Wat fossiele tanden ons vertellen over de ontwikkeling van het menselijk brein

Fossiele beenderen bieden informatie over wat onze menselijke voorouders honderdduizenden jaren geleden deden. Maar hoe kunnen we meer te weten komen over de zwangerschappen van toen? Dat is een belangrijke onderdeel van de levenscyclus die geen duidelijke fossiele sporen nalaat.

Onze hersenen zijn heel groot in verhouding tot ons lichaam. Dat is typisch voor onze soort, de Homo sapiens. Daarom zijn de zwangerschap en draagtijd bijzonder interessant voor paleoantropologen zoals ik. Onze grote schedel maakt de bevalling erg moeilijk. Anderzijds hebben de grote hersenen binnenin de schedel ervoor gezorgd dat we het zo ver geschopt hebben.

Mijn collega’s en ik zijn bijzonder geïnteresseerd in hoe snel de hersenen van onze voorouders groeiden voor de geboorte. Is die snelheid vergelijkbaar met de foetale groei van hersenen vandaag de dag? Als we onderzoeken wanneer de prenatale ontwikkeling en de zwangerschap meer menselijk werden, kan duidelijk worden wanneer en hoe de hersenen van onze voorouders meer op die van ons begonnen te lijken, en minder op die van hun aapachtige verwanten. 

Om de evolutie van prenatale groei te bestuderen, hebben we ons toegelegd op de ontwikkeling van de tanden tijdens de zwangerschap, aangezien tanden fossielen kunnen worden. Door middel van een zelfgemaakt wiskundig model, op basis van de relatieve grootte van kiestanden, konden we evolutionaire veranderingen vaststellen in de prenatale groei. Volgens ons model begonnen de zwangerschappen van onze voorouders zo’n 1 miljoen jaar geleden meer op die van de mens en minder op die van apen te lijken.

De zwangerschap en de draagtijd zijn belangrijke facetten in het leven van de mens. Ze sturen de groei en ontwikkeling van de foetus en bepalen onze biologische levensloop.

Tegelijk vergt de menselijke zwangerschap, en vooral de bevalling, enorm veel energie en is vaak gevaarlijk. Het grote foetale brein heeft heel veel nutriënten nodig tijdens de groei. De embryonale, of prenatale ontwikkelingssnelheid vergt een enorme metabolische en psychologische inspanning van de zwangere. Bovendien moeten het hoofd en de schouders van de baby door het nauwe bekkenkanaal passen, wat tot de dood van zowel de moeder als het kind kan leiden.

Tegenover al die mogelijke nadelen van ons grote hoofd staat wel een heel groot voordeel. Dankzij het grote menselijke brein hebben we talloze talenten en vaardigheden ontwikkeld. De evolutie van onze grote hersenen heeft bijgedragen aan de dominantie van onze soort en aan de capaciteit om technologie en andere werktuigen te gebruiken. We hebben er ook onze creativiteit en het vermogen om te overleven in verschillende gebieden aan te danken.

De timing en de volgorde van gebeurtenissen die tot de ontwikkeling van onze grote hersenen hebben geleid, zijn verbonden met ons vermogen meer hulpbronnen te vinden en te verwerken, bijvoorbeeld door samenwerking en het gebruik van werktuigen.

Door de veranderingen in prenatale groei te bestuderen, kunnen we ook veranderingen onderzoeken in de manier waarop ouders voedsel en andere hulpbronnen verzamelden, en hoe ze die onder hun kinderen verdeelden. Het toenemende aantal voedselbronnen zou hebben bijgedragen aan de evolutie naar grotere hersenen. Als we kunnen uitzoeken wanneer prenatale groei en de zwangerschap meer menselijk werden, kunnen we tegelijkertijd achterhalen wanneer en hoe de hersenen ook meer op de onze begonnen lijken.

De prenatale groeisnelheid van de mens is met 11,58 gram per dag de snelste van alle primaten die vandaag leven. Het volwassen lichaam van een gorilla bijvoorbeeld, is veel groter dan dat van een volwassen mens, maar de prenatale groeisnelheid van de gorilla is slechts 8,16 gram per dag. Aangezien meer dan een vierde van het menselijk brein zich ontwikkelt tijdens de zwangerschap, is de prenatale groeisnelheid rechtstreeks verbonden met de groei van het volwassen brein. Hoe en wanneer de hoge prenatale groeisnelheid van de Homo sapiens zich ontwikkelde, was tot kort een mysterie.

Onderzoekers bestuderen al eeuwen de verschillen in fossiele overblijfselen van menselijke schedels. Helaas kunnen hersenen niet fossiliseren. En zwangerschappen en de prenatale groeisnelheid al helemaal niet.

Mijn collega’s en ik begonnen na te denken over de zeer vroege vorming van tanden in de baarmoeder. De permanente volwassen tanden beginnen zich lang voor de geboorte te ontwikkelen, wanneer de foetus slechts twintig weken oud is. Tandglazuur is voor meer dan 95% anorganisch, en de grote meerderheid van alle fossiele gewervelden bestaat uit of bezit tanden.

Daarop voortbouwend besloten we het verband tussen de prenatale groeisnelheid, de hersengrootte, en de lengte van de tanden te onderzoeken.

We maten de tanden van 608 recent gestorven primaten in skeletcollecties overal ter wereld. We vergeleken de afmetingen met de groeisnelheid die we voor elke soort hadden berekend aan de hand van de duur van de zwangerschap, en de grootte van de primaat bij de bevalling. We namen ook het endocraniale volume (hoeveel ruimte er is binnenin de schedel) in acht, als maatstaf voor de hersengrootte.

We stelden vast dat de prenatale groeisnelheid bij zowel apen als mensapen voor een groot deel verbonden is met de volwassen hersengrootte en de relatieve tandlengtes.

Aangezien prenatale groei zo nauw verbonden is met de relatieve tandlengtes, konden we die statistische verhouding gebruiken om een wiskundige vergelijking op te stellen om de prenatale groei te voorspellen op basis van enkel de tanden. Zo kunnen we op basis van een aantal fossiele kiestanden van uitgestorven soorten vaststellen hoe snel hun nakomelingen groeiden in de baarmoeder.

Met deze nieuwe methode hebben we de prenatale groeisnelheid van 13 fossiele soorten kunnen reconstrueren, en een tijdlijn kunnen maken met daarop de veranderingen doorheen 6 miljoen jaar waarin mensen en hominiden evolueerden. ‘Hominiden’ zijn alle soorten aan de menselijke kant van onze stamboom die zich 6 tot 8 miljoen jaar geleden splitsten van onze gemeenschappelijke voorouder, die we delen met de chimpansee. Uit nieuw onderzoek blijkt dat doorheen de hominide evolutie de prenatale groeisnelheid is toegenomen. Minder dan 1 miljoen jaar geleden overtrof die de prenatale groeisnelheden van alle gekende apensoorten en begon de groeisnelheid meer op die van mensen te lijken.

Een volledig menselijke prenatale groeisnelheid dook slechts 200.000 jaar geleden op bij onze soort, de Homo sapiens. Andere hominide soorten die de afgelopen 200.000 jaar leefden, zoals de Neanderthalers, kenden ook menselijke prenatale groeisnelheden. Welke genen de veranderingen in groeisnelheid beïnvloedden, moet nog onderzocht worden.

Met behulp van de nieuwe vergelijking ontdekten de onderzoekers dat de prenatale groeisnelheid toenam gedurende miljoenen jaren van evolutie. Credit: Tesla Monson.

Zelfs met slechts een paar tanden en een beetje kaakbeen, kunnen getrainde experten talloze zaken vaststellen over een uitgestorven individu: wat voor soort het was, wat voor voedsel het at, of er gevochten werd om een partner te vinden, de leeftijd toen het individu stierf, of het ernstige gezondheidsproblemen had, en nog veel meer.

Aan dat lijstje kunnen we nu de kennis over de zwangerschap van het individu en alle soortgenoten toevoegen. Door de toenemende hersengrootte, kunnen tanden zelfs indirect wijzen op de ontwikkeling van het menselijk bewustzijn. 

Opvallend is dat volgens ons model de prenatale groeisnelheid toenam lang voordat de eerste Homo sapiens opdook. We kunnen aannemen dat een snelle prenatale groeisnelheid noodzakelijk was voor de groei van grote hersenen, en voor de ontwikkeling van het menselijk bewustzijn en andere cognitieve vaardigheden.

Mogelijk kan dit onderzoek in de toekomst het antwoord bieden op deze en nog vele andere vragen.

Dit artikel verscheen eerder in The Conversation.

Vertaling: Laura Struys