本文來源：機(jī)器之心

它就在那里，靜置在壁爐臺上，用那雙空洞的眼睛看著她，帶著笑容。她情不自禁地回以凝視，因為Josephine Salmons知道 它分明就是一個已經(jīng)滅絕的狒狒的頭骨化石。在1924年，Salmons是就讀于南非金山大學(xué)為數(shù)不多的解剖學(xué)的女學(xué)生之一。這日她正好在朋友Pat Izods 家做客，Izods的父親在湯鎮(zhèn)（ the town of Taung）附近經(jīng)營一個采石場。工人們在開采的過程中發(fā)現(xiàn)了大量的化石，而這顆頭骨就是Izods作為紀(jì)念品留下來的。Salmons 把這個消息告訴了她的導(dǎo)師Raymond Dart，一位對于大腦研究很感興趣的人類學(xué)家。他對此感到難以置信，因為在此之前在南非極少發(fā)現(xiàn)這樣靈長類動物的化石。如果這些化石真的原屬于湯鎮(zhèn)，那這將是一個難以估量的寶藏。次日Salmons 把頭骨帶給Dart 看，他確認(rèn)Salmons的發(fā)現(xiàn)是正確的：這確實就是類人猿的化石。

之后，Dart 開始著手讓湯鎮(zhèn)將其他發(fā)現(xiàn)的靈長類動物的化石都運(yùn)送給他。那年年末的時候，當(dāng)他正準(zhǔn)備去參加一個朋友的婚禮時，他收到了一個大箱子，其中一件化石樣本讓他驚喜不已，差點(diǎn)錯過了朋友的婚禮。這個樣本包括兩個部分：一個正常的顱腔模型（保留了大腦輪廓的內(nèi)腦化石模型）和一個與其匹配的面部頭骨，包括眼窩、鼻子、下顎還有牙齒。Dart立刻注意到這是滅絕的類人猿的化石，而非猴子的。從牙齒的結(jié)構(gòu)來看這個類人猿大概死于六歲左右。脊髓與頭骨的結(jié)合關(guān)節(jié)特別靠前，預(yù)示著這是個直立行走的個體。而顱腔的結(jié)構(gòu)，比同年齡段的非人類動物要大，其表面也出現(xiàn)了人類大腦具備的特征。隨著進(jìn)一步研究，Dart 斷定這是一個現(xiàn)代人類未知祖先的化石——南非人猿。

起初，科學(xué)界普遍對Dart 的發(fā)現(xiàn)表示強(qiáng)烈質(zhì)疑。如果這個「湯鎮(zhèn)小孩」（化石的昵稱）真的屬于古人類，那么他應(yīng)該擁有更大的大腦。他的頭蓋確實要比同期的大猩猩要大，但并沒有大很多。而且，當(dāng)時普遍認(rèn)為人類的祖先在亞洲，而不是非洲。Dart 1925年在《Nature 》所發(fā)表的 「小得可笑」的樣本插圖以及關(guān)于樣本所屬地的證據(jù)并沒有起到多大作用。最終，直到這些專家親眼看到「湯鎮(zhèn)小孩」，一些類似發(fā)現(xiàn)漸漸浮出水面，大家的態(tài)度才開始慢慢改變。20世紀(jì)50年代，人類學(xué)家已經(jīng)承認(rèn)了「湯鎮(zhèn)小孩」確實是人猿，并且認(rèn)為大腦尺寸大小并不能作為判斷是否是人類的唯一標(biāo)準(zhǔn)。來自佛羅里達(dá)州立大學(xué)的對人腦進(jìn)化有卓越貢獻(xiàn)的人類學(xué)教授 Dean Falk將「湯鎮(zhèn)小孩」稱為「二十世紀(jì)人猿發(fā)現(xiàn)史上最重要的幾大發(fā)現(xiàn)之一?！?/p>

之后數(shù)十年，通過不斷發(fā)掘和對比其他的頭骨化石和顱腔模型，古生物學(xué)家記錄下了人類進(jìn)化史中最具戲劇性的轉(zhuǎn)變。我們可以稱之為「頭腦大爆炸」。人類，倭黑猩猩，非洲黑猩猩在六至八百萬年前，從他們共同的祖先那里產(chǎn)生了種群分離。在接下來的幾百萬年內(nèi)，相比于我們的猿類祖先及近親，早期古人類的大腦也都沒有明顯變大。然而，從約300萬年前開始，古人類的大腦出現(xiàn)了驚人的擴(kuò)大和發(fā)展。在200，000年前，我們種族中的智人出現(xiàn)在20萬年前，人類的大腦從初始的350g增加到了1300g。人類大腦在這三百萬年的飛速發(fā)展的進(jìn)程中，單就腦體積而言，就比靈長類進(jìn)化了6000萬年的祖先大4倍之多。

化石證實了「頭腦大爆炸」。但是它們卻并未能告訴我們?nèi)祟惔竽X如何以及為何能發(fā)展的如此迅速如此龐大。當(dāng)然，針對這種飛速發(fā)展的原因，有很多種解釋它的理論：復(fù)雜性不斷增加的社交網(wǎng)絡(luò)，使用工具以及相互協(xié)作的集體文化，適應(yīng)嚴(yán)峻多變的氣候情況，這所有的進(jìn)化壓力都成為我們進(jìn)化出更大大腦的原因。

盡管這些可能性非常吸引人，但卻極難驗證。然而，在過去的八年之間，科學(xué)家們也開始回答人類大腦「如何」擴(kuò)展這個問題，也就是說，細(xì)胞層次上體積如何不斷擴(kuò)增以及人類如何在生理學(xué)上重構(gòu)大腦來適應(yīng)體積和能耗的倍增?！改壳盀橹挂磺卸际遣聹y，但我們最終還是可以在工具幫助下尋求一些蛛絲馬跡?！苟趴舜髮W(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家Gregory Wray說?！赴l(fā)生了什么樣的突變，它們又是怎么發(fā)生的？對于這個過程究竟有多復(fù)雜，我們正開始追尋答案，形成更深刻的認(rèn)識?！?/p>

什么讓人類大腦獨(dú)一無二？

尤其是有一位科學(xué)家改變了研究者們測量大腦的方式。相比傳統(tǒng)用估量大腦質(zhì)量或體積作為評估智能的方法，她專注于計算大腦的組成成分。在里約熱內(nèi)盧聯(lián)合大學(xué)的生化科學(xué)實驗室，Suzana Herculano-Houzel一如既往地將大腦溶解成細(xì)胞核（細(xì)胞的基因控制室）懸浮液。每一個神經(jīng)元有一個細(xì)胞核，通過用熒光分子標(biāo)記細(xì)胞核和測量染色情況，可以得到大腦細(xì)胞的精確數(shù)量。她將這種方法廣泛應(yīng)用到哺乳動物的大腦上，測量結(jié)果表明，與長久以來的猜想正相反，更大的哺乳類動物大腦并不總是有更多的神經(jīng)元，而且它們的分布方式也并不相同。

人類大腦總共有860億個神經(jīng)元，其中690億個神經(jīng)元位于小腦之中，它是大腦后部的一個神經(jīng)密集區(qū)，用以協(xié)調(diào)軀體基本的功能和活動；大腦皮層中有160億個神經(jīng)元，這是大腦的腦冠區(qū)，在這里產(chǎn)生最復(fù)雜的心智和靈感，如自我意識、語言、解決問題和抽象思維的能力；還有10億個神經(jīng)元在腦干之中并延伸至大腦的內(nèi)核。相比之下，大象大腦的體積是我們大腦的三倍，在它的小腦中有2510億個神經(jīng)元，用以管理龐大、功能豐富的象鼻，而大象的大腦皮層中僅有56億個神經(jīng)元。如果單考慮大腦容量或體積就掩蓋了這些重要區(qū)別。

Herculano-Houzel根據(jù)自己的研究做出推斷：靈長類動物進(jìn)化出一種辦法，能將比其它哺乳動物多得多的神經(jīng)元放入大腦皮層中。比起大象和鯨，類人猿體積微小但他們大腦皮層的神經(jīng)元要密集得多，猩猩和大猩猩有90億個皮層神經(jīng)元，黑猩猩有60億個。在所有的類人猿中，人類大腦最大，所以我們大腦皮層有高達(dá)160億個神經(jīng)元。事實上，人類似乎是地球上擁有最多皮層神經(jīng)元的物種?！高@是人類和非人類大腦最明顯的區(qū)別」，Herculano-Houzel 說，所有這些都是就結(jié)構(gòu)而言而不僅僅是尺寸。

人類大腦的超高能耗也是其特征之一，盡管大腦只占了體重的百分之二，但人類大腦在休息時消耗了高達(dá)身體全部能量的百分之二十。相比之下，黑猩猩大腦的僅需一半能耗。研究人員很久以來就想了解人體是如何適應(yīng)和維持這一超高能耗的器官。1995年，人類學(xué)家Leslie Aiello和進(jìn)化生物學(xué)家Peter Wheeler提出的「高耗能組織假說（expensive tissue hypothesis）」或許可以回答上述問題?；具壿嫼苊鞔_：人類大腦進(jìn)化需要代謝平衡。為了讓大腦成長，其它的器官即大腸也必須萎縮，能量本來是要流向后者，最終改成流向了前者。有證據(jù)表明，他們獲得的數(shù)據(jù)顯示靈長類動物有著更大的大腦和更小的腸子。

幾年后，人類學(xué)家Richard Wrangham認(rèn)為烹飪的發(fā)明對人類大腦的進(jìn)化至關(guān)重要。經(jīng)過烹飪的柔軟食物要比未加工的堅硬食物更容易消化，這樣減少了胃腸道的工作量從而獲得了更多的卡路里?；蛟S，學(xué)習(xí)烹飪是以犧牲大腸為代價，而使大腦更強(qiáng)大。由于黑猩猩要比人類強(qiáng)壯的多，因此其他研究者提出了大腦和肌肉之間類似的權(quán)衡取舍觀點(diǎn)。

總的來說，這些現(xiàn)代解剖學(xué)的假設(shè)和觀察是令人信服的，但是它們是基于幾百萬年的生物進(jìn)化而言的。為了確定到底發(fā)生了什么，為了弄明白能讓大腦飛速進(jìn)化的生理適應(yīng)性，我們必須透過肉體進(jìn)一步深入到基因中。

基因如何構(gòu)建大腦？

大約80年前，Wray和他的同事開始研究影響葡萄糖作為能源進(jìn)入細(xì)胞活動的基因譜系。在大腦組織譜系中的某一基因相當(dāng)活躍，而另一種基因卻在肌肉中最活躍。如果人類大腦大小需要大腦組織和肌肉之間的代謝平衡，那么這些基因在人類和黑猩猩身上會有不同的表現(xiàn)。

Wray和他的團(tuán)隊從死去的人和黑猩猩身上收集大腦、肌肉和肝臟組織，并試著測試每個樣本中基因的活躍度。細(xì)胞「表達(dá)」基因時，首先將DNA轉(zhuǎn)錄為信使核糖核酸（mRNA）序列，隨后形成一個氨基酸鏈從而形成蛋白質(zhì)。根據(jù)不同mRNA的變化程度，可以測出特定組織中某一基因的活躍度。

為了測量不同mRNA的相對豐度，Wray團(tuán)隊從這些組織中提取大量mRNA并多次放大它們。他們發(fā)現(xiàn)，人類大腦組織中的腦中樞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)基因的活躍度比在黑猩猩高3.2倍，而黑猩猩體內(nèi)的肌肉中樞基因比人類的活躍1.6倍。然而這兩種基因在人類和黑猩猩的肝組織中的活躍度差不多。

鑒于人類和黑猩猩的基因序列幾乎是相同的，肯定有其他原因能解釋他們之間不同的行為。Wray和他的同事發(fā)現(xiàn)了基因調(diào)控序列（促進(jìn)或抑制基因活性的DNA片段）間的不同，很具啟發(fā)性。在人類肌肉和大腦葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)基因調(diào)控序列中，更多的是積累性基因突變而不是人們以為的偶然性基因突變，這表明這些區(qū)域經(jīng)歷了加速進(jìn)化。換句話說，強(qiáng)大的進(jìn)化壓力迫使人類的基因調(diào)控序列以某種方式減少對肌肉的能量供給，增強(qiáng)對大腦的能量供給?；蛴靡砸环N化石永遠(yuǎn)無法闡明的方式證實了高耗能組織假說。

去年，日本的沖繩科技研究所的計算生物學(xué)家Kasia Bozek發(fā)表了相似的研究，從不同角度研究了新陳代謝。除了看基因表達(dá)，Bozek和其同事還分析了代謝物水平，包括糖，核酸和神經(jīng)遞質(zhì)等不同的小分子。許多代謝產(chǎn)物對代謝或生產(chǎn)而言都是必須的。不同的器官有不同代謝途徑，這取決于要做什么以及需要多少能量?？偠灾?，近親物種比遠(yuǎn)親物種的器官代謝物水平更為相似，比如，Bozek發(fā)現(xiàn)人類和黑猩猩的腎臟代謝途徑十分相似。但是基于典型進(jìn)化率，黑猩猩與人腦代謝物水平比預(yù)想的高四倍；而肌肉代謝物水平比預(yù)想的高七倍。Bozek說，因此，即使基因水平差異不大，代謝層面也會有很大差別，這不僅僅是兩三個突變，你的大腦一下子就變得更大了。

隨后，Bozek和其同事挑選了42人，包括大學(xué)籃球運(yùn)動員和專業(yè)的攀巖運(yùn)動員，在力量測試中與黑猩猩和獼猴對抗。所有靈長類都必須背負(fù)重物將一個滑動的書架拉向自己。就體積和重量而言，黑猩猩和獼猴是人類的兩倍。不確定為什么會這樣，但可能是因為它們?yōu)榧∪膺\(yùn)送了更多能量，從而使得這些靈長類表親比我們的肌肉力量更足。Bozek 說，與其他靈長類相比，我們損失了肌肉力量來為大腦供應(yīng)更多能量。但這不意味著我們的肌肉天生較弱，而僅僅是因為新陳代謝的不同。

同時，Wary咨詢了他在杜克大學(xué)的同事，胚胎腦發(fā)育專家Debra Silver，然后開始進(jìn)行一項開創(chuàng)性實驗。他們不僅要找出與我們大腦進(jìn)化相關(guān)的基因突變，還要將這些突變植入實驗鼠的基因組中，并觀察結(jié)果。 Silver說，這是前人從未嘗試過的。

首先他們通過掃描人類進(jìn)化加速區(qū)（human accelerated regions,HARs）的基因數(shù)據(jù)庫，這些DNA調(diào)控序列在所有的脊椎動物中都相似，但在人類中發(fā)生了突變。他們決定把重點(diǎn)放在HARE5基因上，這個基因似乎控制著大腦發(fā)育。不同于黑猩猩，人類的HARE5基因由16個DNA序列組成。Silver和Wary把黑猩猩的HARE5基因復(fù)制到一組小鼠中，作為對照，另一組小鼠復(fù)制了人類的HARE5，接著他們觀察小鼠胚胎的大腦如何發(fā)育。

經(jīng)過9天的生長，小鼠胚胎開始形成大腦皮層（與最復(fù)雜心智功能相關(guān)的大腦皺褶表層）。在第10天，幼鼠大腦中人類HARE5的基因比猩猩的更加活躍，最終，移植了人類基因的小鼠大腦體積，比移植猩猩的要大12%。進(jìn)一步的實驗表明，HARE5基因?qū)⒁恍┡咛ツX細(xì)胞分裂、增殖的時間從12小時縮短到了9小時。帶有人類HARE5基因的小鼠大腦，能更快的產(chǎn)生新的神經(jīng)元。

其實10年前就能進(jìn)行這項研究了，但當(dāng)時我們還沒有完成整個基因組的測序，Silver 說，這真的很激動人心。但她也強(qiáng)調(diào)，要完整回答人類的大腦如何突變，還需要大量的研究。我們不可能僅靠一兩個基因的突變?nèi)ソ忉屨麄€大腦。那是絕對錯誤的。我們可能獲得了進(jìn)化規(guī)則某些方面的諸多微小變化。

Wray贊同道：「并不是僅僅一兩個基因突變后，嘣！你的大腦就飛速的進(jìn)化了。隨著我們對人類與黑猩猩之間的變化有了更多的了解，我們意識到，這是許許多多基因共同作用的結(jié)果，每個基因都有自己的貢獻(xiàn)。我們已經(jīng)摸到了門道。大腦的進(jìn)化是如此隱晦和微妙?！?/p>

大腦與身體

雖然人類大腦的擴(kuò)張一直以來都是個謎，但其重要性卻從未被懷疑過。研究人員一次又一次的將人類遠(yuǎn)高于其他動物的智慧，歸結(jié)于腦部的進(jìn)化。近期對鯨和大象的研究表明，體積大并不代表一切，但確實也是一個重要的方面。我們比類人猿擁有更多的皮層神經(jīng)元，并不是因為我們大腦的神經(jīng)元密度更大，而是因為我們能夠進(jìn)化出足夠大的腦部，以容納所有那些額外的細(xì)胞。

不過，過于迷戀自己的大腦也是危險的。誠然，高智慧需要一個擁有更多神經(jīng)元的大腦，但僅有這個并不夠。想象一下如果海豚有手會怎么樣。海豚非常聰明。它們已被證明擁有自我意識、協(xié)同和計劃的能力、以及初步的語言和語法。但相比類人猿，它們對原材料操縱的本領(lǐng)不足，自身能力受到嚴(yán)重限制。因為它們只有鰭，海豚永遠(yuǎn)無法進(jìn)入石器時代。

同樣，我們知道黑猩猩和倭黑猩猩能理解人類的語言，甚至能使用觸摸屏來制造一些簡單的句子，但是它們聲道無法發(fā)出清晰可辨的不同音節(jié)。相反，一些鳥類的聲道構(gòu)造，使它們能完美模仿人類講話，但鳥的大腦又太小，無法掌握復(fù)雜的語法。

不管人類的大腦會發(fā)展到什么程度，或者我們需要為此提供多少能量，如果沒有合適的身體那也沒用。三個特別重要的適應(yīng)性進(jìn)化，與我們整體智力水平的提高息息相關(guān)：直立行走使我們能騰出雙手去制作工具、使用火和狩獵；我們雙手的靈活程度遠(yuǎn)超其他任何動物；合適的聲道讓我們能說話和唱歌。人類的智慧，不僅僅由某一個器官的進(jìn)化而產(chǎn)生，不管它有多大；我們身體中不同器官的進(jìn)化，偶然帶來了共同的效果，促進(jìn)了智慧的發(fā)展。雖然我們?nèi)园V迷于自己大腦的尺寸，但實際上，我們的智慧，總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大腦容量。

來自quantamagazine，作者Ferris Jabr，機(jī)器之心編譯出品。