人腦為什么這么大？

波特先生 琳達(dá)

幾十年來(lái)，研究人員對(duì)此一直爭(zhēng)論不休，各種理論層出不窮。有人提出“社會(huì)腦假說(shuō)”，認(rèn)為演化形成較大的大腦可以幫助我們管理日漸復(fù)雜的社會(huì)生活；也有人提出“高耗能組織假說(shuō)”，認(rèn)為食肉讓大腦能夠以腸道為代價(jià)進(jìn)行演化；有的研究提示合作狩獵或分享文化知識(shí)等社會(huì)挑戰(zhàn)促進(jìn)人類大腦擴(kuò)大；此外，一種解釋人類大腦進(jìn)化的數(shù)學(xué)模型還發(fā)現(xiàn)環(huán)境具有更強(qiáng)的影響力……

發(fā)現(xiàn)控制大腦大小的基因

在過(guò)去的300萬(wàn)年里，大腦的進(jìn)化對(duì)我們這個(gè)物種思考、解決問(wèn)題和發(fā)展文化的能力起了重要作用。但是，導(dǎo)致我們?nèi)祟惔竽X進(jìn)化背后的基因變化是難以捉摸的。2018年，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)了使人類演化出如此不可思議大腦的基因家族——NOTCH2。

在過(guò)去300萬(wàn)年中，這個(gè)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(guò)去被發(fā)現(xiàn)與神經(jīng)發(fā)育疾病相關(guān)，它通過(guò)延緩干細(xì)胞分化為神經(jīng)元的方式在人類大腦皮層發(fā)育中起重要作用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這導(dǎo)致了在整體上產(chǎn)生更多的神經(jīng)元。該基因也是人類所特有的（即使人類近親物種也沒(méi)有），并且在大腦皮層干細(xì)胞中高度表達(dá)。

在800萬(wàn)到1400萬(wàn)年前的一個(gè)遠(yuǎn)祖身上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)復(fù)制錯(cuò)誤導(dǎo)致了“額外的大塊DNA”，加州大學(xué)圣克魯斯分校和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究員大衛(wèi)·豪斯勒博士說(shuō)，他是其中一項(xiàng)新研究的資深作者。

這種名為NOTCH2NL的特殊基因可產(chǎn)生蛋白質(zhì)，并參與將神經(jīng)干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為皮層神經(jīng)元。NOTCH2NL增加了高級(jí)認(rèn)知功能所在的新皮層神經(jīng)元的數(shù)量。隨著時(shí)間的推移，造就了更大、更強(qiáng)的大腦。

“我們的大腦主要是通過(guò)大腦皮層某些功能區(qū)的擴(kuò)張而變得更大，這是我們成為人類的基礎(chǔ)?！焙浪估詹┦空f(shuō)，“我所能想到的最令人興奮的科學(xué)問(wèn)題，莫過(guò)于發(fā)現(xiàn)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(shuō)：“這是已知的第一個(gè)控制大腦大小的基本途徑中的人類特異性基因?！?/p>

在發(fā)現(xiàn)只有人類細(xì)胞攜帶NOTCH2NL基因后，豪斯勒的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始忙著比較人類和獼猴大腦發(fā)育過(guò)程中的基因表達(dá)情況。

腦容量急劇增加之前它翻了兩倍

通過(guò)復(fù)制將NOTCH2的部分拷貝插入基因組中，這發(fā)生在遠(yuǎn)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(fù)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(dāng)額外的NOTCH2 DNA被復(fù)制到它的位置時(shí)，這個(gè)假基因就“復(fù)活”了，并產(chǎn)生一個(gè)功能基因。這個(gè)新基因會(huì)被重復(fù)幾次，并產(chǎn)生4個(gè)相關(guān)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(dǎo)原NOTCH 2蛋白截短體產(chǎn)生的活性基因。

研究人員解釋說(shuō)：“我們?cè)诒容^人類和獼猴大腦發(fā)育過(guò)程中在干細(xì)胞衍生模型中表達(dá)的基因時(shí)，才意識(shí)到我們可以在人類細(xì)胞中檢測(cè)到NOTCH2NL，但在獼猴細(xì)胞中卻無(wú)法檢測(cè)到。”

“觀察DNA，我們也沒(méi)有在猩猩身上發(fā)現(xiàn)它，只在我們最近的親戚，大猩猩和黑猩猩身上發(fā)現(xiàn)了截短的、不活躍的版本?！?/p>

“重新構(gòu)建的NOTCH2NL基因進(jìn)化史表明，一種稱為基因轉(zhuǎn)換的過(guò)程可能負(fù)責(zé)修復(fù)NOTCH2NL的非功能性版本，這種版本最初是作為一種重要的神經(jīng)發(fā)育基因NOTCH2的部分復(fù)制而出現(xiàn)的?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種修復(fù)作用只發(fā)生在人類身上，大約發(fā)生在300萬(wàn)到400萬(wàn)年前，約與化石記錄顯示人類大腦開(kāi)始擴(kuò)張的時(shí)間相同，也就是我們從其他類人猿中分離出來(lái)幾百萬(wàn)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(fù)了兩次。

豪斯勒博士和他的同事研究了NOTCH2NL沒(méi)有表達(dá)時(shí)會(huì)發(fā)生什么：他們從人類干細(xì)胞中刪除了NOTCH2NL，并利用它來(lái)生長(zhǎng)被稱為有機(jī)物的皮層。研究發(fā)現(xiàn)，在NOTCH2NL耗盡的干細(xì)胞中產(chǎn)生的有機(jī)化合物分化速度更快，但最終形成的有機(jī)化合物更小。

“如果你失去了NOTCH2NL，它會(huì)導(dǎo)致皮質(zhì)干細(xì)胞過(guò)早分化成神經(jīng)元，但與此同時(shí)，非常重要的干細(xì)胞庫(kù)也會(huì)枯竭，”豪斯勒博士團(tuán)隊(duì)的成員、阿姆斯特丹大學(xué)研究員弗蘭克·雅各布斯博士說(shuō)。

被稱為1q21.1的基因組區(qū)域的重復(fù)或缺失已知會(huì)分別導(dǎo)致大頭癥或小頭畸形，并與一系列神經(jīng)發(fā)育障礙有關(guān)，包括多動(dòng)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(jìn)化權(quán)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(gè)研究小組由布魯克斯大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家皮埃爾·范德海根和維布庫(kù)魯文領(lǐng)導(dǎo)，他們從一個(gè)相關(guān)的方向抵達(dá)NOTCH2NL，利用原始組織尋找在胎兒大腦發(fā)育過(guò)程中活躍的人類特有基因。

范德海根說(shuō)：“對(duì)于我們這些研究人員來(lái)說(shuō)，弄清楚在人類發(fā)育和演化過(guò)程中導(dǎo)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(duì)較快的演化，人們很容易猜測(cè)到新進(jìn)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(fā)育有關(guān)的人類特有基因被證明具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)殡y以和其他物種區(qū)分開(kāi)來(lái)。因此該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新的RNA測(cè)序分析方法，專門用于在胚胎組織中進(jìn)行人類特有基因的特異性和敏感性檢測(cè)。這使得研究人員能夠識(shí)別出35種人類特有的在人類大腦皮層發(fā)育過(guò)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?yàn)槠渥嫦然騈OTCH 2在控制皮質(zhì)干細(xì)胞是否產(chǎn)生神經(jīng)元或再生更多干細(xì)胞的信號(hào)過(guò)程中具有重要作用。他們發(fā)現(xiàn)，在小鼠胚胎中人工表達(dá)NOTCH2NL可以增加小鼠大腦皮層中的祖細(xì)胞數(shù)量。

通過(guò)對(duì)基于人類多能干細(xì)胞的體外皮層發(fā)育模型進(jìn)行測(cè)試后研究人員發(fā)現(xiàn)，NOTCH2NL能夠顯著增加培養(yǎng)物中的細(xì)胞數(shù)量，從而產(chǎn)生更多神經(jīng)元。

“一個(gè)干細(xì)胞有三種分化可能性：再生兩個(gè)祖細(xì)胞，生成兩個(gè)神經(jīng)元，或者生成一個(gè)祖細(xì)胞和一個(gè)神經(jīng)元。而NOTCH2NL所做的就是輕微地改變這種決策可能性，使干細(xì)胞更容易生成祖細(xì)胞，而這最終會(huì)使神經(jīng)元增加?！狈兜潞８┦空f(shuō)。

為了更好地了解這些基因在人類中的作用，科學(xué)家們從人類多能干細(xì)胞中建立了一個(gè)皮層發(fā)育的體外模型，以探索NOTCH2NL的功能。在這個(gè)模型中，他們發(fā)現(xiàn)NOTCH2NL可以顯著增加皮質(zhì)干細(xì)胞的數(shù)量，進(jìn)而產(chǎn)生更多的神經(jīng)元，這一特征有望區(qū)分人類和非人類的皮質(zhì)神經(jīng)發(fā)生。

關(guān)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(jìn)化過(guò)程中起到重要作用。它或許可以部分回答那個(gè)古老的問(wèn)題——我們之所以成為人類，是因?yàn)閹装偃f(wàn)年前發(fā)生的一個(gè)基因突變，這個(gè)突變使我們變得聰明起來(lái)。

社會(huì)挑戰(zhàn)推動(dòng)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(lái)說(shuō)，腦組織是昂貴的東西。蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)的數(shù)學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家毛里奇奧·岡薩雷斯·費(fèi)萊羅博士說(shuō)：“大腦占身體重量的4%，但卻消耗了20%的能量。”

一定有什么東西推動(dòng)了更大、更昂貴的大腦的進(jìn)化。出現(xiàn)了三個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者：社會(huì)挑戰(zhàn)（包括合作和競(jìng)爭(zhēng)）、生態(tài)挑戰(zhàn)（尋找食物，躲避捕食者）和文化挑戰(zhàn)（能夠分享獲得的知識(shí)和技能）。

大多數(shù)研究人員認(rèn)為，社會(huì)挑戰(zhàn)推動(dòng)了更高智力的出現(xiàn)，但這些模型在很大程度上是不可測(cè)試的。

在2018年5月份的《自然》雜志上，岡薩雷斯·費(fèi)萊羅和他的同事安迪·加德納首次展示了一種計(jì)算工具，用來(lái)了解是什么驅(qū)使人類的大腦變得更大。岡薩雷斯·費(fèi)萊羅說(shuō)，他們的方法比其方法更復(fù)雜，但也基于實(shí)際的數(shù)字運(yùn)算。我們的目標(biāo)不僅僅是研究為什么我們的大腦會(huì)變大，而且是為什么它們會(huì)變得如此之大。

岡薩雷斯·費(fèi)萊羅說(shuō)：“這是基于經(jīng)驗(yàn)的證據(jù)，有實(shí)際的代謝成本，所以也更容易測(cè)試?！?/p>

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

新模型產(chǎn)生了多個(gè)場(chǎng)景，每個(gè)場(chǎng)景都有不同的挑戰(zhàn)組合。岡薩雷斯·弗萊羅認(rèn)為社會(huì)智力的需要——主要的假設(shè)是最重要的，但事實(shí)正好相反。他稱之為“軍備競(jìng)賽”的是越來(lái)越聰明的個(gè)體之間的競(jìng)爭(zhēng)，結(jié)果適得其反。

他說(shuō)：“這會(huì)讓你的大腦變得更大，但它們（在新陳代謝方面）代價(jià)太大。”

相反，研究發(fā)現(xiàn)，最可能解釋我們的大腦與身體比例的情況是60%的生態(tài)挑戰(zhàn)，30%的合作和10%的群體間競(jìng)爭(zhēng)。社會(huì)智力理論家們?nèi)匀粚?duì)這些結(jié)果持懷疑態(tài)度，但岡薩雷斯·費(fèi)萊羅指出：“我們并沒(méi)有拘于任何特定的假設(shè)，我們只是提供一種工具?！彼呀?jīng)在計(jì)劃完善這個(gè)工具。最初的模型沒(méi)有考慮文化智力假說(shuō)，而他希望將文化智力假說(shuō)納入模型。

人腦未來(lái)可能發(fā)生更大的變化

社會(huì)和工作場(chǎng)所的新近變化甚至有可能推動(dòng)孤獨(dú)癥病例在最近呈上升趨勢(shì)。劍橋大學(xué)孤獨(dú)癥研究中心主任西蒙·巴倫·科恩想知道孤獨(dú)癥病例的增加是否部分地歸咎于“選型配對(duì)”，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(xì)節(jié)，分析能力更強(qiáng)，如今，他們也許比過(guò)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(jì)50年代末期，麻省理工學(xué)院僅有2%的畢業(yè)生是女性，而現(xiàn)在這一比率達(dá)到50%。他正在制定一項(xiàng)研究，用以測(cè)試易患孤獨(dú)癥的人群中存在的選型配對(duì)，是否會(huì)提高他們生下患孤獨(dú)癥的兒童的幾率。

人腦如今已變成世界上獨(dú)一無(wú)二的認(rèn)知機(jī)器，且很可能在未來(lái)發(fā)生更大的變化。從事語(yǔ)言和大腦進(jìn)化研究的哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)心理學(xué)家斯蒂芬·皮克表示，我們所處的環(huán)境從本質(zhì)上講是一個(gè)“認(rèn)知環(huán)境”。在一項(xiàng)研究中，威雷發(fā)現(xiàn)人腦中控制葡萄糖代謝的基因是最新進(jìn)化成的基因之一?？赡苷沁@種進(jìn)化，使得人腦的體積達(dá)到與我們關(guān)系最親近的物種黑猩猩大腦體積的兩倍。

第一個(gè)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(fā)現(xiàn)的一根大約僅有兩厘米長(zhǎng)的骨頭碎片中，找到了一位生活在大約9萬(wàn)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(jīng)過(guò)研究之后卻有重大發(fā)現(xiàn)。

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

地球上第一位藝術(shù)家不是人類

我們常常會(huì)感嘆遠(yuǎn)古文明中人類的智慧與創(chuàng)造力，也會(huì)不禁遐想地球上第一位藝術(shù)家到底是誰(shuí)。然而，英國(guó)的南安普頓大學(xué)、德國(guó)的馬克斯·普朗克研究所、西班牙的巴塞羅那大學(xué)以及其他研究小組利用最新的鈾釷測(cè)年法，共同探究了先前發(fā)現(xiàn)的西班牙洞穴壁畫(huà)遺址的作者身份。研究后發(fā)現(xiàn)，地球上的第一位藝術(shù)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(méi)有審美和認(rèn)知能力的劣等種族；然而，這些洞穴壁畫(huà)的發(fā)現(xiàn)表明，我們現(xiàn)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(shí)的復(fù)雜高知生物。

300多萬(wàn)年前的古人類“幼童”能直立行走

我們現(xiàn)代的兩足動(dòng)物可以有效地用兩條腿走路，但進(jìn)化而來(lái)的樹(shù)棲動(dòng)物卻不能。確切地說(shuō)，在我們的起源故事中，從樹(shù)上生活到陸地生活的轉(zhuǎn)變發(fā)生在什么時(shí)候，一直是古人類學(xué)家爭(zhēng)論不休的問(wèn)題。許多研究人員認(rèn)為，阿法南猿生活在300萬(wàn)到400萬(wàn)年前的東非，是第一個(gè)完全兩足的祖先。

然而，在2018年7月的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，美國(guó)研究人員分析了約331萬(wàn)年前南方古猿阿法種一個(gè)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(fā)現(xiàn)于埃塞俄比亞的迪基卡地區(qū)。

研究發(fā)現(xiàn)，該幼猿足部的許多結(jié)構(gòu)特征表明她可以直立行走，其內(nèi)側(cè)楔骨凸出，可用來(lái)幫助爬樹(shù)。

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(wàn)年前。此前有學(xué)者認(rèn)為，南方古猿阿法種幾乎完全雙足行走，但也有研究認(rèn)為他們部分棲于樹(shù)上，“露西”可能因從樹(shù)上掉下受傷而死。這可能意味著更年輕阿法種的個(gè)體為了躲避捕食者會(huì)在樹(shù)上游蕩，但一旦成年，它們就會(huì)花時(shí)間在地面上覓食。

我們的擴(kuò)張故事

研究人員一致認(rèn)為，最早的原始人——靈長(zhǎng)類的分支——出現(xiàn)在非洲。但是在那之后事情就變得有點(diǎn)模糊了。特別是，人類在何時(shí)以及如何在舊大陸傳播的地圖一直在變化。這些發(fā)現(xiàn)為我們的祖先和遠(yuǎn)親開(kāi)辟了一條“新”的道路。

以色列米斯利亞

有關(guān)現(xiàn)代人類起源的故事不斷被修改，但總的來(lái)說(shuō)，智人首先是在我們現(xiàn)在稱之為埃塞俄比亞的地區(qū)出現(xiàn)的，某些留在東非的后裔在大約10萬(wàn)年前進(jìn)化為現(xiàn)代智人。2018年1月在《科學(xué)》雜志上公布的數(shù)據(jù)顯示，從解剖學(xué)角度看，一個(gè)現(xiàn)代人類的部分下顎可追溯到17.7萬(wàn)至19.4萬(wàn)年前。這是人類在非洲以外的最古老的骨骼證據(jù)，比早期估計(jì)的智人出現(xiàn)在非洲大陸的時(shí)間還要早5萬(wàn)多年。

該研究的首席研究員伊斯雷爾·赫斯柯維茲說(shuō)：“雖然米斯利亞化石的所有解剖細(xì)節(jié)都與現(xiàn)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(qū)進(jìn)化而來(lái)的。

沙特阿拉伯中部省

十多年來(lái)，一個(gè)由考古學(xué)家和人類學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)一直在阿拉伯沙漠中尋找證據(jù)，以證明人類最早的一些成員曾一度穿過(guò)那里曾經(jīng)的綠地。研究人員2018年4月在《自然生態(tài)與進(jìn)化》雜志上發(fā)表報(bào)告稱，這塊手指骨大約有8.5萬(wàn)年的歷史，是在阿拉伯半島發(fā)現(xiàn)的最古老的解剖學(xué)意義上的現(xiàn)代人類化石。根據(jù)同一地點(diǎn)的動(dòng)物骨骼、石器和沉積物，研究小組認(rèn)為，它位于一個(gè)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(gè)吸引早期狩獵采集者的營(yíng)地，他們相信這些人曾在這里生活過(guò)一段時(shí)間。

新發(fā)現(xiàn)支持這樣的觀點(diǎn)——早期現(xiàn)代人擴(kuò)散到歐亞大陸的時(shí)間比此前很多人認(rèn)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(xiàn)在的南印度，早期人類展現(xiàn)了令硅谷的科技奇才們羨慕不已的創(chuàng)新能力。隨著時(shí)間的推移，古代發(fā)明者們放棄了笨重的手斧和劈刀，轉(zhuǎn)而選用光滑的薄石片來(lái)切割東西和制作長(zhǎng)矛。

與此同時(shí)，非洲大陸上現(xiàn)代人類祖先也開(kāi)始了類似的更新?lián)Q代活動(dòng)。但考古工作者們?cè)谟《劝⑻崽m帕克卡姆遺址的土壤層中發(fā)現(xiàn)了工具換代時(shí)期的痕跡，這很令人驚訝。這片遺址的工具換代可能發(fā)生在25萬(wàn)年前，也可能是更早的38.5萬(wàn)年前，這要比印度其他遺址早得多。這意味著舊石器時(shí)代中期文化在印度地區(qū)的起源又提早了十萬(wàn)年。盡管沒(méi)有發(fā)現(xiàn)人類骨骼，但大量距今38.5萬(wàn)年前的石器證據(jù)表明，智人離開(kāi)非洲的時(shí)間比人們想象的要早得多。然而，其他研究人員認(rèn)為，這些工具并不那么先進(jìn)，可能是由另一個(gè)更古老的物種制造的。

中國(guó)上陳遺址

在陜西省西安市藍(lán)田村一帶，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所朱照宇領(lǐng)導(dǎo)的中外團(tuán)隊(duì)新發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的96件石器，經(jīng)過(guò)一系列野外測(cè)量和實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)這些石器距今最早已有212萬(wàn)年。也就是說(shuō)，人類至少早在212萬(wàn)年前就已經(jīng)離開(kāi)非洲，這比此前提出的年代要早約27萬(wàn)年。

它們與鹿和其他動(dòng)物的骨頭一起被發(fā)現(xiàn)，但沒(méi)有人類的化石。然而，1964年的一次挖掘在幾英里外發(fā)現(xiàn)了一個(gè)163萬(wàn)年前的部分直立人頭骨。