[논문 리뷰] Selection for smaller brains in Holocene human evolution

John Hawks|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 28.

Pleistocene-Era Hominins and Archaeology참고 문헌 23인용 수 33

한 줄 요약

이 연구는 최근 10,000년 동안 관측된 인간 뇌 크기 감소가 신체 크기 감소와의 유전적 상관관계 때문인지 여쭤본다. 인간과 영장류 데이터로부터 유도된 정량적 유전 모델과 표현형 상관관계를 사용하여, 신체 크기 감소만으로는 뇌 크기 감소의 정도를 설명할 수 없음을 발견하였으며, 이는 뇌 크기 자체나 그와 밀접하게 관련된 특성에 대한 직접적 선택이 있을 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Background: Human populations during the last 10,000 years have undergone rapid decreases in average brain size as measured by endocranial volume or as estimated from linear measurements of the cranium. A null hypothesis to explain the evolution of brain size is that reductions result from genetic correlation of brain size with body mass or stature. Results: The absolute change of endocranial volume in the study samples was significantly greater than would be predicted from observed changes in body mass or stature. Conclusions: The evolution of smaller brains in many recent human populations must have resulted from selection upon brain size itself or on other features more highly correlated with brain size than are gross body dimensions. This selection may have resulted from energetic or nutritional demands in Holocene populations, or to life history constraints on brain development.

연구 동기 및 목표

• 홀로세 동안 인간 뇌 크기 감소가 감소하는 신체 크기와의 유전적 상관관계 때문인지 여부를 검증하는 근본 가설을 시험한다.
• 두개골 내 적출 부피의 관측된 변화가 신체 질량 또는 신장의 동시 감소로 설명될 수 있는지 평가한다.
• 정량적 유전 모델을 사용하여 신체 크기의 진화에 대한 뇌 크기 진화의 타당성 여부를 평가한다.
• 현재 인간과 영장류에서의 표현형 및 유전성 추정치가 신체 크기 가설을 지지하는지 여부를 판단한다.

제안 방법

• 신체 질량 또는 신장에 대한 선택으로 인한 두개골 내 적출 부피의 예상 변화를 추정하기 위해 정량적 유전 모델을 적용하였다.
• 인간 집단과 비인간 영장류에서 뇌 크기와 신체 질량 간의 표현형 상관관계 값(r ≈ 0.29)을 사용하였다.
• 쌍둥이 뇌 MRI 연구에서 유도된 유전성 추정치(뇌 부피의 경우 최대 0.97)를 활용하여 유전적 상관관계 효과를 모델링하였다.
• 관측된 100–150 ml의 두개골 내 적출 부피 감소를 유도하기 위해 필요한 신체 질량 감소량을 계산하였으며, 그 결과 34 kg 감소가 필요하다는 것을 발견하였다.
• 서구화된 인구에서의 편향을 평가하기 위해 인간 데이터와 영장류 데이터(baboons, rhesus macaques)를 비교하였다.
• 표현형 및 유전성 상관관계의 보수적인 추정치를 사용하여 신체 크기가 뇌 크기에 미치는 영향을 과도하게 과대평가하지 않도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근 10,000년 동안 관측된 인간 두개골 내 적출 부피의 100–150 ml 감소는 동시 발생한 신체 질량 또는 신장 감소로 설명될 수 있는가?
• RQ2 뇌 크기와 신체 크기 간의 유전적 상관관계가 관측된 뇌 크기 감소를 설명하는 데 얼마나 충분한가?
• RQ3 기존의 표현형 및 유전성 상관관계를 고려할 때, 관측된 뇌 크기 감소를 유도하기 위해 필요한 신체 질량 감소량은 어느 정도인가?
• RQ4 현재 인간 집단과 비인간 영장류에서의 표현형 및 유전성 추정치가 신체 크기 가설을 지지하는 데 충분한가?
• RQ5 홀로세 기간 동안의 뇌 크기 감소 속도는 단지 신체 크기 변화로 예측되는 것보다 빠른가?

주요 결과

• 최근 10,000년 동안 신체 질량이 5 kg 감소했다면, 두개골 내 적출 부피는 22 ml 감소할 것으로 예측되며, 이는 관측된 100–150 ml 감소보다 훨씬 낮은 수준이다.
• 관측된 뇌 크기 150 ml 감소를 설명하기 위해서는 신체 질량이 34 kg 감소해야 하며, 이는 추정된 실제 감소량의 다섯 배 이상이다.
• 뇌 크기와 신체 질량 간의 표현형 상관관계(r ≈ 0.29)는 너무 낮아서, 단지 유전적 상관관계로는 관측된 뇌 크기 감소를 설명하기에는 부족하다.
• 인간의 뇌 부피 유전성(최대 0.97)은 비인간 영장류(예: 번개원숭이에서 0.52)보다 높으며, 이는 인간에서 뇌 부피에 대한 더 강한 유전적 통제가 있음을 시사하며, 이는 신체 크기 가설을 더욱 약화시킨다.
• 영장류에서 뇌 크기와 신체 크기 간의 표현형 상관관계(r = 0.16–0.54)는 인간 범위 내에 포함되어 있어, 영장류 데이터를 보수적인 기준점으로 사용하는 데 타당성이 있다.
• 이 연구는 관측된 추세를 설명하기 위해 뇌 크기 자체에 대한 선택 또는 뇌 크기와 더 강하게 관련되어 있지만 신체 크기와는 덜 관련된 특성에 대한 선택이 필요하다고 결론내린다.