自然界那么大 为何唯独"人"进化出如此强悍的大脑

2018-06-14 00:03:15 来源: 网易科学人
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我们很难对人类大脑的进化进行建模,这也说明了一个有趣的事实:大脑在非常特殊的进化条件下实现了扩张。我们的智力不是规定好的,智力是一个非常复杂的过程的结果。如果有一天,我们对塑造人类思维的力量有了更深的理解,我们可能就会意识到我们的智力是多么稀有,不仅在地球上稀有,可能在宇宙中也比较稀有。

出品|网易科学人栏目组 翟中超

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首先向你们表示祝贺,因为灵长类动物拥有如此大的大脑。现在,科学家正在尝试着找出其中的原因。

自然界那么大 为何唯独人进化出如此强悍的大脑

图注:这幅图是根据马特·维姆萨特(Matt Wimsatt)的作品改造而成的。(图/盖蒂图片社)

我们人类的远古祖先露西(Lucy)生活在300万到400万年前,她本身也是阿法南方古猿(Australopithecus afarensis)的著名化石,她的身体结构看上去介于现代人类与动物之间。南方古猿的骨盆和腿骨与现代人的相似,而阿法南方古猿可能会像现代人一样直立行走。但是这两种古猿和现代人在一个非常重要的方面差异巨大,那就是大脑。这两种古猿的大脑尺寸只有现代人类大脑的三分之一!

这是人类进化上的重大问题之一:究竟是什么使得露西们的较小的大脑变成了今天人类的更大的大脑?

巨大的大脑是人类的典型特征。人类的大脑可以算是动物王国里众多组织中最复杂的器官,而且有些科学家还宣称人的大脑是已知宇宙中最复杂的物体!

如果考虑到我们的体型,人类的大脑比想象的还要大很多。弄明白为什么进化会如此钟爱这么大的大脑将有助于解决人类学中最大的难题:这对人类来说意味着什么?是什么使得人类如此独特?

关于人类的大脑,科学家有一些猜想。可能是我们的环境具有挑战性,因此我们进化出更大的大脑来征服这些挑战;也可能是因为我们作为社会性动物在群体中会生存的更好,所以需要更大的大脑处理复杂的社交生活。

这些理论可能在进化中的确起到了作用,但我们仍不清楚哪个在先、哪个更重要。《自然》(Nature)杂志上最近刊登的一篇论文提供了新的视角,科学家正在找寻新办法来解决这个难题。

大脑如此大的三种解释

首先,我们为什么要关心这个问题?我们现在已经有了这么大的大脑,搞清这是怎么来的很重要吗?

苏格兰圣安德鲁斯大学进化生物学家毛利西奥·福雷罗(Mauricio Forero)面对上述问题给出了自己的回答。福雷罗表示了解大脑的进化可能有助于我们更好地理解大脑是如何工作的。

“如果你想了解赛车是如何工作的,那么看过设计师的笔记后你就会容易理解的多,这样就不必自己去拆解验证,会节省不少精力,”该论文的主要作者福雷罗说道。“因此,如果我们想要理解大脑是如何工作的,那么了解清大脑是如何设计的就很重要,”以大脑为例,这意味着我们需要了解自然选择的力量对大脑进化的影响。

到目前为止,针对现代人为何拥有这么大的大脑,进化人类学家列出了三大类解释(三大类解释下还有很多更具体的子理论):

环境:身体上的挑战,如寻找食物、狩猎或是需要记住食物的来源为更大的大脑提出了选择压力(Selective pressure,又称为进化压力)。

社会:与他人互动,无论是合作合作还是竞争,大脑足够大的人竞争压力和合作能力会更强。

文化:那些能够坚持积累知识并能将知识传授给别人的人最有可能繁衍后代。做饭可能就是这些文化因素中一个因素。生物人类学家理查德·兰厄姆(Richard Wrangham)在其2009年出版的《Catching Fire》书中指出,“当人类学会烹饪食物时,我们就获得了更容易消化的卡路里,这就为进化出更大的大脑腾出了能量和时间。

很可能这三个因素都起到了一定的作用,并且还相互影响。但要创造出现在的大脑,这种混合作用必须完全精确。比如说,如果自然选择的压力造就了高度合作,实际上反而有利于形成更小的大脑。你想一下,如果你在很大程度上依赖他人,那你自己就不怎么动脑子了。蚂蚁的合作程度很高,但它们的大脑也不大。蜜蜂也是一样。

而且,事实证明,拥有一个很大的大脑也需要巨大的权衡,主要是因为大脑需要消耗很多的能量。如今,我们身体代谢活动产生的能量大约有20%都输送给了大脑。

“大脑这个组织‘开支很大’,它需要大量的能量,因此必须有一项足以抵消这一劣势的优势来推动这个过程。”马克斯·普朗克进化人类学研究所的进化人类学家西蒙·纽鲍尔(Simon Neubauer)这样写道。

如果选择压力稍有出入,进化可能就会是另一个结果:利用这些能量来增加繁殖,或者让我们更早达到性成熟,或者使我们形成庞大的躯体。但我们把这些能量输送到了大脑。那么,究竟哪个因素对于进化来说最重要呢?

福雷罗的论文表明,相比社会因素,环境因素发挥了更大的作用

通常情况下,要解决“为什么人类的大脑如此之大”这个问题,我们就需要进行相关的研究。人类学家和生物学家研究不同物种的大脑大小,并尝试着推断出更大的大脑会把哪些行为改变(behavioral change)计算在内。例如,许多灵长类动物中,更高水准的社会学习与更大的大脑尺寸密切相关。

从上面一段文字你们估计也会看出来,这种方法有点乱,而且很难从中得出确切的结论。还有,想在人类进化上做实验也几乎不可能,因为你不能找一群人然后把他们放到不同环境压力的岛上来观察他们的进化。

福雷罗和论文合著者另辟蹊径,他们转向数学方法。他们建立了一个计算机模型,这个模型可以展示人类进化的不同情形:一种是所有的选择压力都来自环境,另一种是所有的选择压力都来自社交生活。福雷罗和合著者没有对文化选择压力进行建模,但他们希望在未来的研究中补充上这一点。该模型考虑了进化出更大的大脑所产生的代谢的成本与收益,并和人体其他组成部分的代谢成本与收益做个对比。他们运行这个程序就是想看看,是什么样的混合因素造就了更大的大脑?

根据福雷罗的模型显示,我们拥有如此大的大脑最有力的解释就是环境条件。环境中的挑战,以及社会群体中较少的挑战,导致了人脑的快速扩容。有猜测称我们的进化大多发生在非洲大草原上,因为相比森林,草原上更难找到食物和水源。我们还必须足够聪明以躲避严酷的高温环境。

但是问题依然存在。“如果模型显示恶劣环境促成了人脑的变大,这就又引出了新的问题,为什么是人?为什么不是其他物种?”福雷罗说道。

有很多物种都生活在充满挑战的环境中,有些物种甚至都适应了在完全黑暗的洞穴中生存,但没有一个物种能进化成像人一样在手机上订外卖。或许这就是文化的关键之处,这里的文化是指学习能力与教导他人的能力。我们发现,当我们可以积累关于环境的知识时,我们在充满挑战的环境中生存下来就会变得更容易。

这并不是说其他的社会因素在我们的发展中就没起什么作用,毕竟,我们是高度社会化的群居物种。很可能是进化使我们形成了这种模式。举例来说,如果没有高度的社会合作,很难想象我们将如何分享文化知识。

大脑尺寸谜题依然扑朔迷离

我们可以从这个模型中得出的结论是非常有限的,美国华盛顿大学医学院比较神经生物学家(comparative neurobiologist)艾米·鲍恩芬德(Amy Bauernfeind)说道。模型总是会简化现实。如果我们关于进化的假设能说得通,那么这个模型就算是对这个猜想的数学理解方法,显然,这不是对进化本身的直接观察,所以也就很难用这种方法得出明确的结论。

“现实情况是,大脑进化有许多因素,而且这些因素很难从整体中分离出来。还有,关于‘对进化来说什么因素更重要’这一问题提的一开始就有点过于简单化了,如上文所说,福雷罗他们只列出了具有挑战性的环境和社交生活这两点。”东南路易斯安那大学研究心理演化(psychological evolution)的马修·罗萨诺(Matthew Rossano)在一封电子邮件中写道。

“所有的因素之间都有反馈,”罗萨诺解释道。“学习如何制作新工具能够战胜环境的挑战,还导致了饮食的改变,从而对大脑发育产生影响,进而又作用于妊娠和分娩,这就又产生了社会影响、增加了社会的复杂性,这意味着新的更复杂的工具的出现与饮食的进一步改变,所以合作狩猎出现了,所以社会变迁也出现了。”诸如此类的因素相互作用产生影响。

我们很难对人类大脑的进化进行建模,这也说明了一个有趣的事实:大脑在非常特殊的进化条件下实现了扩张。我们的智力不是规定好的,智力是一个非常复杂的过程的结果。如果有一天,我们对塑造人类思维的力量有了更深的理解,我们可能就会意识到我们的智力是多么稀有,不仅在地球上稀有,可能在宇宙中也比较稀有。

目前为止,大脑尺寸的谜题仍无法解答,但科学家认为这个问题有对应的答案,因为人类的大脑是如此独特、如此复杂,真的不太可能是随机进化的结果!

郭浩 本文来源:网易科学人 责任编辑:郭浩_NT5629
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