W toku ewolucji presje selekcyjne działające rozbieżnie w przypadku samców i samic doprowadziły u wielu gatunków do wystąpienia poważnych różnic między płciami tak pod względem samej budowy ciała, jak zachowania. Mechanizmy, które leżą u podłoża tych różnic, obejmują między innymi dobór płciowy, rywalizację o zasoby między płciami i podział ról związany z rozmnażaniem się i sprawowaniem opieki nad potomstwem.

Mimo że u wielu gatunków zwierząt stwierdza się pewne różnice w budowie mózgowia uwarunkowane płcią, to istnieje niewiele przykładów ewidentnych różnic w wielkości mózgu między osobnikami przeciwnej płci (występujących obok normalnej zmienności osobniczej).

Na przykład u człowieka mózg mężczyzny jest przeciętnie większy i cięższy niż mózg kobiety. Różnice w wielkości mózgu, jakie występują między kobietami i mężczyznami, nie są jednak zbyt dobrym przykładem dymorfizmu płciowego, ponieważ są proporcjonalne do różnic w wysokości i masie ciała (mężczyźni są po prostu więksi niż kobiety, dlatego mają proporcjonalnie większe mózgi), a więc okazują się nieistotne przy kontrolowaniu efektu wielkości ciała.

Teoria ewolucji podpowiada, że powinny jednak istnieć gatunki, u których te różnice są o wiele większe, a w dodatku mają charakter nie tylko ilościowy, ale i jakościowy. Co pozwala wysunąć taką hipotezę?

Można zakładać, że posiadanie większego mózgowia wiąże się z lepiej rozwiniętymi funkcjami poznawczymi. Dlatego należy oczekiwać, że takie specyficzne dla płci presje selekcyjne, jak budowanie złożonych konstrukcji w czasie zalotów, zapewnianie opieki potomstwu lub przebywanie w złożonych grupach powinny doprowadzić do silniejszego rozwoju mózgu u jednej z płci.

Z drugiej jednak strony posiadanie dużego mózgowia jest dość kosztowne, ponieważ wymaga sporych ilości tlenu i składników odżywczych. Dlatego wykształcenie i utrzymanie stosunkowo dużego mózgu odbija się często na wielkości innych układów, w tym pokarmowego i rozrodczego. Ewolucyjny rachunek zysków i strat nie jest więc w tym przypadku wcale taki oczywisty.

Pięcioro naukowców z Uniwersytetu w Uppsali (Szwecja), Eawag i Politechniki Federalnej w Zurychu (Szwajcaria) i Holar University College (Islandia) postanowiło przyjrzeć się bliżej różnicom w wielkości mózgu między samcami i samicami ciernika (Gasterosteus aculeatus), ryby występującej powszechnie w słonych i słodkich wodach na północy Europy, Azji i Ameryki Północnej. Czy działanie rozbieżnych presji ewolucyjnych mogłoby być na tyle silne, by doprowadzić do wyewoluowania istotnych różnic w wielkości mózgu u obu płci? Wyniki badań zostały opublikowane w PLoS ONE w wydaniu online z dnia 19 stycznia 2012.

"Nasze próbki pochodziły z dwóch różnych populacji ciernika z Jeziora Mývatn na Islandii, które zajmują siedliska odmienne pod względem ekologicznym, różniące się między innymi dostępnością tlenu i temperaturą - naukowcy referują przebieg badań. - Ten gatunek doskonale nadaje się do badań nad zagadnieniem dymorfizmu płciowego w wielkości mózgu, ponieważ obie płcie, zarówno jeśli chodzi o repertuar zachowań społecznych, jak i rodzaj nakładów w toku historii życia, znacznie się różnią. Na przykład, samce budują skomplikowane gniazda, w okresie godowym usilnie zabiegają o względy samicy i samodzielnie zajmują się opieką nad potomstwem, a samice są bardzo wybredne w wyborze partnera i sporo inwestują w produkcję ikry. Ponadto, ponieważ w obu środowiskach występują pewne różnice w przebiegu historii życiowej oraz w przebiegu opieki nad potomstwem, obie populacje stwarzają okazję do prześledzenia powiązań między rozwojem układu nerwowego a innymi czynnikami, znajdującymi się pod wpływem zmiennego środowiska fizycznego".

W wodach Jeziora Mývatn bytują dwie zróżnicowane pod względem genetycznym i morfologicznym populacje ciernika. Jedna z nich żyje w północno-wschodniej części jeziora, gdzie dno zbiornika stanowi skalne podłoże pochodzenia wulkanicznego, woda jest płytka i ma dość wysoką (na skutek zjawisk geotermalnych) i stabilną temperaturę (ok. 23°C), natomiast dostępność tlenu jest stosunkowo niska, a roślinność bardzo słabo rozwinięta. Populacja ta jest wysoce płodna i cechuje się wysokim zagęszczeniem osobników. Druga populacja zajmuje pewne obszary południowej części jeziora, gdzie dno jest pokryte mułem, a głębokość wody jest średnio dwa-trzy razy większa. Ze względu na niższą temperaturę wody dostępność tlenu jest tu znacznie lepsza, ale jednocześnie występują tu większe wahania temperatury (4-18°C). Populacja z południowej części jeziora jest wyraźnie mniej płodna, a jej zagęszczenie pozostaje znacznie niższe i podlega silnym wahaniom.

Po okresie hodowli w kontrolowanych warunkach, przypominających warunki występujące w naturalnych siedliskach, z mózgowia ryb sporządzono preparaty, na których podstawie dokonano pomiarów wielkości mózgu samców i samic pochodzących z obu populacji.

Okazuje się, że w przypadku ciernika z Jeziora Mývatn samce mają istotnie większe mózgowie niż samice, przy czym efekt płci był istotny również wówczas, gdy kontrolowano wpływ wielkości ciała. Mózgowie samca ciernika jest o blisko 23% cięższe od mózgowia samicy.

Wyniki pomiarów wskazują również, że wielkość mózgu samców zależy od rodzaju siedliska. Samce z północno-wschodniej, ciepłej części jeziora mają istotnie cięższe mózgowie niż samce z jego południowej, chłodniejszej części.

"Wykazaliśmy, że mózgowie samców ciernika z Jeziora Mývatn jest znacząco większe (ok. 23%) niż mózgowie samic - naukowcy podsumowują wyniki badań. - To odkrycie wskazuje, że siły rozbieżnego doboru naturalnego i/lub płciowego mogą spowodować wystąpienie różnic w wielkości mózgu nie tylko między gatunkami, ale również między płciami jednego gatunku. Ograniczenia metodologiczne naszych badań pozwalają nam jedynie spekulować na temat ewolucyjnych przyczyn dymorfizmu płciowego w mózgu, jednak naszym zdaniem dymorfizm płciowy w wielkości mózgu wynika z wysokich wymagań, jakie stawia przed samcami zwabianie partnerki i zajmowanie się potomstwem. W przypadku cierników samce budują skomplikowane gniazda i same opiekują się ikrą i narybkiem, a podczas zalotów prezentują wyszukane sygnały wzrokowe, wykorzystując do tego ozdobne ubarwienie".

Ten bogaty repertuar złożonych zachowań wymaga zdaniem badaczy stosunkowo silnie rozwiniętych zdolności poznawczych, a przetwarzanie większej ilości informacji wymaga bardziej rozwiniętego układu nerwowego. Samice ciernika inwestują natomiast spore zasoby w rozwój układu rozrodczego i produkcję dużej ilości ikry - gonady mogą odpowiadać nawet za 40% masy ciała samic.

Jakie jest z kolei ewolucyjne wytłumaczenie różnic w wielkości mózgowia, stwierdzonych między samcami z różnych części jeziora? Autorzy badań przypuszczają, że są one związane z większą presją selekcyjną działającą na samce w silnie zagęszczonej i stabilnej populacji, przyznają jednak że w tej kwestii potrzebne są dalsze i bardziej szczegółowe badania.

Referencje dokumentu: Kotrschal A, Räsänen K, Kristjánsson BK, Senn M, Kolm N (2012) Extreme Sexual Brain Size Dimorphism in Sticklebacks: A Consequence of the Cognitive Challenges of Sex and Parenting? PLoS ONE 7(1): e30055. doi:10.1371/journal.pone.0030055

W ramach obchodów Dnia Mózgu 2012 na Wydziale Biologii Uniwersytetu Gdańskiego 16 marca b.r. odbędą się warsztaty "Mój mózg jest kobietą czy mężczyzną? Czy każda płeć ma inny mózg?". W ramach warsztatów planowana jest prezentacja różnic w budowie i funkcji mózgu kobiety i mężczyzny oraz testy na płeć mózgu. Warsztaty ogólnodostępne - bez rezerwacji. Racjonalista objął Dzień Mózgu 2012 w Gdańsku patronatem medialnym.