大腦進(jìn)化歷程——從8.5億年前到1萬年前

文／朱斌

大腦進(jìn)化歷程
——從8.5億年前到1萬年前

文／朱斌

3 萬年前，位于今天法國南部的一個(gè)山洞中，一名男子借助閃著微光的油燈，在山洞的石壁上描繪牛頭人身的畫像。無獨(dú)有偶，1933年，大畫家畢加索也創(chuàng)作了一幅與之類似的畫作——《牛頭怪少女》。兩位藝術(shù)家相隔整整3萬年，令人驚訝的是他們卻有著如此相似的作品。其實(shí)這并不奇怪，因?yàn)槲覀兊拇竽X結(jié)構(gòu)在這3萬年來并沒有很大的變化，而這些畫作正好證明古人和現(xiàn)代人的大腦功能沒有顯著的不同。

那么，人類為什么會(huì)在漫長的進(jìn)化過程中擁有如此令人驚訝的大腦呢？這個(gè)問題實(shí)在難以回答，因?yàn)榇竽X不會(huì)形成化石。不過，借助當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)，我們還是可以將人類大腦的進(jìn)化歷程描繪到一個(gè)難以想像的精確程度。

8.5億年前生物開始感知世界

人類大腦的進(jìn)化簡史要追溯到古海洋時(shí)代，遠(yuǎn)在最早的動(dòng)物出現(xiàn)之前。當(dāng)時(shí)在大海中沉浮的單細(xì)胞生物還沒有大腦，但是它們已經(jīng)有了能夠感知和適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。近年來的一些研究發(fā)現(xiàn)，領(lǐng)鞭毛蟲等一些單細(xì)胞生物會(huì)釋放和接受化學(xué)信號(hào)或者傳遞電信號(hào)。這種大約在8.5億年前出現(xiàn)的領(lǐng)鞭毛蟲被認(rèn)為是動(dòng)物的祖先。

隨著多細(xì)胞動(dòng)物慢慢進(jìn)化成功，細(xì)胞之間開始有了相互的感知和應(yīng)答，使得它們能夠共同工作。例如，海綿會(huì)通過膨大和壓縮體腔，使海水進(jìn)入，濾食小生物，并排出消化殘?jiān)？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，這種進(jìn)食活動(dòng)總是伴隨著神經(jīng)化學(xué)遞質(zhì)在細(xì)胞間的傳遞。這些化學(xué)信號(hào)在我們的大腦中也扮演著類似的角色，它們是神經(jīng)元之間傳遞信息的信使。

6億年前最原始的大腦出現(xiàn)了

一些細(xì)胞逐漸演變成具有特殊傳遞信息功能的神經(jīng)細(xì)胞，而且進(jìn)一步演化出軸突，用以遠(yuǎn)距離傳遞各種電信號(hào)。它們也通過在細(xì)胞突觸的位置釋放化學(xué)物質(zhì)向其他細(xì)胞快速傳遞信號(hào)。最終神經(jīng)系統(tǒng)誕生了。

最早的神經(jīng)元可能在無脊椎動(dòng)物體內(nèi)形成一個(gè)彌散的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在的水母和海葵依然如此。大約6億年前類似于大腦的神經(jīng)核團(tuán)出現(xiàn)在蠕蟲類動(dòng)物中，它們是現(xiàn)在絕大多數(shù)動(dòng)物，包括脊椎動(dòng)物、軟體動(dòng)物和昆蟲的祖先。神經(jīng)核團(tuán)是原始的中央神經(jīng)系統(tǒng)能夠處理各種信息而不僅僅是傳遞信息，這使得動(dòng)物能夠?qū)Ω鼜?fù)雜的外界環(huán)境做出反應(yīng)。

5億年前大腦分化出不同的腦區(qū)

大約5億年前，有些動(dòng)物發(fā)生了基因突變，結(jié)果導(dǎo)致基因組被復(fù)制加倍。事實(shí)上，這樣的突變至少有過2次。這些突變?yōu)檠芑鰪?fù)雜的大腦埋下了伏筆，它提供了豐富的新基因片段，使得大腦分化出不同的腦區(qū)來表達(dá)不同類型的神經(jīng)遞質(zhì)，使大腦產(chǎn)生各種不同的功能。

2億年前大腦皮層開始出現(xiàn)

大約3.6億年前，我們的祖先登陸了。在大約2億年前，它們進(jìn)化為最早的哺乳動(dòng)物，大腦表層形成了一個(gè)較小的大腦皮層，從而擁有復(fù)雜和多變的行為。這種至關(guān)重要的神經(jīng)結(jié)構(gòu)是怎么出現(xiàn)的，我們無法從化石中獲得答案。唯一可以確信的是，哺乳動(dòng)物的相對(duì)腦容量較大，因?yàn)樗鼈兿胍诳铸埥y(tǒng)治的時(shí)代生存下來，這促進(jìn)了神經(jīng)系統(tǒng)的高速發(fā)展。

美國研究人員使用CT技術(shù)研究兩只食蟲哺乳動(dòng)物頭顱化石的顱腔。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腦容量的增加首先發(fā)生在嗅球，這與食蟲類動(dòng)物需要倚重它們的鼻子去尋找食物不謀而合。除此以外大腦皮層中與觸覺相關(guān)區(qū)域腦容量也有了很大的增加，這表明觸覺對(duì)于它們來說必不可少。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)完美地佐證了對(duì)早期哺乳類動(dòng)物夜行性的猜測——它們白天躲藏，僅在晚上覓食，因?yàn)槟菚r(shí)恐龍已經(jīng)休息了。

6500萬年前大腦前額葉區(qū)域擴(kuò)大

大約6500萬年前，恐龍滅絕后一些哺乳類動(dòng)物開始爬上樹生活，它們成了靈長類動(dòng)物的祖先。更好的視覺使它們能夠追蹤昆蟲，這也導(dǎo)致它們擁有更大的視覺皮層。和現(xiàn)代靈長類動(dòng)物相似，它們可能也傾向于群居，這要求每一位成員有更強(qiáng)的腦功能。科學(xué)家認(rèn)為也許這可以解釋靈長類動(dòng)物前額葉區(qū)域的明顯擴(kuò)大，尤其是猿。

這些變化都為哺乳類動(dòng)物提供了更強(qiáng)的整合與處理信息的能力，并基于這些神經(jīng)活動(dòng)來控制它們的行為。這樣的變化除了提高它們的整體智力以外，也最終導(dǎo)致抽象思維的出現(xiàn)。大腦處理的輸入信息越多就越能夠鑒別和搜索各種相關(guān)模式。

250萬年前大腦容量急劇增加

現(xiàn)在，我們將目光聚焦到人類的祖先——生活在1400萬年前的非洲猿。過去，科學(xué)家大多認(rèn)為因?yàn)殡x開森林的人類學(xué)會(huì)了直立行走，最終導(dǎo)致人類大腦的高度進(jìn)化。但是化石證據(jù)告訴我們，當(dāng)原始人類學(xué)會(huì)直立行走后的近百萬年間，它們的腦容量始終沒有很大的改變。

科學(xué)家推測，人類的腦容量是在近250萬年間急劇增加的。其他脊椎動(dòng)物的咬肌力量非常強(qiáng)大，它貫穿整個(gè)顱骨，肌張力抑制了顱骨的增長。而人類的祖先因?yàn)榛蛲蛔儯Ъ×α坎蛔悖苍S正是這個(gè)原因使得顱骨有機(jī)會(huì)繼續(xù)長大，這樣的突變使得原始人類具有小下顎和更飽滿顱骨的特點(diǎn)，并可能最終引起大腦的進(jìn)化。

200萬年前豐富的食物加速大腦的進(jìn)化

科學(xué)家指出，當(dāng)更聰明的原始人能夠受益于他們的智慧，并利用智慧過上更舒適的生活后，這樣的正反饋推動(dòng)并加速了大腦的發(fā)展。大約200萬年前，人類開始學(xué)會(huì)使用工具捕獵動(dòng)物，這是腦進(jìn)化的重要里程碑。因?yàn)槿忸愂侵匾臓I養(yǎng)來源，更豐富的食物來源加速了大腦的進(jìn)化。人類對(duì)于火的使用也具有舉足輕重的作用。烹煮過的食物讓人類能夠更好地汲取營養(yǎng)，使得人類的消化道變短，人類可以省下大量用以維持消化道工作的能量，這些能量可供大腦使用。

科學(xué)家們還通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn)，文化演變和基因演變會(huì)相互反饋和促進(jìn)，這對(duì)于人類形成語言具有非常重要的意義。當(dāng)原始人類開始使用語言進(jìn)行交流時(shí)，一種基因突變強(qiáng)烈地促進(jìn)了這種語言能力。例如著名的FOXP2基因，它使人類的基底神經(jīng)節(jié)和小腦可以處理復(fù)雜的動(dòng)作記憶，這是形成復(fù)雜語言的基礎(chǔ)。

20萬年前人類的大腦最終進(jìn)化成功

正是由于當(dāng)時(shí)人類的食物、文化、技能、群體和基因等各種因素的共同作用，最終導(dǎo)致了現(xiàn)代人類的大腦在20萬年前進(jìn)化成功。

然而，我們的腦容量在20萬年前開始就不再增長。那么，為什么人類的大腦沒有變得更大呢？這可能是因?yàn)槟X容量的增加會(huì)增加新生兒出生時(shí)的危險(xiǎn)。另外，我們的大腦是一個(gè)耗能大戶，它要消耗身體近20%的能量，如果再增加腦容量，人類可能無法負(fù)擔(dān)大腦的能量需求。

1萬年前腦容量開始縮小

在最近的1萬到1.5萬年間，人的腦容量相比我們的身體竟然縮小了3%～4%。不過腦容量并不代表智力的高低，我們大腦的進(jìn)一步進(jìn)化可能體現(xiàn)在對(duì)白質(zhì)和灰質(zhì)的充分利用和比例優(yōu)化上。一些遺傳學(xué)研究也支持這個(gè)觀點(diǎn)，我們大腦的神經(jīng)元排布和利用率要比古人高得多。

但是有人認(rèn)為人類大腦萎縮是人類普遍心智能力輕微下降的標(biāo)志。一旦形成復(fù)雜的社會(huì)，不太聰明的人將依靠比他們更為聰明的同齡人而幸存。而且大腦的這種退化還將繼續(xù)。2010年的一份研究顯示，如果排除移民的影響，這種腦部退化的影響將導(dǎo)致美國每代人智商下降大約0.81Q值。不過，環(huán)境因素和自然因素顯示，即使這種基因影響是真的，它也早已被進(jìn)步的醫(yī)療和教育所補(bǔ)償，它們所帶來的是21世紀(jì)人類智商的穩(wěn)步升高。