1. 冷知识网首页
  2. 科学

为什么人脑如此巨大

我们的脑并非从一开始就拥有如此庞大而繁复的美丽结构。虽然说从原生浆液分化出来之后,它确实发生了惊人的变化,但这些变化不是一夜之间完成的。远在我们最古老的祖先行走在这个星球之前,这一神奇的器官就已经开始了进化,并足足花费了数十亿年时间。

在深入探讨我们的脑究竟做了些什么、是否需要脑的全部之前,我们打算在时间上后退一步,思考为什么人脑会发展成现在这样。了解脑的进化过程,有助于我们确定哪些部分是最重要的(以及哪些部分最不重要),我们为什么成了今天的样子。从远古时代的祖先发展至今,人脑已经增大了很多,但现在又开始进入萎缩阶段了。人脑是如何进化的?我们如何与其他物种相比较?

从最原始的时候开始吧(这是一个很适宜的开始)

地球刚开始孕育生命时,我们所知的“脑”并不存在。地球上的一切生物都是从微小的细菌进化而来,它们没有清晰可辨的脑,就这样存在了几十亿年。然而,随着时间推移,进化垂青于那些能够找到营养、规避风险的有机体,于是这些原始生物开始渐渐演变出更神奇的东西。这些“东西”首先需要发展出一套控制系统,用来执行更复杂的行为(而不仅仅是对刺激的即时性反应)。又过了很长时间,更优秀的协调功能出现了,可以让生物体协调自己的行为与其他同类的关系。

神经系统缓慢地进化着,一部分细胞(神经元)成为专门携带信息的载体,发展出了长长的突起(轴突),通过突触与其他神经元细胞相连接。随着神经系统的进化,脑开始成为控制中心。神经元成群聚合在一起,组成了中枢神经系统,能够进行更复杂的信息处理,使动物能够以更精细的方式移动身体、应对环境。

脑慢慢变得越来越大、越来越高级。从进化论的角度来看,人脑中最古老的部分负责维系生命,包括控制我们的呼吸、心率、体温和平衡。读到这里时,你或许已经猜到这些部分(关于这些部位,我们将在第2章展开讲解)现在仍存在于我们脑中了。后来进化出来的那些更新、更有趣也更复杂的结构,则有助于不断提升人脑的功能。

最后,学习和记忆的能力得以发展,神经处理信息越来越高效。当脑接触到更大量的视觉、听觉及其他感觉信息输入,一种叫“新皮质”的东西(接下来我们将称之为“脑皮层”)就出现了。这是人脑最近一次的更新,常被认为对人类智能起决定性作用。脑皮层能够激活复杂的活动,特别是社会性行为。因此,它的出现为更复杂的运动、有意识的思考与判断以及最终形成的语言铺平了道路。

正如你所想象的,地球上出现的第一批哺乳动物(约在2亿年前)脑皮层非常小。其中一部分哺乳动物来到树上生活,为了适应新的生活方式,他们需要更好的协调能力才能活动自如,拥有更好的视力才能捕捉快速移动的猎物(如昆虫)。只有那些对树上生活适应得最好的个体,才有机会将自己的基因优势传递下去,这使得脑皮层的视觉部分开始扩展。脑的各个部位之间更复杂的连接建立起来之后,哺乳动物(尤其是灵长类动物)才能够以更复杂的方式行事。

所以你可以看到,在人科动物(包括所有已经灭绝或仍然存续的类人猿品种,也包括人类)出现之前,脑已经走过了漫长的发展之路。虽然现代人类最早的祖先生活在大约六七百万年前,但早在我们出场之前,就有许多种人科动物匆匆出现而又消弭无踪。现代人(智人)仅仅存在了20万年。那么,这么漫长的时间里,猿人都在做些什么?更重要的是,猿人的脑子发生了什么变化?

浅谈进化论

在仔细观察人脑的变化过程,思考它如何成长为惊人的能量宝库之前,先谈一谈进化论的工作原理吧。查尔斯·达尔文(Charles Darwin)运用他著名的脑子,友善地为我们提出了著名的进化论思想。1859年,他出版了鸿篇巨制《物种起源》(On the Origin of Species),在这本书中提出了著名的假说:进化是自然选择的过程。随着时间推移,代与代之间的物理特性或行为特征遗传,最终导致了生物体的改变。有益的改变使生物能够更好地适应环境,茁壮成长,这有助于增加其生存与繁衍的机会。动物王国中数不胜数的各类物种都在随着时间进化,能力越来越复杂,物理形态也变得越来越精细。然而,值得注意的是,进化并不一定是线性的。改变可以在任何时间、以任何方式发生,那些被证明有利的变化可能会在另一个方向上走出岔路,最终创造出一些全新的事物,而不是对旧事物的改良。例如,虽然我们知道自己和其他灵长类动物血缘亲近,并且时常狂妄地自认为是比它们更复杂的升级版,实际上,现代人类并不是从猿猴进化而来。正如我们所知,今天仍有许多种猿猴好好地生活在地球上。现代猿猴与现代人类由同一个远古的祖先进化而来,只是在进化过程中走向了不同的分支。

从最古老的祖先开始,人脑究竟何以进化至今?为了回答这一问题,我们需要一些证据。不幸的是,并没有那么多史前的脑留给我们解剖、扫描和询问。脑在很多方面都非常优秀,但却十分不适宜变成化石。不过,脑忠诚的卫士——头骨,却在这方面表现得颇为出色。因此,研究人员往往会通过测量头骨的大小和形状,估算出脑随着时间推移而发生的变化。古代文物也有助于构建早期人类生活的图景,从而帮助研究人员推断他们的脑的能力范围。同样,我们也能通过理解远古祖先的生存、发展与行为所需要的功能和能力,尝试去推断他们脑的变化。值得注意的是,许多依据化石记录而提出的脑进化理论仍存在不少争议,与此同时,新理论也在不断涌现。尽管无法确定精确的进化之路,但从我们对各种人科动物颅骨的研究来看,不可否认的是,我们的脑的尺寸不断变大,形状也发生了变化。

穿过时间的迷雾,我们的脑曾是什么样子?

直立行走以来,人类的脑真的发生了很大的变化吗?人类的家族树中,最早的人种之一(距今约六七百万年)被称为乍得沙赫人(Sahelanthropus tchadensis)。直到2001年,人们才发现了一个乍得沙赫人的化石遗骸。由于只找到了头骨碎片,只能估计它的大致尺寸。经过推测,人们认为它的头骨和大脑比现代黑猩猩略小。为了便于大家理解与想象,我们再解释一下,人类的脑比黑猩猩大3.5倍。好吧,我们知道这只是一个化石,但它似乎表明了随着时间推移,脑的体积出现了大幅增长。然而,为了进一步说明这一情况,我们需要对过去几百万年发生的事情进行更多的细节描绘。

后来,一个被称为南方古猿(Australopithecus)的群落发展出了一套具有优势的特征组合,现代的猿类和人类都继承了这些特点:直立行走的能力,长长的胳膊和可以弯曲的手指(有助于更稳地爬树)。有些研究者认为这种进化有助于南方古猿的生存与发展,因为如此一来,在环境与气候发生变化时,它们既能在树上生活,也可以长住地面。距今约320万年前,南方古猿中有一支被称为南方古猿阿法种(Australopithecus afarensis species)的种群,其中一个非常著名的个体,我们将其命名为“露西”。

露西坐在一棵树上(位于如今的埃塞俄比亚),为下一顿饭犯愁时,怎么也不会想到有朝一日自己会成为整个物种里最著名的一位——事实上,她是全世界最著名的化石之一。露西被发现于1974年,这彻底改变了我们对人类起源的理解。在当时,她不只是已知最古老的化石,也是最完整的之一,这激起了公众的想象力。看着她的骨架化石,现代人可以想象、惊诧于这样一种小小的、类人的生物曾与我们共享同一个地球——虽然是在几百万年以前。

要做到地面与树上两栖,意味着露西及其同类的脑必须有所变化。与更早期的物种相比,他们的脑处理的信息和给予身体的指令可能更复杂,这也迫使他们升级心理禀赋。与现存的猿类相比,虽然我们的远古祖先的脑尺寸相近,但脑结构存在差异,比如说,他们的皮层开始扩张,这说明更高级的功能正在发展。

尽管我们家族树的下一个分支——傍人属(Paranthropus),在脑的尺寸上已经出现了小小的进步,但直到人属(Homo)出现,脑才发生了能够检测到的重要变化。

1955年,我们将人属定义为与现代人最接近的种属,是一种直立行走的双足动物,能够灵巧地使用石制工具。人属中的第一种被称为能人(Homo habilis),以能够制作工具而得名。这一种群生活在240万至140万年前,脑体积约600立方厘米,大约是现代人脑的一半,比南方古猿则大了0.5倍。一些研究者认为能人不是独立人种,仅仅是下一种人科动物——直立人(Homo erectus)的变异种。然而,不管是不是独立人种,这一新种属的脑中都出现了可观察的变化。能人的化石显示他们的脑略有增大,其中主管语言的脑区“布洛卡区”(Broca’s area)也有所扩大。这表明他们已经开始互相交流,虽然我们不能确认,发展出来的是不是我们所认知的语言。

真正的直立人样本拥有更大的脑。据估计,直立人的脑体积约为900立方厘米,与此前的能人相比明显更大,但仍然远不及现代人。

能够制造和利用工具,使我们的祖先得以从更多样化、更高能量的饮食中受益。从用火烹制肉类开始,他们能够获取更多的营养。研究已证实,熟肉比生肉营养价值更高,同时也更容易咀嚼、消化,要获得同样的能量,需要的熟肉远比生肉分量少。这意味着我们的远古祖先不再需要那么大的肠道(在消化食物时会消耗大量能量),随着时间推移,这部分解剖结构变小,释放出更多能量用以扩展脑。与其他人科动物相比,现代人类的肠道非常小,体积只有它们的60%。然而,我们的脑比较大,需要占用多得多的能量,这意味着我们必须拥有能量更密集的饮食,才能获得有效运转所需的燃料。哈佛大学灵长类动物学家理查德·兰厄姆(Richard Wrangham)认为,在190万年前,我们的身体表现出了对烹饪方式的适应性发展,这是我们与其他灵长类动物的关键分水岭。

现代人类的祖先智人(Homo sapiens)并不孤单。其他人种曾与智人并存,而后却走向消亡,如尼安德特人(Neanderthals)与海德堡人(Homo heidelbergensis)。这些人类的表亲已经存在了几千年,进入智人时代后,还共同生活了一段时间。有趣的是,尼安德特人比现代人矮而粗壮,脑却跟我们差不多大,有时甚至比我们更大,只不过他们的脑部形状更长一些。研究人员发现,现代人和尼安德特人出生时都拥有相对较长的颅骨,但现代人的头骨会在成长过程中发展成球形,尼安德特人则不会。基于头骨形状的不同发育趋势,研究者推测,出生之后,现代人的脑发育模式与尼安德特人有很大不同,这可能与二者之间的认知差异相关。

越来越大,越来越大,越来越大……

与最早的祖先相比,我们的脑足足扩大了3倍。然而,脑尺寸的增长速度并不是恒定的。在现代人类产生之前,进化的速度相对较慢;而其后,现代人类进化速度加快,直到成就如今的伟大模样。

脑进化过程中的早期变化耗费了数百万年,直到距今20万至80万年左右,脑尺寸才开始迅速扩大。人们认为,这种快速的变化与剧烈的环境变迁有关。从非常潮湿到非常干燥,重大的气候变动让环境变得难以预测。有人认为,对于某个物种而言,更大、进化度更高的脑可能更容易适应环境的剧烈变化与循环,既能度过饥荒岁月,也能度过丰收年代。也许,能够适应环境的人才能在严峻挑战中生存下来,为了在不同条件下生存,他们可以改变自己的行为。这说明他们的脑有解决问题的能力,比如使用不同方式去寻找食物或住所。这可能也说明他们的记忆力更好,更容易记住和辨认食物或住所的迹象、位置,哪怕不是在自己熟悉的环境里。

也许这样的个体更适宜相互交流、合作,共同生存。他们的脑在驱动自动化的身体功能方面(如体温调节)可能更有效率,因此就更容易存活。当然,他们也能有效地繁殖和养育后代,从而将优势传递下去——进化就是这样发挥作用的。关于有利性状会给个人带来什么样的优势,有许多可能的理论解释。

虽然我们还不知道早期人类的脑最初为什么开始扩大,但我们确实可以看到,物种进化过程中存在生理结构和能力上的变化。我们的脑一直在增长,我们的身体也一直在进化,我们长得越来越高,体毛越来越少。与我们的古老祖先和同时代表亲相比,现代人类进化出了更轻盈、更细长的骨架,和包裹在薄薄头骨中的巨大的脑。我们的面部特征更精细,牙齿更小。所有的发展都伴随着我们的生活改变,这些结构变化是为了更好地适应我们的需求。当我们越来越适应在地面上生活,越来越擅长建造住所、与邻居和谐相处(能够组织社区烧烤、一起喝咖啡),我们对攀爬、战斗所需的体力要求就降低了。当我们能够开发出工具去做一些工作(如用刀切肉,学会烹饪),让食物变得更容易咀嚼,我们的颌骨和牙齿就变小了。随着我们的颌骨占头颅的比例变小,颅骨就拥有了更大的空间来容纳脑。

终于我们的祖先等到了这样的机会,不再只关注生存,能力与兴趣开始升级,开始能够利用环境来改善生活,从而带来更强的生存优势。早期人类学会了制造和使用工具,这反过来又使他们能做更多其他有益的事情,如发现火种,学会利用火来取暖、烹饪。随着认知能力的发展,他们学会了群体生活,也许还可以有效沟通、谈判并创造社会结构。随着精细运动技能与思维过程的发展,工具、衣物及其他人造物也渐趋复杂。事实证明,早期智人生产的工具比生活在同时代的其他人种都更先进。与此同时,洞穴壁画也说明智人创造了艺术。驯养动物,发展农业、交通、贸易以及建构复杂社会结构,都建立在脑的复杂化这一基础上。可以想象,人类历史上的所有发展都必须随着脑的进步才能实现。

如你所见,脑的变化并非仅限于尺寸变大,它还在不断建构新能力、扩展最有用的关键区域。究竟是脑的进化导致新能力出现,还是新能力激发了脑的进化,目前还无法定论。然而,随着人脑的进化,认知功能不断升级,许多基本功能也随之转化。随着脑中的一些区域变得越来越重要,(在很多代人的逐渐进化中)另一部分区域很可能会被牺牲掉,变得越来越不重要。例如,与侵略性及其他原始能力相关的脑区,就不再那么突出了。有些人的原始能力相关脑区较小,却可能在另一层面拥有更大的脑区和能量——用以支撑更复杂的认知功能、更精细的运动能力,从而获得生存和择偶上的优势。那些能够更有效地沟通、谈判的个体,在制造物品、狩猎或保护自己等方面,都可能比偏重于原始能力的同类更有生存优势。

砰!泡沫炸裂

一切美好事物终将结束。人脑的现代模式至少在20万年前就已经出现,体积最终达到了庞大的1500立方厘米,在此之后,似乎就停止了增长。你可能会认为从此就万事大吉,我们的脑会一直顺利地匀速发展。可事实并非如此。在长达约19万年的时间里,人类都沐浴在生理上风平浪静的时光里,并不知道浪潮即将来临——我们的脑开始萎缩了。与脑体积的峰值相比,我们这个物种的脑体积已经下降了大约100至150立方厘米,相当于一个网球的大小。在过去的10000至15000年间,我们的头身比显著下降,这是为什么呢?是因为我们的脑适应了生活方式的变化,不再需要这么庞大的形态吗?也许现在的脑可以更有效地处理信息——在某种角度上我们可以用手机来类比,以前的手机体积巨大、功能有限,现在的手机则越来越趋于轻薄而功能强大。

威斯康星大学麦迪逊分校的古人类学家约翰·霍克斯(John Hawks)认为,人脑体积的下降确实是我们变得越来越聪明的标志。由于庞大的脑需要许多能量来运转,因此,体积更小、更简化的脑,可以更高效、更强大,它虽然需要较少的能量,却可以承载更强的认知能力。然而,也有一些学者假设,如果我们的脑比现在更大,也许可以有更强大的功能。荷兰神经科学研究所的米歇尔·霍夫曼(Michel Hofman)认为,在体积为3500立方厘米(相当于现代人脑的两三倍)的情况下,人脑可以到达处理能力的顶峰。他认为,超过了这一临界值之后,脑变得越大,效率越低,从而限制了认知能力的提升。因此,至少根据这一理论,脑还应该继续生长。

如果如霍夫曼所言,那我们身上发生了什么?也许,随着生活改变,我们不再使用脑原本设计的全部功能,根据“用进废退”原则,人脑就会随之衰退。一部分研究者认为脑的缩小是我们这一物种认知衰退的标志。

密苏里大学的研究者们调查发现,随着智人面对的社会环境日益复杂,其颅骨大小也发生了变化。他们发现,在全球范围内,当人口数量很低时,颅骨仍在持续增大;但当人口密度不断增加时,颅骨开始逐渐变小。他们得出结论,随着复杂社会的出现,人们不再需要为了生存殚精竭虑,所以脑的尺寸开始变小。从前,低智力(或低适应性)的个体更可能早夭,或至少是难以找到配偶,传递基因。然而,在复杂的社会中,这种个体可能通过其他人的支持而实现生存、择偶,从而使基因得以传递下去,最终拉低了整个物种的智力水平。为了确保我们种族的智力能够不断发展,也许不得不保持不太友好的氛围,构建这样一种社会——让那些有利性状较少的人无法活到能够繁衍后代的年龄,或至少难以找到配偶。这是一种令人很不愉快、无法接受的前景。

来自伦敦自然历史博物馆的古人类学家克里斯·斯特林格(Chris Stringer)认为,脑容量萎缩在某种程度上与近一万年来人类体型整体缩小有关。人类体型缩小也许是因为气候变暖——我们不再需要那么庞大的体积了。此外,他指出,更大的脑需要更多的能量来维持运转,这未必很有必要。斯特林格认为,由于电脑和各种小工具的出现,大部分人不需要储存那么多信息,有较小的脑已经足够用了。而前些时代的人拥有书籍、歌曲和民间故事,大概也能起到类似的作用。斯特林格认为这可以视为一种归化效应(domestication effect)。正如家养动物比野生同类的脑小,因为它们不再需要与狩猎或自我保护相关的认知能力,我们人类可能也失去了一部分脑力,因为我们正在变得越来越“家养”。

为了理解这种脑萎缩,我们需要了解萎缩是针对脑的整体,还是限定于重要性有所降低的特定部位。一些中国科学家发现,虽然我们的脑在过去的几千年里一直在萎缩,但并不是脑的每个部位都在同等地缩小。他们发现的证据表明,有一个部位实际上是在逐渐增大的,那就是额叶。额叶涉及一系列的功能,包括运动技能、问题解决、判断、语言、记忆、情绪、情感、社会行为,等等。

那么,我们的脑现在仍在萎缩,或是继续改变形态吗?是不是有些部分在增长,有些部分在萎缩?正如克里斯·斯特林格总结的那样,很可能现代人脑在某些方面变聪明了,另一些方面则变笨了,但总体来说,现代人脑是更驯化了。脑可能已经达到了它的巅峰时期,也可能还在复杂性和专业性上不断发展,这两种看法分别有理论支持,看你喜欢哪种了。

我们是特殊的吗?

不管脑在衰退还是发展,我们都得接受现实,并且尽可能地充分利用它。现代成年人的脑平均质量约为3磅(1.36公斤)。因为神经元的高代谢需求,脑虽然仅占总体重的2%左右,却需要消耗掉身体总能量的20%。但我们的脑有什么特殊之处吗?一位朋友问:“虽然我的猫脑子很小,但它看起来很聪明的样子。所以我长这么大的脑,具体能获得什么好处呢?”问得很好。我们消耗这么多能量来增大脑子,真的值得吗?

人类只是许多人科动物中的一种。现存与人类最亲近的亲属是黑猩猩,我们将近99%的遗传密码与它们一样。然而,正如前文所述,我们的脑尺寸大约是黑猩猩的3.5倍。虽然大猩猩和猩猩的身体与人类一样大,脑尺寸却只是我们的1/3。

人和猿类亲戚有许多共同点。我们有着相似的身体部位排列(包括内部与外部),共享相同的骨骼结构,都拥有前向的、可闭合的眼睛(有助于获得良好的视力)。灵长类动物十分依赖视觉,与此相对的,跟其他哺乳动物相比,灵长类的嗅觉很差。我们都擅长使用手和脚,能够巧妙精细地操纵物体,后代数量通常较少。然而,尽管有这么多共同点,人类依然与其他灵长类大不相同。

要解释什么样的进化致使我们拥有独特的行为能力,仍然是一个科学难题,但我们可以发现脑容量大小和智力高低之间似乎存在某种正向的联系。毕竟在处理各种各样的问题时,一个大的脑似乎至关重要。一项针对动物园肉食哺乳动物的研究发现,物种的脑尺寸与问题解决能力呈正相关,也就是说,脑的体积越大,解决问题的能力就越强。然而,尺寸不太可能是人脑唯一的独特特征。例如,大象和鲸鱼的脑比我们大得多,但也还没有开发出复杂的心脏手术或建造出太空火箭。

19世纪时,学者们沉迷于研究名人的脑,观察是否能以拥有较大的脑来解释他们的成功。虽然著名的诗人拜伦勋爵(Lord Byron)和英国护国公奥利弗·克伦威尔(Oliver Cromwell)都拥有特别大的脑,但这些早期的研究者发现,不同的杰出科学家、学者的脑尺寸有很大差异,其中很大一部分人的脑在体积上与常人无异。也就是说,人类特殊的认知能力与普通的脑尺寸(与更大型的动物相比)并不匹配。

在某种程度上说,人脑尺寸是重要的,否则为什么几百万年以来它会进化得如此之大?然而,整体尺寸显然不能完全解释我们的能力。因此,如果最重要的不是脑的整体尺寸,会不会是结构呢?

脑的结构是最重要的吗?

阿加莎·克里斯蒂(Agatha Christie)笔下的名侦探赫尔库里·波洛(Hercule Poirot)总是将自己侦破案件上的成功归结于“小小的灰质细胞”,强调的大概是脑灰质在智力上的重要性,但他这种坚定不移的信念是正确的吗?是灰质将我们与其他物种区分开来吗?归根结底,你听说过几家侦探机构是狨猴开的?

脑由两种肉眼可区分的组织构成:灰质和白质。灰质由密集的神经元和突触构成,长期以来被认为是决定智力的关键部位。它主要分布于脑薄薄的表面(我们称之为脑皮层)。此外,灰质还包括其他细胞(我们称之为神经胶质细胞),后者能够提供物理支撑,也可以提供营养物质。另一方面,白质位于脑的深处,由轴突束(我们称之为神经纤维束)构成。轴突有“髓鞘”,即被包裹在作为绝缘体的脂肪中,这样才能够快速地在遥远的脑区之间、脑与脊髓之间传递电信号,从而将脑与身体其他部位的神经联系起来。由于脂肪含量高,它看起来是白色的。从本质上讲,灰质的功能是处理信息,而白质将信息传入或传出灰质,因此有时会被称为脑中高速公路。

近期,随着人们开始利用更好的工具研究活体脑中的白质,研究者们开始意识到白质健康对各种智力功能也都非常重要。脑的不同部位相互连接并有效传递信息,这至关重要,白质也正是在此扮演关键角色。人的灰质发展在青春期达到峰值,随后会逐渐降低,白质则在20多岁甚至30多岁仍能持续发展。为了对新学到的经验做出反应,白质的结构似乎也可以改变。

哺乳动物的脑容量越大,白质的相对比例也越大。人类的白质占脑总体积的35%,是灵长类动物中最高的(有趣的是,在侏儒狨猴中,这一比例只有9%左右,这也许就是它们没能建立、运行侦探机构的原因)。理解了白质的重要性,也许就能解释为什么越大的哺乳动物越聪明。“但这不对!”我们甚至能听到你在大声抗议,“狗/猪/老鼠很聪明!虽然它们不是很大!而且这种理论又回到了‘脑越大越好’的思路,可我们已经认定它不完全正确了。”确实是这样。简单衡量脑中白质的体积是远远不够的。

人类进化包括了脑尺寸的扩大和神经元数量的增加。但与其他灵长类相比,从共同祖先分化之后,我们的身体尺寸增长有限,而其他灵长类则有显著的增大。人类(及人属的早期祖先)的进化可能优先增大了脑尺寸,其他人科动物则优先增大了身体尺寸。巴西神经科学家苏珊娜·海尔卡拉诺-豪泽尔(Suzana Herculano Houzel)认为,同时拥有极大的脑和身体,在代谢上也许是不可能做到的。

脑尺寸和身体尺寸之间的关系并不像人们想象的那么简单。脑尺寸的增长比体型增长的速率慢,因此,从相对比例来看,小型动物的脑反而比较大。有时,人们用脑形成商(encephalization quotient,EQ)来描述一个物种的脑体积相对其身体的比例(图2可能有助于理解这个概念)。期望值来自这个物种的平均值。数值越大,说明脑的期望体积越大,也意味着物种智力假设值也越高。通过这种方式人们发现,人类的数值似乎是一个异常点,人脑比根据哺乳动物平均值推算出来的数据大7倍,比根据灵长类动物平均值推算出来的数据大3倍。我们早期祖先的脑比现代人小得多,但其EQ很可能比今天的黑猩猩更高。(值得注意的是,与其他动物相比,黑猩猩的EQ也不算高。举个例子,各类海豚的EQ比黑猩猩高得多。黑猩猩和海豚的智力比较则是另一个议题。)

为什么人脑如此巨大

引自:苏珊娜·海尔卡拉诺-豪泽尔;马里诺:大脑行为学,1998;51;230-238。

对一系列物种的EQ分析发现,在整个进化过程中,食草动物和食肉动物的脑尺寸都在不断增加,但在发展的每一个阶段,食肉动物都占据优势。捕食者的EQ往往高于猎物。有人认为,食肉动物需要更大的脑来运转,随着食草动物的脑体积增加,食肉动物必须进化出更大的脑来维持差距。此外,根据古生物学家和进化生物学家斯蒂芬·杰·古尔德(Stephen Jay Gould)的说法,灵长类动物的EQ从一开始就占据前列。但这是为什么呢?原因仍然有待探讨。

从理论上讲,只要拥有更大的脑,一个物种就能够发展出更多功能。而相对身体尺寸而言,脑的体积越大,这种“过剩”就越能允许个体实现更复杂的功能。当然,EQ也不意味着一切,因为灵长类动物存在着一些特例,比如卷尾猴的EQ很高,认知能力却被低EQ物种(如大猩猩)超越了。跟其他许多方式一样,只考虑EQ的方法也有其缺陷。它没有考虑诸如神经元的密度与数量、皮层厚度或脑折叠程度等因素,而这些因素都可能与智力相关。有趣的是,如果将EQ作为衡量认知能力的唯一标准,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)就和海豚处在了同一水准,远低于人类的平均水平!爱因斯坦的颅骨容量显著低于人类的平均水平。然而,当科学家仔细观察他的大脑时,却发现他的皮层比平均值更薄,神经元密度更大。换句话说,就是将更多的神经元塞进了更小的空间里。因此,也许脑中神经元的数量与这一物种的智力有关。

人脑包含约860亿个神经元。人类的认知优势可能仅仅源自脑中的神经元总数,因为它在所有动物中是最多的。根据海尔卡拉诺-豪泽尔及其同事的说法,让脑比例的进化出现代谢限制的是神经元的绝对数量,而非脑的尺寸。也就是说,个体的神经元越多,就需要越多能量来维持脑的有效运转。南方古猿和傍人属的神经元数量与类人猿相差无几(约270亿至350亿个),人属的神经元数量则有了显著增长,在直立人的时代已经达到620亿。也有人认为,从直立人到智人的神经元数量显著增长,可能源自他们学会了用火烹饪食物。火的使用让他们可以获得更多热量,更快地供养脑的运作,节省神经元进行更高级活动的时间。

当我们认为神经元数量与脑尺寸相关时,人类就不再是那个例外了。与其他灵长类动物相比,我们的神经元数量是可预期的——我们与其他灵长类亲戚的神经元密度相似,但由于我们的脑体积更大,所以神经元也更多。这也许就是为何神经元总数量如此重要。是的,对于我们的体积来说,神经元数量是正常的,但是这一数字仍然是地球上所有动物中最庞大的。

从构成方式来看,脑可以说是一种非常强大的硬件。随着时间推移,皮质扩张得非常厉害,但最终会被颅骨限制住——因为颅骨并没有以同样的速度扩张。解决这一问题的方法是将皮层折叠起来,创造更大的表面积,使其得以继续在复杂性上不断扩张和发展。这就是为什么我们的脑有褶皱,看起来像是只黏糊糊的大胡桃,而不是榛子。研究发现,脑皮层的发展既有折叠,又有连通,这种方式使得脑的体积更小、运行速度更快,优于任何其他可能的结构方式。对比各种不同的哺乳动物,我们可以发现皮层折叠程度与体型大小成正比。换句话说,动物体型越大,皮层折叠复杂程度就越高。人类的大脑皮层在全脑中比重最大(75.5%至84%),但其他许多动物也低不了太多,如黑猩猩(73%)、马(74.5%)、短鳍鲸(73.4%)。因此,仅凭这一特质同样不足以解释人类的独特能力。

还有许多其他的研究途径,进一步解释了人脑进化在微观层面上的奥秘。和前面概述过的内容一样,这些因素组合在一起可能就是人类独特性的原因。然而,要确定将我们与其他物种区分开来的到底是什么,科学家们还有一段路要走。不管原因究竟是什么,不可否认的是,在整个动物王国中,人类具有独一无二的特殊能力(第2章将详细探讨这个问题),这最终源于脑的差异。

没有谁是完美的

相对巨大的脑袋瓜给我们带来了许多超越其他物种的独特品质,包括生而为人的内在骄矜。(其他物种会不会这样沾沾自喜?)但是生活并不都是美好的,万事万物总有坏的一面,庞大的脑也不例外。如此巨大的脑,也给我们带来了许多问题。

首先,非常重要的是,庞大的脑就需要一个庞大的颅骨来容纳它。而直立行走意味着人类的骨盆必须变窄(这样才能更有效地行走),因此生产时留给婴儿头颅的空间十分有限。大部分人只是敏锐地意识到了颅骨大小与体型相关,却没有留意到,当我们分娩时,不得不将它从一个更小的孔中推出来……(事实上,人类分娩比其他物种更困难,也更危险。其他灵长类的母亲能够触碰并引导孩子脱离产道,还能帮忙清理婴儿口鼻处的黏液。由于人类分娩的特殊性,人类母亲无法提供类似的帮助。)

为了让人类在完全成熟后拥有这么大的脑,婴儿必须提早出生。相比其他哺乳动物,人类婴儿大约提前出生6个月,此时的脑尺寸仅为成年后的25%左右。刚出生的黑猩猩宝宝的脑大约是成年个体的50%,其他灵长类则接近75%。人类婴儿呱呱坠地之时,头上都是未闭合的骨板,以便通过产道时能够相互挤压,也有助于随后几年内脑的迅速扩张,直到骨骼最终长合。这是一种非常巧妙的方式,使得脑的大部分发育过程得以在脱离子宫后完成。这种方式对成长的限制较少,更能够适应外部环境刺激,从而拥有其他动物都不具备的认知发展机会。然而,这也确实意味着我们的孩子特别脆弱、容易受到攻击。想想其他刚出生的哺乳动物,比如小狗和羊羔,出生后几分钟就能站起来跌跌撞撞地行走。相比之下,我们的宝宝若干个月内都不能行走,当然也在好多年内都无法觅食或照料自己。人类婴儿出生得很早,对父母的依赖程度远远高于其他动物。在物种存续期间,为了照料孩子,成年人消耗了许多热量,占用了觅食、建造住所、繁殖更多后代等活动的时间。这种方式效率低下,在繁殖和养育更多健康后代以传承基因这一方面,其他许多动物都胜过了我们。

人脑的另一个缺陷在于它对能量消耗极大。我们需要用全部卡路里的1/5来维持大脑运转,这一比例远远高于其他许多动物。人们认为,数量繁多的神经元消耗了过多能量,这使得人类在寻找食物上花的时间更多,尽管学会烹饪似乎能让人类比其他物种更快地获取营养,腾出时间去做其他事情。有研究发现,进化扩展了我们的脑,从而将更多能量分配给了头部,却在别处付出了代价。一部分研究者认为随着时间推移,人类供给骨骼肌的能量逐渐减少,导致体力随之不断下降。他们推测人脑和骨骼肌是协同进化的关系,人体会在二者之间不断平衡能量需求和供给的变化。

与其他物种相比,人类寿命很长,而且还在不断增长。现在,大多数人都可以很容易地获得能量丰富的食物和干净的水饮,同时,医学上的进步也可以预防、治疗许多曾经致命的疾病。寿命延长的结果是我们的脑会受到衰老的负面影响,而其他物种的寿命不足以等到这种问题出现。痴呆症是一种综合性的疾病,影响着全世界数以百万计的人,它会造成记忆力、思维能力、行为和日常活动能力的下降。虽然人们不认为这是衰老的正常过程,但引起痴呆症的最大风险因素就是衰老。在人类同伴的帮助下,许多家养宠物获得了充足的食物、稳定的住所和医疗服务,寿命越来越长,似乎也出现了痴呆症。然而,野外的情形却大不相同。野生动物寿命不如家养同类长——即便活得够长,一旦得了痴呆症,也就活不下去了。在野外,寿命长不一定是优势,因为从本质上来讲,这是个适者生存的世界,也就是说,这是个年轻人的游戏。

我们知道很多,但还远远不够

人类具备非同寻常的能力,但至今我们还不清楚这究竟从何而来。我们还不知道脑尺寸或脑的复杂性对此是否重要(也很可能是二者结合后的结果)。我们花了几百万年将脑进化成现在的样子,这种努力值得吗?我们已经知道人脑在不断萎缩,但还不太清楚这意味着脑力在退化,还是在变得更高效——弄明白这一点,可能有助于了解我们究竟需要多少脑子。人脑很大的时候,似乎一切很好;但人脑缩小之后,我们看起来也还不错,只是生活和相应技能有所变化。但是,我们已经最大限度地利用了所拥有的东西吗?还是仍未能发掘出自己不知道的潜力呢?现在,关于我们的脑怎么变成了现在的模样,大家已经有所了解,接下来,我们将继续思考现代人脑的发展目标是什么,以及脑的每一部分是否真的都很重要。

冷知识网文章,如若转载,请注明出处:https://www.lengzhishi.net/121400.html

发表评论

电子邮件地址不会被公开。