고가조직가설

Expensive tissue hypothesis

값비싼 조직 가설(ETH)은 (특히 인간 진화에서) 진화의 뇌와 내장의 크기와 관련이 있다. 그것은 유기체가 기초대사량의 유의미한 증가 없이 큰 뇌를 진화시키기 위해서는 유기체가 다른 값비싼 조직에 에너지를 덜 사용해야 한다는 것을 시사한다; ETH를 소개한 논문은 인간에게 이것은 소화하기 쉬운 식단을 먹고 더 작고 더 적은 에너지를 진화하는 것에 의해 달성되었다고 제안한다.함정에 [1]빠뜨리다 ETH는 영장류와 다른 유기체에서 그것의 유효성을 시험하도록 많은 연구 프로젝트에 영감을 주었다.

인간의 뇌는 다른 동물들에 비해 상대적으로 크기가 크기 때문에 포유동물들 사이에서 두드러진다. 인간의 뇌는 우리의 가장 가까운 친척인 침팬지보다 약 3배나 크다. 우리 몸의 크기의 영장류에게 있어서, 뇌의 상대적인 크기와 소화관의 크기는 다소 의외다; 소화관은 우리 몸의 영장류보다 더 작다. 1995년, 두 명의 과학자들이 고가의 조직 가설을 이용하여 인간의 진화 현상을 해결하기 위한 시도를 제안했다.

오리지널 페이퍼

ETH를 소개하는 원본 논문은 레슬리 아이엘로와 피터 휠러가 썼다. 기초대사량(BMR)과 뇌 크기에 대한 새로운 데이터에 대한 가용성은 정력적인 에너지가 인간의 뇌와 같이 상대적으로 큰 뇌의 유지에 문제가 된다는 것을 보여주었다. 포유류에서, 뇌의 크기는 BMR과 확실히 상관관계가 있다. 이 논문에서, 그들은 인간이 어떻게 더 작은 두뇌를 가진 다른 영장류와 비교할 수 있는 BMR을 유지하면서 그들의 크고 신진대사적으로 비싼 두뇌를 위해 에너지를 가질 수 있었는지에 대해 설명하려고 했다. 그들은 인간의 작은 상대적 장 크기가 더 큰 뇌의 대사 비용을 거의 완벽하게 보상한다는 것을 발견했다. 그들은 계속해서 더 큰 뇌가 더 복잡한 포획 행동을 할 수 있고, 이것은 더 높은 품질의 식단을 야기할 것이고, 그러면 내장이 더 줄어들어 뇌에 더 많은 에너지를 줄이게 될 것이라고 가정했다. 이 연구는 또한 장기의 진화를 고립이 아닌 보다 상호 연결된 방식으로 연구한 사례를 제시하였다.[1]

추가 연구

인류학자들은 인간과 유인원의 조상들 사이의 상대적인 뇌의 크기에서 극적인 대조를 관찰할 수 있었다. 연구들은 뇌의 크기 차이가 인지능력의 주요한 차이들의 기초가 된다는 것을 보여주었다. 이 때문에 뇌조직은 정력적으로 비싸고 쉬는 동안 여러 개의 다른 체조직에 비해 많은 양의 에너지를 필요로 한다. 신체가 어떻게 뇌에 제 기능을 할 수 있는 적절한 양의 에너지를 제공할 수 있는지를 이해하기 위해 과학자들은 이 방정식의 비용 측면을 고려하고 뇌와 내장과 고환과 같은 다른 값비싼 조직들이 어떻게 균형을 이룰 수 있는지에 초점을 맞춘다.[2] 또 다른 가능성은 어떤 거래도 없을 수도 있다는 것이고, 오히려 인간이 뇌에 영양을 공급하고 있는 다른 방법들이 있다는 것이다.

ETH를 둘러싼 학문적 논쟁은 여전히 활발하며, 많은 유사한 시험들을 불러일으켰으며, 모두 뇌화(뇌 크기와 신체 크기 사이의 비율), 내장의 크기 및/또는 식단의 질을 살펴봄으로써 다른 종이나 종의 집단과 ETH를 검증하려고 시도했다. 영장류는 인간과 가장 가까운 살아있는 친척으로, 가설의 자연적인 연장선상에 있으며, 이와 같이 이러한 많은 실험에 의해 조사된다. 그러한 한 연구는 값비싼 조직 가설을 지지했고 식단의 질과 뇌의 크기 사이에 긍정적인 상관관계가 있다는 것을 발견했지만, 그것은 실험된 종들 사이에 예외가 있다는 것을 알아냈다.[3] 영장류와 다른 포유류들을 포함한 광범위한 연구는 뇌와 장 크기 사이에 부정적인 상관관계가 없다는 것을 발견하면서 ETH에 이의를 제기했다. 그러나 그것은 뇌화와 지방 퇴적물 사이에 부정적인 상관관계가 있다는 것을 발견했기 때문에 진화에서 에너지 절충에 대한 생각을 뒷받침했다.[4]

무란이나 물고기와 같이 인간과 덜 유사한 종에서도 연구가 행해졌다. 무리아인의 연구는 실험한 30종의 종 중에서 아이엘로와 휠러가 인간과 영장류에서 발견했듯이 내장의 크기와 뇌의 크기 사이에는 상당한 부정적인 상관관계가 있다는 것을 발견했다.[5] 한 물고기에 대한 연구는 독특한 크기의 뇌를 가진 육식성 물고기 Gnathonemus petersii를 사용했는데, 이것은 그 크기의 물고기의 약 3배 크기였다. 이 연구는 이 물고기들이 다른 비슷한 육식성 물고기들에 비해 내장이 현저히 작다는 것을 발견했다.[5] 이러한 추가 연구들은 ETH에 대한 논쟁을 풍부하게 한다. 황, 유, 리오에 의해 행해진 또 다른 연구는 척추동물들 사이의 값비싼 조직 가설에서 장내 미생물들이 미칠 수 있는 영향을 조사했다. 연구원들은 다양한 공생 내장의 박테리아뿐만 아니라 인간이나 다른 동물들의 소화관에서 공진화된 다른 미생물들을 연구해왔다. 이러한 미생물들은 숙주와 상호적이고 유익한 관계를 형성하도록 진화했고, 면역 기능, 영양, 인간의 생리학에 중요하며, 내장의 어떤 장애도 예를 들어 비만과 같은 위장 기능 장애를 초래할 수 있다. 또한 여러 연구에서 내장 마이크로바이오의 다양성과 구성이 지형적으로나 일시적으로 변화한다는 것을 보여주었다. 특정 박테리아가 숙주의 음식 섭취뿐 아니라 영양과 에너지 대사 사용과도 연관돼 있기 때문이다. 내장에 있는 미생물 풍경의 어떤 변화나 변화는 삶 전체에 걸쳐 여러 가지 복잡하고 역동적인 상호작용을 초래할 수 있다. 또한, 숙주의 선택은 미생물의 다양성과 복잡성과 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 지방이 많이 들어 있는 식단이 박테로이드테의 수준을 증가시키고 아이들의 장에서 Fruidicute의 수준을 감소시킨다는 것을 보여준다. 이 연구는 또한 식단의 질 또한 장 크기와 관련이 있다는 이론을 세웠다.[6]

이 연구는 또한 내장의 크기가 뇌의 크기에서도 공진화를 보였다는 것을 알아냈는데, 부분적으로는 뇌의 크기와 내장이 척추동물 신체에서 가장 정력적으로 비용이 많이 드는 기관 중 하나이기 때문이다. 값비싼 조직 가설에 따르면, 뇌가 큰 척추동물의 높은 에너지 지출은 다른 정력적으로 소비하는 장기의 비슷한 감소에 따라 균형을 이루어야 한다; 이 경우, 그것은 내장의 크기가 된다. 또한 더 큰 뇌를 가진 척추동물이 장 크기와 맞바꿀 때 필요한 에너지 소비량을 균형 있게 조절하기 위해 진화했다는 증거도 있다. 예를 들어, 연구원들은 오미나무개구리[6] 구트 마이크로바이오타타는 숙주의 신진대사에 영향을 미치는 방식으로 식단의 질에 반응하는 것뿐만 아니라, 구피에서 뇌의 크기와 장 크기 사이의 부정적인 상관관계를 발견했다. 예를 들어, 숙주의 에너지 수율을 향상시키거나 대사 경로를 변경하는 것은 뇌의 크기와 내장의 크기 사이의 절충을 촉진하는 주요 과정 중 하나이다. 이 과정은 또한 ETH 가설과 상관관계가 있다. 왜냐하면 추가 식단의 소비로 인해 에너지 입력이 높은 수준에 있을 때 뇌의 크기가 증가하며 전체적으로 일정한 에너지 입력이 증가하기 때문이다.[6] 그러나, 몇 번의 조사 후에, 이 연구는 뇌의 크기가 척추동물의 내장 마이크로바이오와 부정적으로 상관되어 있다는 것을 뒷받침하는 강력한 증거를 찾을 수 없었다.

츠보이 외 연구진이 실시한 유사한 연구는 뇌 크기가 공유 조상과 생태 교란 변수의 영향을 제어함으로써 장 크기와 상관관계가 있다는 명백한 증거를 보여준다. 이 연구는 더 큰 뇌의 진화가 생식 투자가 난자의 크기와 부모의 크기로 증가하는 것과 밀접한 관련이 있다는 것을 발견했다. 이 실험의 결과는 뇌화의 에너지 비용이 내열성 척추동물뿐만 아니라 내열성 척추동물의 뇌 크기 진화에 관여했을 수 있다는 결론을 내렸다.[7] 예를 들어, 코끼리 코 물고기 Gnathonemus petersii와 같은 가정적인 척추뼈는 더 작은 장과 위 크기와 관련이 있는 큰 뇌를 가지고 있다는 것을 밝혀냈다. 그것은 뇌 크기의 진화에 대한 에너지 제약이 적어도 뇌가 높은 열대종에서 발견된다는 것을 시사했다. 게다가, 이 연구는 두뇌 크기의 진화가 난자 크기의 증가와 관련이 있다는 것을 발견했다. 이는 또한 뇌화의 에너지 제약의 존재가 가정체 척추동물에도 적용되고 있음을 보여준다.[7] 그러나 이 연구가 뇌의 크기와 내장의 크기가 서로 부정적으로 상관되어 있다는 것을 증명하는 뚜렷한 증거를 제공했음에도 불구하고, 그것을 증명할 강력한 증거는 없었다. 예를 들어, 콘드리히타이안스 내에서 살아있는 체내 종과 난자를 가진 종에 대해 행해진 대부분의 연구는 모든 가정적 및 외적 척추동물에 걸쳐 일반화될 수 없다.

추가 연구 결과 포유류에서 뇌 질량 잔차와 BMS 잔차 사이에는 확실히 양의 상관관계가 있는 것으로 나타났지만 영장류에서만 그 관계가 유의미하다. 값비싼 조직 가설을 고려할 때, 우리는 에너지 절충 가설이 신체에 어떤 영향을 미치는지도 고려할 필요가 있다. 동물들은 몸 안의 다른 값비싼 조직의 크기를 줄이거나 운동이나 번식에 대한 에너지 할당을 줄일 수 있다.[2]

이 연구는 또한 내장의 크기가 뇌의 크기에서도 공진화를 보였다는 것을 알아냈는데, 부분적으로는 뇌의 크기와 내장이 척추동물 신체에서 가장 정력적으로 비용이 많이 드는 기관 중 하나이기 때문이다. 값비싼 조직 가설에 따르면, 뇌가 큰 척추동물의 높은 에너지 지출은 다른 정력적으로 소비하는 장기의 비슷한 감소에 따라 균형을 이루어야 한다; 이 경우, 그것은 내장의 크기가 된다. 또한 더 큰 뇌를 가진 척추동물이 장 크기와 맞바꿀 때 필요한 에너지 소비량을 균형 있게 조절하기 위해 진화했다는 증거도 있다. 예를 들어, 연구원들은 오미나무개구리뿐만 아니라 그룹의 뇌 크기와 내장의 크기 사이에 부정적인 상관관계를 발견했다.

참조

  1. ^ Jump up to: a b Aiello LC, Wheeler P (April 1995). "The expensive-tissue hypothesis: the brain and the digestive system in human and primate evolution". Current Anthropology. 36 (2): 199–221. doi:10.1086/204350. JSTOR 2744104. S2CID 144317407.
  2. ^ Jump up to: a b Isler K, van Schaik CP (December 2006). "Metabolic costs of brain size evolution". Biology Letters. 2 (4): 557–60. doi:10.1098/rsbl.2006.0538. PMC 1834002. PMID 17148287.
  3. ^ Fish JL, Lockwood CA (February 2003). "Dietary constraints on encephalization in primates". American Journal of Physical Anthropology. 120 (2): 171–81. doi:10.1002/ajpa.10136. PMID 12541334.
  4. ^ Navarrete A, van Schaik CP, Isler K (November 2011). "Energetics and the evolution of human brain size" (PDF). Nature. 480 (7375): 91–3. Bibcode:2011Natur.480...91N. doi:10.1038/nature10629. PMID 22080949. S2CID 205226956.
  5. ^ Jump up to: a b Kaufman JA, Hladik CM, Pasquet P (December 2003). "On the expensive-tissue hypothesis: independent support from highly encephalized fish". Current Anthropology. 44 (5): 705–7. doi:10.1086/379258. JSTOR 10.1086/379258. S2CID 145674535.
  6. ^ Jump up to: a b c Huang CH, Yu X, Liao WB (June 2018). "The Expensive-Tissue Hypothesis in Vertebrates: Gut Microbiota Effect, a Review". International Journal of Molecular Sciences. 19 (6): 1792. doi:10.3390/ijms19061792. PMC 6032294. PMID 29914188.
  7. ^ Jump up to: a b Tsuboi M, Husby A, Kotrschal A, Hayward A, Buechel SD, Zidar J, Løvlie H, Kolm N (January 2015). "Comparative support for the expensive tissue hypothesis: Big brains are correlated with smaller gut and greater parental investment in Lake Tanganyika cichlids". Evolution; International Journal of Organic Evolution. 69 (1): 190–200. doi:10.1111/evo.12556. PMC 4312921. PMID 25346264.