腦的進化

［腦科學與科學教育］哲學思想的重大變化會帶來多個領域顛覆性創新的出現（中）——腦的進化作者：韋 鈺在2000多年以前，人們已經認識到人之所以是萬物之靈，大地之秀，是因為我們有獨特的心智。到了17世紀，人們普遍接受了這樣的科學知識，我們的心智來自於腦，而不是心臟。既然人腦如此重要，那麼人類獨特的腦是怎麼形成的？從原則上講，沒有例外，人和所有地球上存在的其他物種一樣，遵循著達爾文提出的進化論，在物種競爭中，依靠自然選擇，適者生存，經過長期進化而形成。雖然達爾文提出的進化論是研究一切生物學問題的核心，始終指導著生物學的發展。但是，在他最初提出時，進化論類似於一種假說，缺少實證數據的支持。在每一次生物學的新進展中，達爾文的進化論都會遇到挑戰，在挑戰之中，得到不斷地深化和完善，其中，有關人腦的進化是進化論中最具有挑戰性的問題。在開始研究腦的進化時，限於科學手段的有限，研究者主要集中關註解剖學上的比較和腦進化的生理形態。在宇宙形成的時間長河中，人類存在的歷史只佔很短暫的一瞬間。根據現有的科學資料顯示，大約在200億年以前，宇宙發生大爆炸；45億年以前，形成太陽和地球；34億年以前，地球上出現生命；4.5億年以前，出現魚，地球上開始有了約1毫米大小的腦；3億年以前爬蟲動物出現, 爬蟲動物的腦分成3個部分：前部很小，用於嗅覺、中部用於視覺、後部用於平衡和協調；2億年以前出現哺乳動物，哺乳動物的腦中出現了新的皮層，新皮層從端腦衍生而成。大約在2?500萬年以前，人類和目前活著的猿分離，這之後，腦的體積不斷增大。腦的體積急劇增加，只是在距今二三百萬年左右。300多萬年前，腦量只有300毫升左右，和當今生存著的黑猩猩差不多。直立人存在180萬年至30萬年以前，早期直立人的腦體積平均為900毫升，到了後期平均為1?100毫升。智人最早出現在50萬年以前，腦的平均容積為1?200毫升。前額皮層的出現，皮層面積的增加，提供了人更多的適應性和更多的複雜功能。現代人腦的尺寸平均為1?380毫升，重量在1?300?1?500克範圍。人類的文明史存在約1萬年，有文字記載的5?000年左右。如果把地球的歷史45億年比作1天，智人存在50萬年，相當於10秒，人類有文明史的時間只相當於0.2秒。在人的進化過程中，人腦的體積不僅增大了，形狀也發生了變化，前額部分明顯突出，皮層實際面積大大增加，為了能塞進腦顱，大腦皮層出現了許多凹凸的溝和葉瓣。如果把腦的皮層攤平，人的大腦皮層面積是黑猩猩的4倍，有4張A型標準打字紙那麼大。人腦中皮層的結構也發生了變化，結構不同的層數增加到6層，而且神經元間的相互連接明顯增多。腦顱體積增大的同時，連接增多，功能提高，腦里的信息處理速度就必須加快，因此消耗的能量增加。人腦消耗的能量占人體消耗總能量的25%，這是各種動物中比例最高的，而日夜工作不停的心臟，所消耗的能量只佔總能量的5%。在分子生物學的發展和人類基因組計劃完成後，如何從基因角度解釋達爾文基於自然選擇的進化論，成為科學界的又一次挑戰。根據基因遺傳的原理，物種進化必須發生基因的突變。基因的突變，要能夠引起生物行為的變化，如果這種行為的變化有利於該物種的生存和繁殖後代，這樣一組基因的變異才能保留下來。因而從物種變化看，需要回答有關基因變化的一些問題。比如，從測出的基因組對比看，我們人類和現存的近親黑猩猩，以及曾經存在的尼安德特人基因組有什麼不同，發生了哪些變化？這些基因的變化改變了人的什麼功能？尼安德特人大約在50萬年前和我們來自同一個祖先，曾經在歐洲和近東地區生存過，大約在20萬年前，就消失了。消失的原因至今沒有搞清楚。近年來，從法國洞穴里發現的尼安德特人骨頭殘留物中，美國科學家測出了尼安德特人的基因序列。對比結果顯示，人類和大猩猩，以及尼安德特人的DNA中98%部分是相同的，基因幾乎是100%相同。其中，不相同的基因中，有的基因差異是十分關鍵的。例如，現在科學家已經鑒別出使人類和其他靈長類的腦尺寸產生差異的2個基因：Microcephalin和ASPM。這2個基因也是在現代人群發育時控制人腦尺寸的基因。如果這2個基因發生變異，會導致腦小畸形的疾病。在對比人腦和猴腦的研究中，發現基因變異有三種形式，一是直接選擇（Direct Selection），即一個新的基因取代了原有的基因；二是平衡選擇（Balance Selection），一個新的基因和原來的基因共存；第三種是重複次數的選擇（Frequency Depending Selection），基因出現的重複次數變化了。在人進化過程的基因變異中，第三種形式最為普遍。在進化過程中，最後勝出者意味著在正確的地方，正確的時間，正確的一組基因被表達[1]。無損傷功能腦成像技術的問世，也為腦的進化研究提供了新的工具。可以用功能成像技術，比較人腦和猴腦功能迴路和行為的相關與差異[2]。例如，科學家發現人腦皮層中，腦島區皮層的特殊性。前腦島皮層是一個很小的腦區，幾乎是塞進腦深部的其他皮層裡面。它與包括情緒、自我察覺、社會交互行為有關；並在人的自我察覺和精神疾病中起著關鍵的作用。在這個區域里，存在一種特殊的神經元（VEN）。以前認為這個區域和VEN神經元是人特有的，但是現在發現在猴子的腦中也存在，但是數量很少，它們和其他神經元連接的通路也很少。又例如，人腦和猴腦處在靜息狀態的腦迴路驚人地相似，但是人有兩個迴路是獨特的，猴子有一個獨特的迴路。我們特殊的迴路位於腦皮層的後頂部，以及在皮層的前部，這兩個區域都和人腦的高級功能有關，和意識有關。最近科學家還發現，人的左右腦分工是提高腦處理信息效率的重要途徑，原來以為是人特有的，現在發現，早期脊椎動物的左右腦的功能就是不對稱的。所以，人類的確具有獨特的腦皮層迴路，但是它是從其他低等動物經過長期的自然選擇，進化而形成的。不僅自然環境對人的進化形成了驅動力，從近幾百萬年來腦進化的突然加速看，人的社會性增加，會形成很大的進化驅動力。如今，科學技術以驚人的速度在發展，信息量急劇增加。因移動互聯網和物聯網的出現，人與人之間，人與物理世界之間的聯繫出現了新的特點，範圍大，速度快，聯繫緊密。在這種環境和文化中，個體和群體人腦的變化情況如何，已經引起了跨學科的關注。科學研究還證明了在人類這個總的種族中，普遍存在著人與人的差異，80%的人有單個編碼的差異，20%的人存在基因的缺失和重複的差異，這種差異在少數民族中經常出現。人群中出現的這種多樣性，有利於人作為一個種族在競爭中生存。如果一個種族完全一樣，那麼一種疾病就可能把整個種族消亡。環境的變化和食物的缺失就容易引起種族的災難，同一種族中的競爭也會更加激烈。所以自然界不同種族的多樣性要保護，同一種族內的多樣性也是有利於自然選擇的，也同樣需要保護。在人類社會中，需要保護多樣性，尊重差異，相互包容和愛護。進化論是一切生物學研究的核心，也是科學和宗教爭鬥的重地。前幾年，美國就發生了反對在學校科學課中講授進化論的一股逆流。美國科學界為此展開了堅決的反擊，美國科學院發表了正式的報告[3]，加強了對中小學科學教師進化論知識的培訓。在我國的科學教育中，往往重視知識的傳授，不太重視哲學思想的討論。在一次重點科學教師的培訓中，討論到進化論，相當部分的教師認為，很難向學生說明人和動物有很多相像的地方。因此，在撰寫「做中學」科學教育內容標準和這次修訂小學科學教育標準時，我們把人與動物類似的身體和器官功能的部分放在一起，而把進化而成的腦單獨予以列出，以加強對進化論的關注。腦是經過自然選擇進化而成的。腦的起源和發展的進化理論對最後地理解腦是本質性的。在研究腦有關問題的全過程中，需要始終考慮到這個重要的出發點。研究任何生物學問題，我們都需要考慮為什麼這個生物學的結構或是功能被進化過程所保留。任何功能和結構所以存在，一定有它們存在的理由，是因為有利於在進化中保存這個物種。我們腦中有和動物相同的結構，所以我們和動物有共同點，確有獸性，然而，更重要的是有長期發展進化而形成的人性。人腦並不是什麼都能做，而是為了能夠更好地適應環境而生存，保留和發展著相應的功能。我們需要了解，哪些特點是人類共有的，哪些行為會在一定程度上因文化、語言而產生差異和變化。世界上的人共同點遠大於不同點，對於不同點要相互尊重，多樣性的存在是有利於人類社會發展的。有的人喜歡強調統一思想，統一行動。實際上，除了特殊的人群處於特殊的環境下，如軍隊在戰場上，能大致統一外，差異是絕對的。差異是有利於人類進化的，在目前人類適應性進化壓力明顯增大的時代，了解這些是很必要的。多樣性才能對付複雜性，從而保持整體人類社會的穩定和發展。主要參考文獻[1] Christopher Wills, The Evolution of Complexity-from Human Brain to Rainforest. UCSD Lecture. UCtv.[2] Evolutionary cognitive neuroscience. Edited by Steven M. Platek. Julian Paul Keenan and Todd K. Shackelford. The MIT Press. ISBN 13: 978-0-262-16241-8.[3] National Academy of Sciences and Institute of Medicine (2008). Science, Evolution, and Creationism, Washington. DC: The National Academies Press.
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