi ale funcţiei hepatice a şoarecilor.
Rezultate
Studiul a evidenţiat diferenţe metabolice clare între şoarecii care au primit bacterii intestinale de la diferite specii de primate. Şoarecii cu bacterii intestinale provenite de la oameni şi de la maimuţe veveriţă au prezentat un consum mai mare de alimente, dar o creştere în greutate mai mică, o glicemie mai mare, o activitate crescută a enzimelor hepatice legate de producerea glucozei şi un procent mai scăzut de grăsime corporală. Aceşti şoareci aveau, de asemenea, niveluri mai ridicate de metaboliţi bacterieni specifici (SCFA) cunoscuţi pentru influenţarea metabolismului. În schimb, şoarecii care au primit bacterii intestinale macaque au stocat mai multă energie sub formă de grăsime, deşi au mâncat mai puţin.
Limitările cercetării
Studiul are câteva limitări importante. Donatorii umani proveneau dintr-o singură populaţie cu indice de masă corporală (IMC) scăzut, care ar putea să nu reprezinte diversitatea populaţiei la nivel global. Studiul a utilizat o singură populaţie din fiecare specie de primate, ceea ce ar putea limita generalizarea. În plus, modelul de şoarece, deşi util pentru controlul variabilelor, ar putea să nu reflecte perfect modul în care aceste bacterii intestinale funcţionează în gazdele lor native de primate. Constrângerile bugetului energetic al şoarecilor ar fi putut, de asemenea, să afecteze modul în care au răspuns la bacteriile intestinale umane.
Concluziile studiului
Această cercetare sugerează că bacteriile intestinale ar fi putut juca un rol cheie în facilitarea evoluţiei creierelor mari la anumite specii de primate, ajutând la gestionarea cerinţelor energetice intense ale ţesutului cerebral. Constatările indică faptul că bacteriile intestinale ar putea contribui la crearea unor modele metabolice specifice speciilor care favorizează fie disponibilitatea energiei pentru creier, fie stocarea energiei în grăsimi. Această cercetare deschide noi căi pentru înţelegerea evoluţiei umane, şi a relaţiei moderne dintre bacteriile intestinale şi metabolism.
Finanţare
Studiul a fost finanţat de bursa CIFAR „Oamenii şi microbiomul” şi de Fundaţia Samsung pentru burse de studiu. Cercetătorii nu au declarat interese concurente. Studiul a implicat mai multe aprobări ale comitetului instituţional de îngrijire şi utilizare a animalelor atât pentru studiile cu primate, cât şi pentru cele cu şoareci, precum şi aprobarea subiectului uman de la Consiliul de revizuire instituţională al Universităţii Northwestern.
