人腦為什么這么大？

波特先生 琳達

幾十年來，研究人員對此一直爭論不休，各種理論層出不窮。有人提出“社會腦假說”，認為演化形成較大的大腦可以幫助我們管理日漸復雜的社會生活；也有人提出“高耗能組織假說”，認為食肉讓大腦能夠以腸道為代價進行演化；有的研究提示合作狩獵或分享文化知識等社會挑戰促進人類大腦擴大；此外，一種解釋人類大腦進化的數學模型還發現環境具有更強的影響力……

發現控制大腦大小的基因

在過去的300萬年里，大腦的進化對我們這個物種思考、解決問題和發展文化的能力起了重要作用。但是，導致我們人類大腦進化背后的基因變化是難以捉摸的。2018年，兩個研究團隊同時發現了使人類演化出如此不可思議大腦的基因家族——NOTCH2。

在過去300萬年中，這個基因家族就像人類大腦演化的催化劑一樣。該基因所位于的基因組在過去被發現與神經發育疾病相關，它通過延緩干細胞分化為神經元的方式在人類大腦皮層發育中起重要作用。從長遠來看，這導致了在整體上產生更多的神經元。該基因也是人類所特有的（即使人類近親物種也沒有），并且在大腦皮層干細胞中高度表達。

在800萬到1400萬年前的一個遠祖身上發現了一個復制錯誤導致了“額外的大塊DNA”，加州大學圣克魯斯分校和霍華德·休斯醫學研究所的研究員大衛·豪斯勒博士說，他是其中一項新研究的資深作者。

這種名為NOTCH2NL的特殊基因可產生蛋白質，并參與將神經干細胞轉化為皮層神經元。NOTCH2NL增加了高級認知功能所在的新皮層神經元的數量。隨著時間的推移，造就了更大、更強的大腦。

“我們的大腦主要是通過大腦皮層某些功能區的擴張而變得更大，這是我們成為人類的基礎。”豪斯勒博士說，“我所能想到的最令人興奮的科學問題，莫過于發現并解碼那些使我們成為我們自己的神秘基因變化。”

豪斯勒說：“這是已知的第一個控制大腦大小的基本途徑中的人類特異性基因。”

在發現只有人類細胞攜帶NOTCH2NL基因后，豪斯勒的團隊開始忙著比較人類和獼猴大腦發育過程中的基因表達情況。

腦容量急劇增加之前它翻了兩倍

通過復制將NOTCH2的部分拷貝插入基因組中，這發生在遠古猿類物種中，它們是人類、黑猩猩和大猩猩的共同祖先。這種部分復制是一種非功能性的“假基因”，在黑猩猩和大猩猩的基因組中仍然存在。

然而，在人類譜系中，當額外的NOTCH2 DNA被復制到它的位置時，這個假基因就“復活”了，并產生一個功能基因。這個新基因會被重復幾次，并產生4個相關的NOTCH2NL基因。

四種NOTCH2NL基因中有一種似乎是非功能性的假基因，但另外三種是活躍的基因，是指導原NOTCH 2蛋白截短體產生的活性基因。

研究人員解釋說：“我們在比較人類和獼猴大腦發育過程中在干細胞衍生模型中表達的基因時，才意識到我們可以在人類細胞中檢測到NOTCH2NL，但在獼猴細胞中卻無法檢測到?！?/p>

“觀察DNA，我們也沒有在猩猩身上發現它，只在我們最近的親戚，大猩猩和黑猩猩身上發現了截短的、不活躍的版本。”

“重新構建的NOTCH2NL基因進化史表明，一種稱為基因轉換的過程可能負責修復NOTCH2NL的非功能性版本，這種版本最初是作為一種重要的神經發育基因NOTCH2的部分復制而出現的。”

該團隊認為，這種修復作用只發生在人類身上，大約發生在300萬到400萬年前，約與化石記錄顯示人類大腦開始擴張的時間相同，也就是我們從其他類人猿中分離出來幾百萬年后。但在我們與尼安德特人的共同祖先分離之前，NOTCH2NL又重復了兩次。

豪斯勒博士和他的同事研究了NOTCH2NL沒有表達時會發生什么：他們從人類干細胞中刪除了NOTCH2NL，并利用它來生長被稱為有機物的皮層。研究發現，在NOTCH2NL耗盡的干細胞中產生的有機化合物分化速度更快，但最終形成的有機化合物更小。

“如果你失去了NOTCH2NL，它會導致皮質干細胞過早分化成神經元，但與此同時，非常重要的干細胞庫也會枯竭，”豪斯勒博士團隊的成員、阿姆斯特丹大學研究員弗蘭克·雅各布斯博士說。

被稱為1q21.1的基因組區域的重復或缺失已知會分別導致大頭癥或小頭畸形，并與一系列神經發育障礙有關，包括多動癥、自閉癥譜系障礙和智力殘疾。由于NOTCH2NL是大腦和1q21.1疾病易感性之間的一種進化權衡，所以研究人員很快指出，這里也有很多健康的變異。

尋找活躍的人類特有基因

另外一個研究小組由布魯克斯大學的發育生物學家皮埃爾·范德海根和維布庫魯文領導，他們從一個相關的方向抵達NOTCH2NL，利用原始組織尋找在胎兒大腦發育過程中活躍的人類特有基因。

范德海根說：“對于我們這些研究人員來說，弄清楚在人類發育和演化過程中導致大腦（尤其是大腦皮層）變得更大的因素是非常重要的事情。鑒于人類大腦相對較快的演化，人們很容易猜測到新進化的、人類特有的基因可能有助于我們以一種特定于物種的方式塑造大腦”

尋找與大腦發育有關的人類特有基因被證明具有挑戰性，因為難以和其他物種區分開來。因此該團隊開發出一種新的RNA測序分析方法，專門用于在胚胎組織中進行人類特有基因的特異性和敏感性檢測。這使得研究人員能夠識別出35種人類特有的在人類大腦皮層發育過程中活躍的基因，包括NOTCH2NL基因家族。

他們將注意力集中在NOTCH2NL上，因為其祖先基因NOTCH 2在控制皮質干細胞是否產生神經元或再生更多干細胞的信號過程中具有重要作用。他們發現，在小鼠胚胎中人工表達NOTCH2NL可以增加小鼠大腦皮層中的祖細胞數量。

通過對基于人類多能干細胞的體外皮層發育模型進行測試后研究人員發現，NOTCH2NL能夠顯著增加培養物中的細胞數量，從而產生更多神經元。

“一個干細胞有三種分化可能性：再生兩個祖細胞，生成兩個神經元，或者生成一個祖細胞和一個神經元。而NOTCH2NL所做的就是輕微地改變這種決策可能性，使干細胞更容易生成祖細胞，而這最終會使神經元增加。”范德海根博士說。

為了更好地了解這些基因在人類中的作用，科學家們從人類多能干細胞中建立了一個皮層發育的體外模型，以探索NOTCH2NL的功能。在這個模型中，他們發現NOTCH2NL可以顯著增加皮質干細胞的數量，進而產生更多的神經元，這一特征有望區分人類和非人類的皮質神經發生。

關于NOTCH2NL我們還有很多不懂的事情。到目前為止比較明確的是，NOTCH2NL在人類大腦進化過程中起到重要作用。它或許可以部分回答那個古老的問題——我們之所以成為人類，是因為幾百萬年前發生的一個基因突變，這個突變使我們變得聰明起來。

社會挑戰推動了更高的智力

NOTCH2NL幫助我們祖先的大腦變大，但從新陳代謝的角度來說，腦組織是昂貴的東西。蘇格蘭圣安德魯斯大學的數學進化生物學家毛里奇奧·岡薩雷斯·費萊羅博士說：“大腦占身體重量的4%，但卻消耗了20%的能量?！?/p>

一定有什么東西推動了更大、更昂貴的大腦的進化。出現了三個競爭者：社會挑戰（包括合作和競爭）、生態挑戰（尋找食物，躲避捕食者）和文化挑戰（能夠分享獲得的知識和技能）。

大多數研究人員認為，社會挑戰推動了更高智力的出現，但這些模型在很大程度上是不可測試的。

在2018年5月份的《自然》雜志上，岡薩雷斯·費萊羅和他的同事安迪·加德納首次展示了一種計算工具，用來了解是什么驅使人類的大腦變得更大。岡薩雷斯·費萊羅說，他們的方法比其方法更復雜，但也基于實際的數字運算。我們的目標不僅僅是研究為什么我們的大腦會變大，而且是為什么它們會變得如此之大。

岡薩雷斯·費萊羅說：“這是基于經驗的證據，有實際的代謝成本，所以也更容易測試。”

他們研究了不同組織的能量消耗，以及身體大小。任何一個組成部分的生長都需要增加能量，但這是一種權衡：增大大腦體積也能提高技能，但一個更大、更需要能量的大腦會減少身體其他部分的能量，比如生殖組織。

新模型產生了多個場景，每個場景都有不同的挑戰組合。岡薩雷斯·弗萊羅認為社會智力的需要——主要的假設是最重要的，但事實正好相反。他稱之為“軍備競賽”的是越來越聰明的個體之間的競爭，結果適得其反。

他說：“這會讓你的大腦變得更大，但它們（在新陳代謝方面）代價太大?！?/p>

相反，研究發現，最可能解釋我們的大腦與身體比例的情況是60%的生態挑戰，30%的合作和10%的群體間競爭。社會智力理論家們仍然對這些結果持懷疑態度，但岡薩雷斯·費萊羅指出：“我們并沒有拘于任何特定的假設，我們只是提供一種工具?！彼呀浽谟媱澩晟七@個工具。最初的模型沒有考慮文化智力假說，而他希望將文化智力假說納入模型。

人腦未來可能發生更大的變化

社會和工作場所的新近變化甚至有可能推動孤獨癥病例在最近呈上升趨勢。劍橋大學孤獨癥研究中心主任西蒙·巴倫·科恩想知道孤獨癥病例的增加是否部分地歸咎于“選型配對”，即人們挑選同他們相像的人作為配偶。自閉癥譜系障礙患者通常更注重細節，分析能力更強，如今，他們也許比過去更容易找到與其情投意合的伴侶。巴倫·科恩指出，在20世紀50年代末期，麻省理工學院僅有2%的畢業生是女性，而現在這一比率達到50%。他正在制定一項研究，用以測試易患孤獨癥的人群中存在的選型配對，是否會提高他們生下患孤獨癥的兒童的幾率。

人腦如今已變成世界上獨一無二的認知機器，且很可能在未來發生更大的變化。從事語言和大腦進化研究的哈佛大學實驗心理學家斯蒂芬·皮克表示，我們所處的環境從本質上講是一個“認知環境”。在一項研究中，威雷發現人腦中控制葡萄糖代謝的基因是最新進化成的基因之一?？赡苷沁@種進化，使得人腦的體積達到與我們關系最親近的物種黑猩猩大腦體積的兩倍。

第一個不同古人類種群之間的混血兒

研究人員從在西伯利亞丹尼索瓦的洞穴里發現的一根大約僅有兩厘米長的骨頭碎片中，找到了一位生活在大約9萬年前的少女的基因組。研究人員給她取名叫“黛尼”。雖然這塊骨頭僅有兩厘米，但是經過研究之后卻有重大發現。

DNA分析顯示，這位“黛尼”女孩是來自兩支已經滅絕了的古人類種群——尼安德特人（母親方）和丹尼索萬人（父親方）——的直接混血兒。并且這兩支古人類種群和我們現代人類都不屬于同一進化支。雖然遺傳學家此前已經發現了人屬間雜交的證據，但是研究人員首次發現了不同古人類種群的第一代后代。

地球上第一位藝術家不是人類

我們常常會感嘆遠古文明中人類的智慧與創造力，也會不禁遐想地球上第一位藝術家到底是誰。然而，英國的南安普頓大學、德國的馬克斯·普朗克研究所、西班牙的巴塞羅那大學以及其他研究小組利用最新的鈾釷測年法，共同探究了先前發現的西班牙洞穴壁畫遺址的作者身份。研究后發現，地球上的第一位藝術家并不是人類，而是尼安德特人。在此之前，尼安德特人被廣泛描述為野蠻且沒有審美和認知能力的劣等種族；然而，這些洞穴壁畫的發現表明，我們現代人類并不是地球上第一批能夠處理象征思維和擁有自我意識的復雜高知生物。

300多萬年前的古人類“幼童”能直立行走

我們現代的兩足動物可以有效地用兩條腿走路，但進化而來的樹棲動物卻不能。確切地說，在我們的起源故事中，從樹上生活到陸地生活的轉變發生在什么時候，一直是古人類學家爭論不休的問題。許多研究人員認為，阿法南猿生活在300萬到400萬年前的東非，是第一個完全兩足的祖先。

然而，在2018年7月的《科學進展》雜志上，美國研究人員分析了約331萬年前南方古猿阿法種一個2.5歲雌性幼猿的足部骨骼化石，該化石與人類拇指差不多大，2002年發現于埃塞俄比亞的迪基卡地區。

研究發現，該幼猿足部的許多結構特征表明她可以直立行走，其內側楔骨凸出，可用來幫助爬樹。

南方古猿阿法種最著名的代表是1974年在埃塞俄比亞出土的“露西”，她生活在距今約320萬年前。此前有學者認為，南方古猿阿法種幾乎完全雙足行走，但也有研究認為他們部分棲于樹上，“露西”可能因從樹上掉下受傷而死。這可能意味著更年輕阿法種的個體為了躲避捕食者會在樹上游蕩，但一旦成年，它們就會花時間在地面上覓食。

我們的擴張故事

研究人員一致認為，最早的原始人——靈長類的分支——出現在非洲。但是在那之后事情就變得有點模糊了。特別是，人類在何時以及如何在舊大陸傳播的地圖一直在變化。這些發現為我們的祖先和遠親開辟了一條“新”的道路。

以色列米斯利亞

有關現代人類起源的故事不斷被修改，但總的來說，智人首先是在我們現在稱之為埃塞俄比亞的地區出現的，某些留在東非的后裔在大約10萬年前進化為現代智人。2018年1月在《科學》雜志上公布的數據顯示，從解剖學角度看，一個現代人類的部分下顎可追溯到17.7萬至19.4萬年前。這是人類在非洲以外的最古老的骨骼證據，比早期估計的智人出現在非洲大陸的時間還要早5萬多年。

該研究的首席研究員伊斯雷爾·赫斯柯維茲說：“雖然米斯利亞化石的所有解剖細節都與現代人類完全一致，但有些特征類似于尼安德特人和其他人類群體的遺跡。這表明，雖然非洲是我們物種的起源地，但我們的一些特征一定是在非洲以外的地區進化而來的。

沙特阿拉伯中部省

十多年來，一個由考古學家和人類學家組成的團隊一直在阿拉伯沙漠中尋找證據，以證明人類最早的一些成員曾一度穿過那里曾經的綠地。研究人員2018年4月在《自然生態與進化》雜志上發表報告稱，這塊手指骨大約有8.5萬年的歷史，是在阿拉伯半島發現的最古老的解剖學意義上的現代人類化石。根據同一地點的動物骨骼、石器和沉積物，研究小組認為，它位于一個全年都有水的淡水湖旁邊，周圍是半干旱的草原，到處都是獵物：這是一個吸引早期狩獵采集者的營地，他們相信這些人曾在這里生活過一段時間。

新發現支持這樣的觀點——早期現代人擴散到歐亞大陸的時間比此前很多人認為的更早，而且更頻繁。

印度阿提蘭帕克卡姆

很久以前，就在現在的南印度，早期人類展現了令硅谷的科技奇才們羨慕不已的創新能力。隨著時間的推移，古代發明者們放棄了笨重的手斧和劈刀，轉而選用光滑的薄石片來切割東西和制作長矛。

與此同時，非洲大陸上現代人類祖先也開始了類似的更新換代活動。但考古工作者們在印度阿提蘭帕克卡姆遺址的土壤層中發現了工具換代時期的痕跡，這很令人驚訝。這片遺址的工具換代可能發生在25萬年前，也可能是更早的38.5萬年前，這要比印度其他遺址早得多。這意味著舊石器時代中期文化在印度地區的起源又提早了十萬年。盡管沒有發現人類骨骼，但大量距今38.5萬年前的石器證據表明，智人離開非洲的時間比人們想象的要早得多。然而，其他研究人員認為，這些工具并不那么先進，可能是由另一個更古老的物種制造的。

中國上陳遺址

在陜西省西安市藍田村一帶，中國科學院廣州地球化學研究所朱照宇領導的中外團隊新發現一處早更新世的古人類舊石器遺址——上陳遺址。在該遺址中發現的96件石器，經過一系列野外測量和實驗測試分析，發現這些石器距今最早已有212萬年。也就是說，人類至少早在212萬年前就已經離開非洲，這比此前提出的年代要早約27萬年。

它們與鹿和其他動物的骨頭一起被發現，但沒有人類的化石。然而，1964年的一次挖掘在幾英里外發現了一個163萬年前的部分直立人頭骨。