“人类是怎么进化出超级大脑的？”

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正文来源:机器之心

在那里静置在壁炉台上，用那个空孔的眼睛看着她，脸上带着笑容。 她不由得凝视着。 因为我知道josephine salmons显然是灭绝的狒狒头骨化石。 1924年，salmons是南非金山大学为数不多的解剖学女学生之一。 这一天她正好在朋友pat izods家做客，izods的父亲在汤镇( the town of taung )附近经营采石场。 工人们在开采过程中发现了大量化石，这个头骨是izods作为纪念品留下的。 salmons把这个消息告诉了老师raymond dart。 是对大脑研究感兴趣的人类学家。 他难以置信。 因为迄今为止在南非几乎没有发现过这样的灵长类化石。 如果这些化石真的属于汤镇，这将是不可估量的宝藏。 第二天，salmons把头骨给dart看，确认了salmons的发现是正确的。 这是类人猿的化石。

之后，dart开始着手将汤町其他发现的灵长类化石运送给他。 那年年底，他准备去朋友的婚礼时，收到了一个大箱子。 其中一个化石样本吓到了他，差点错过朋友的婚礼。 该样本包括两个部分:正常的颅腔模型(保存大脑轮廓的中脑化石模型)和与其匹配的面部颅骨(包括眼眶、鼻子、下颚和牙齿)。 观察到dart是很快灭绝的类人猿化石，不是猴子。 从牙齿结构来看，这只类人猿大约6岁左右就死了。 脊髓和颅骨的结合关节特别靠前，表明是直立行走的个人。 颅腔的构造，比同年龄段的非人动物要大，其表面也表现出人脑所具有的特征。 随着进一步研究，dart断定是现代人未知祖先的化石——南非人猿。

最初，科学界对dart的发现表示强烈怀疑。 如果这个“汤镇的孩子”(化石昵称)真的是古人类的话，他应该有更大的大脑。 他的骷髅确实比同期的大猩猩大，但不太大。 而且，人们认为人类的祖先不是在非洲而是在亚洲。 dart 1925年在“nature”上发表的“小得可笑”的样本插图和样本拥有地的相关证据用处不大。 最终，直到这些专家目睹了“汤镇的孩子”，相似的发现才逐渐浮现，大家的态度开始慢慢改变。 20世纪50年代，人类学家承认“汤镇的孩子”确实是人猿，认为大脑大小不是评价人类的唯一标准。 来自佛罗里达州立大学的人脑进化卓越的人类学教授dean falk将“汤镇的孩子”称为“20世纪人类猿发现史上最重要的几个发现之一”。 “”

在随后的几十年里，通过发掘其他头骨化石和颅腔模型，并对准针，古生物学家记录了人类进化史上最戏剧性的变化。 我们可以称之为“大爆炸”。 人类、倭黑猩猩和非洲黑猩猩在6百万至8百万年前从他们共同的祖先身上发生了种群分离。 在之后的几百万年内，与我们猴子类的祖先和近亲相比，早期古人的大脑也没有明显变大。 但是，从约300万年前开始，古人的大脑得到了惊人的扩大和迅速的发展。 200，000年前，我们种族的智人出现在20万年前，人类的大脑从最初的350克增加到了1300g克。 人脑在这300万年快速发展的过程中，光是大脑的体积，就比灵长类进化6000万年的祖先大4倍以上。

化石证明了“大爆炸”。 但是，他们没能告诉我们大脑是如何能够迅速发展的，以及为什么如此巨大。 当然，比较一下这种迅速发展的理由，有很多理论。 采用诸多复杂性不断增加的社会交流互联网、工具和相互合作的集体文化，适应严峻变化的气候状况，这一切演化压力都是我们进化更大大脑的原因。

这些可能性非常引人入胜，但验证起来极其困难。 但是，在过去的8年里，科学家们也开始回答人类大脑是如何扩张的问题，也就是在细胞层面上体积是如何扩大的，以及人类是如何从生理学上重构大脑以应对体积和能耗的倍增的。 “此前一切都是推测，但最终在工具的帮助下找到了蛛丝马迹。 “杜克大学的进化生物学家gregory wray说。 “发生了什么样的突变，是怎么发生的？ 关于这个过程有多复杂，我们开始寻求答案，形成了更深的认知。 “”

什么使人脑独一无二？

特别是一位科学家改变了研究者们测量大脑的方法。 比起以前把估算大脑质量和体积作为判断智能的方法来说，她更专注于计算大脑的构成成分。 在里约热内卢联合大学的生物化学科学实验室，suzana herculano-houzel一如既往地将大脑溶解在核(细胞的基因控制室)悬浊液中。 每个神经元都有细胞核，用荧光分子标记细胞核，通过测量染色情况，可以得到脑细胞的准确数量。 她将这种做法广泛应用于哺乳动物的大脑，测量结果显示，与长期以来的预想相反，更大的哺乳动物大脑中不一定有很多神经元，它们的分布方法也不同。

人脑共有860亿神经元，其中690亿神经元位于小脑中，是大脑后部的神经密集区域，负责调节身体的基本功能和活动。 大脑皮质中有160亿神经元。 这是大脑的脑冠区域，带来最多复杂的内心和灵感，包括自我意识、语言、问题、处理抽象思维的能力等。 脑干中有10亿个神经元，延伸到大脑的细胞核。 相比之下，大象的大脑体积是我们大脑的3倍，小脑有2510亿个神经元，管理着巨大且功能丰富的象鼻。 大象的大脑皮质中只有56亿个神经元。 如果只考虑大脑的容量和体积，这些重要的差异就会被隐藏起来。

herculano-houzel根据自己的研究，推断灵长类动物进化出了比其他哺乳动物多得多的将神经元放入大脑皮质的方法。 与大象和鲸鱼相比，类人猿体积小，但大脑皮质神经元非常密集，黑猩猩和大猩猩有90亿皮质神经元，黑猩猩有60亿神经元。 在所有类人猿中，人脑是最大的，所以我们的大脑皮质有160亿个神经元。 事实上，人类似乎是地球上拥有最多皮质神经元的物种。 “这是人类和非人类大脑最明显的区别”，herculano-houzel说，所有这些在结构上不仅仅是尺寸。

人脑的超高能量消耗也是特征之一，大脑只占体重的2%，但人脑在休息时消耗了身体全部能量的20%。 相比之下，黑猩猩大脑的能耗只有一半。 研究人员长期以来一直想知道人体是如何适应和维持这个超高功耗的器官的。 1995年，人类学家leslie aiello和进化生物学家peter wheeler提出的“高能组织假说( expensive tissue hypothesis )”也许可以回答这样的问题。 基本逻辑是肯定的。 人脑的进化需要代谢平衡。 为了让大脑成长，其他内脏器官大肠也必须萎缩，能量本来流向后者，最终流向前者。 根据他们得到的数据，灵长类动物有更大的大脑和更小的肠子。

几年后，人类学家richard wrangham认为烹饪的发明对人类大脑的进化至关重要。 烹饪的软食物比未加工的硬食物更容易消化，减少了胃肠的工作量，得到了越来越多的卡路里。 学习烹饪可能是牺牲大肠使大脑更强大。 因为黑猩猩比人类强壮得多，其他研究者提出了大脑和肌肉之间相似的权衡观点。

总结一下，这些现代解剖学的假设和注意很有说服力，但它们是基于数百万年的生物进化。 为了搞清楚到底发生了什么，为了理解使大脑迅速进化的生理适应性，必须通过肉体进一步深入基因中。

基因是如何构建大脑的？

大约80年前，wray和同事开始研究影响葡萄糖作为能量进入细胞活动的基因谱系。 大脑组织谱系中的某个基因相当活跃，但另一个基因在肌肉中最活跃。 如果人脑的大小需要脑组织和肌肉的代谢平衡，这些基因在人类和黑猩猩中会有不同的表现。

wray和他的团队从死者和黑猩猩那里收集了大脑、肌肉和肝脏的组织，试图测试各个样本的基因活性度。 细胞“表达”基因时，首先将dna转录成信使RNA(mrna )序列，然后形成氨基酸链形成蛋白质。 根据mrna的不同变化程度，可以测定特定组织中某些基因的激活度。

为了测量不同mrna的相对丰度，wray团队从这些组织中提取了大量的mrna，并多次放大。 他们发现，人脑组织中脑中枢葡萄糖转运基因的活性度比黑猩猩高3.2倍，黑猩猩体内肌肉中枢基因比人类活跃1.6倍。 但是，这两种基因在人类和黑猩猩肝组织中的激活基本相同。

由于人类和黑猩猩的基因序列基本相同，因此其他理由肯定可以解释他们之间的不同行为。 wray和同事发现了基因调控序列(促进或抑制基因活性的dna片段)的差异，很有启发性。 在人类肌肉和大脑葡萄糖转运基因的调控序列中，蓄积性基因的变异而不是人类认为的偶然性基因的变异有所增加，说明这些区域正在经历加速进化。 换言之，强烈的进化压力通过人类基因调控序列的方法减少对肌肉的能量供给，从而增强对大脑的能量供给。 基因用化石永远无法解释的方法证实了高能组织假说。

去年，日本冲绳科学技术研究所的计算生物学家kasia bozek发表了同样的研究，从不同的立场研究新陈代谢。 除了观察基因表达外，bozek及其同事还分解了含有糖、核酸、神经递质等不同小分子的代谢物水平。 的代谢产物是代谢和生产所必需的。 不同器官的代谢途径不同。 这取决于你要做什么，需要多少能量。 一般来说，近亲物种比远亲物种的器官代谢物水平更相似，例如bozek发现人和黑猩猩的肾脏代谢途径非常相似。 但是，基于典型的进化率，黑猩猩和大脑的代谢物水平比预期高4倍。 肌肉代谢物的水平比预想的高7倍。 bozek说，即使基因水平差异不大，代谢水平也有很大差异，所以这不仅仅是两三个突变，你的大脑一下子变大了。

随后，bozek及其同事挑选了包括大学篮球运动员和专业攀岩运动员在内的42人，在力量测试中对抗黑猩猩和猕猴。 所有灵长类动物都必须背着重物把滑动的书架拉到自己身上。 就体积和重量而言，黑猩猩和猕猴是人类的两倍。 虽然不知道为什么会这样，但也许是因为肌肉输送了能量，灵长类动物的堂兄比我们的肌肉更有立足之地。 bozek先生说，与其他灵长类相比，我们失去了肌肉的力量，为大脑提供了能量。 但这并不意味着我们的肌肉天生就弱，只是新陈代谢的不同。

然后，wary是杜克大学的同事，咨询了胚胎脑发育专家debra silver，开始了独创性的实验。 他们不仅要找到与我们大脑进化相关的基因变异，还必须把这些变异嵌入小鼠的基因组中，注意结果。 silver先生说，这是前人没有尝试过的。

首先他们通过扫描人类进化加速区( human accelerated regions，hars )的基因数据库，发现这些dna调控序列在所有脊椎动物中都很相似，但在人类中发生了变异。 他们决定把重点放在hare5基因上。 这个基因似乎控制着大脑的发育。 与黑猩猩不同，人类的hare5基因由16个dna序列组成。 silver和wary将黑猩猩的hare5基因复制到一组小鼠，作为对照，另一组小鼠复制了人的hare5，注意了小鼠胚胎的大脑是如何发育的。

经过9天的生长，小鼠胚胎开始形成大脑皮质(最多与杂心功能相关的脑褶表层)。 第十天，幼鼠大脑中人类hare5的基因比黑猩猩活跃，最终移植人类基因的小鼠大脑体积比移植黑猩猩大12%。 进一步发现，hare5基因使胚胎脑细胞分裂、增殖的时间从12小时缩短到9小时。 携带人hare5基因的小鼠大脑能够更迅速地产生新的神经元。

其实10年前就可以进行这项研究了，但是当时我们还没有完成整个基因组的测序。 silver先生说这真是令人兴奋。 但是她强调，要完全回答人脑是如何变异的，还需要进行大量的研究。 我们不能只通过一两个基因的突变来解释整个大脑。 那绝对错了。 我们在有进化规律的方面可能得到了很多小的变化。

wray说:“不仅仅是一两个基因发生了变异。 咆哮！ 你的大脑迅速进化了。 随着我们对人类和黑猩猩之间的一些变化越来越了解，我们意识到这是许多多基因共同作用的结果，每个基因都有自己的贡献。 我们已经抓住了门路。 大脑的进化非常模糊和微妙。 “”

大脑和身体

人脑的扩张一直是个谜，但其重要性从未被怀疑过。 研究者一次又一次地把人类远远高于其他动物的智慧，归结为大脑的进化。 最近对鲸鱼和大象的研究表明，体积大并不代表一切，但也确实是重要的一面。 之所以拥有比类人猿更多的皮质神经元，并不是因为大脑的神经元密度高，而是因为它能够进化出足够大的大脑来容纳所有多余的细胞。

但是，沉迷于自己的大脑也是很危险的。 确实，高智慧需要有越来越多神经元的大脑，但光有这些是不够的。 想象一下如果海豚有手会怎么样。 海豚很聪明。 他们被解释为具有自我意识，协同和计划的能力，以及初步的语言和语法。 但是，与类人猿相比，其操作素材的能力不足，自身能力受到严重限制。 因为只有鳍，海豚不能进入石器时代。

同样，黑猩猩和倭黑猩猩也可以理解人类的语言，使用触摸屏编写简单的句子，但这些频道无法生成可以清晰识别的音节。 相反，鸟声道的结构可以完美地模仿人类的故事，但鸟的大脑太小，无法学习许多复杂的语法。

无论人脑发展到什么程度，或者我们为此需要提供多少能量，没有合适的身体都是没有用的。 三个特别重要的适应性进化，关系到我们整体智力水平的提高:直立行走可以解放我们的双手来制造工具，采用火和狩猎。 我们手的灵活性远远高于其他动物的适当频道使我们能够说话和唱歌。 人类的智慧，无论它多大，都不仅仅是由某个器官的进化产生的。 我们身体中不同器官的进化，偶然产生了共同的效果，促进了智慧的迅速发展。 我们仍然迷恋自己的大脑大小，但实际上，我们的智慧总是远远超出大脑容量。

从quantamagazine、作者ferris jabr、机器的内心编译出品。

来源：成都新闻网