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人類的智力可能已經(jīng)接近極限，無法進(jìn)化到更高層次了——多種證據(jù)表明，通往更高智力層次的進(jìn)化途徑都已被物理定律堵死。 科學(xué)家能否找到突破極限的辦法？ 
撰文 道格拉斯· �？怂梗―ouglas Fox） 翻譯 欒興華 道格拉斯· �？怂故且幻杂煽茖W(xué)作家，目前居住在美國舊金山。他常為《新科學(xué)家》（New Scientist）、《探索》（Discover）以及《基督教科學(xué)箴言報》（The Christian Science Monitor）撰稿。�？怂乖@多個獎項(xiàng)，最近的一項(xiàng)大獎是由美國新聞記者與作家學(xué)會評出的重大事件報道獎。 物理限制 人類的智力可能已經(jīng)接近極限，無法進(jìn)化到更高層次了。各種證據(jù)都表明，大多數(shù)通往更高智力層次的進(jìn)化途徑都已被物理定律堵死。 就拿大腦容量來說，容量越大，智力層次也越高，但大腦容量增大卻有一個反作用：大腦會消耗更多的能量，運(yùn)行速度也會變慢。大腦內(nèi)，更好的神經(jīng)連接也需要消耗能量，不成比例地占據(jù)大腦空間。如果大腦中的神經(jīng)連接變多變細(xì)，就會碰到熱力學(xué)極限，正如計算機(jī)芯片上的晶體管所遇到的問題一樣：容易產(chǎn)生 “噪音”。 不過，人類仍可能達(dá)到更高的智力水平，而且借助一些現(xiàn)代技術(shù)，比如寫作和網(wǎng)絡(luò)，我們可以使智力不受身體的限制。
另一個極端例子是大象，它們的大腦體積是蜜蜂的500 萬倍，運(yùn)行效率卻如龐大的美索不達(dá)米亞帝國一般低下。神經(jīng)信號從大象大腦的一端傳到另一端，以及從大腦傳到腳趾間所需要的時間，均是蜜蜂的100 倍之多，因此這些龐然大物只得減少軀體反射，放慢行動速度，以便把那點(diǎn)寶貴的大腦資源用在如何走好每一步上。 人類的大腦容量可能不像大象或蜜蜂那么極端，但有人發(fā)現(xiàn)，人類智力同樣受到了物理定律的限制。人類學(xué)家已經(jīng)推測出腦力擴(kuò)展所面臨的解剖學(xué)障礙 ——對于兩足的人類來說，腦袋變大能通過產(chǎn)道么？即使我們假設(shè)，進(jìn)化可以解決產(chǎn)道問題，那么腦袋變大所帶來的問題，可能更多更復(fù)雜。 有人或許認(rèn)為，只要通過進(jìn)化，我們大腦中的神經(jīng)元數(shù)量變多，或者神經(jīng)元之間的信息交流速度加快，我們就會更聰明。但若匯總新近的一些研究，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行邏輯推斷，你會發(fā)現(xiàn)，如果大腦真朝這個方向進(jìn)化，很快就會觸到物理極限。這些限制與神經(jīng)元的自身性質(zhì)，以及神經(jīng)元之間頻繁的化學(xué)信號交流有關(guān)。英國劍橋大學(xué)的理論神經(jīng)科學(xué)家西蒙· 拉夫林（Simon Laughlin）認(rèn)為，“信息、噪聲和能量之間的聯(lián)系是剪不斷的，這種聯(lián)系有著熱力學(xué)根源”。 那么，熱動力學(xué)定律針對神經(jīng)元而設(shè)置的這種智力限制，是否對鳥類、靈長類、海豚、螳螂等所有動物都有效？顯然，從來沒人考慮過如此寬泛的問題，但本文提到的科學(xué)家都認(rèn)為，這個問題確實(shí)值得探討。“這是一個很有意思的研究點(diǎn)，”美國賓夕法尼亞大學(xué)致力于研究神經(jīng)信息編碼的物理學(xué)家維賈伊· 巴拉薩布拉曼尼恩（Vijay Balasubramanian）說，“ 我還沒有在科幻小說中看到有誰探討過這個問題。” 顯然，智力是一個內(nèi)涵豐富的詞匯：它難以衡量，甚至難以定義。不管從哪個方面來看，人類都是地球上最聰明的動物，但我們的大腦進(jìn)化到今天這個程度，它處理信息的能力會不會已經(jīng)受到“硬件”上的限制？除了人類，其他神經(jīng)類生物的智力進(jìn)化是否也無法擺脫物理定律的束縛？ 大腦越大越聰明？ 從直覺上來看，要使腦力變強(qiáng)，最明顯的方法就是增加大腦容量。事實(shí)上，100 多年來，大腦容量與智力之間的關(guān)系一直是科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。19 世紀(jì)末到20 世紀(jì)初，生物學(xué)家花了大量時間來探索生命體的一些共同特征——與體重，尤其是與大腦容量相關(guān)的、在整個動物界都適用的數(shù)學(xué)定律。大腦容量增大的一個好處是，可以容納更多的神經(jīng)元，神經(jīng)元的生長、連接也可以更復(fù)雜。然而，大腦容量的大小并不是決定智力高低的唯一因素：牛的腦體積是老鼠的800 倍，但牛并不見得比老鼠聰明多少。身體越大，大腦反而需要完成更多的瑣碎工作，比如監(jiān)管更多的觸覺神經(jīng)、從更大的視網(wǎng)膜上整合信號、控制更多的肌纖維等與智力無關(guān)的內(nèi)務(wù)工作。 1892 年，荷蘭解剖學(xué)家尤金· 杜布瓦（Eugene Dubois）在爪哇發(fā)現(xiàn)了直立人頭骨，他想尋找一種方法，根據(jù)顱骨化石的大小來評估動物的智力。因此，他首先提出假設(shè)，如果動物大腦異乎尋常地大，它們也會更聰明，然后在這個假設(shè)的基礎(chǔ)上，確立了動物大腦容量與體型大小之間的精確數(shù)學(xué)關(guān)系。杜布瓦與其他學(xué)者收集了很多關(guān)于動物大腦容量與體型大小的數(shù)據(jù)，形成了一個日漸龐大的數(shù)據(jù)庫。當(dāng)年的一篇經(jīng)典論文就曾報道過3 690 種動物的身體、器官以及腺體的重量，涉及從木蟑螂（wood roaches）、黃嘴白鷺（yellow-billed egret）到兩趾和三趾樹懶的多個物種。 杜布瓦理論的繼任者發(fā)現(xiàn)，在哺乳動物中，大腦容量的增長速率要慢于體型的增長——大概是體重增長倍數(shù)的3/4 次冪。因此，麝鼠（muskrat）的體重是老鼠的16 倍，它的大腦容量大約只有老鼠的8 倍。根據(jù)這一認(rèn)識，科學(xué)家發(fā)明了杜布瓦一直在尋找的數(shù)學(xué)工具：腦商（encephalization quotient），也就是某一物種的實(shí)際大腦重量，與根據(jù)體重預(yù)測的腦重的比值。換句話說，腦商反映了一個物種的大腦增長速度偏離3/4 冪律的倍數(shù)。比如人類的腦商為7.5（即我們的大腦重量是預(yù)測值的7.5 倍），寬吻海豚為5.3，猴子是4.8，而牛只有0.5（見右圖）。簡而言之，一個物種智力的高低可能取決于大腦的神經(jīng)儲備量：除了處理皮膚觸覺之類的日�，嵤�，還為智力留下了多少神經(jīng)元�；蛘�，我們還可以歸納得更為簡單：至少從表面上來看，智力高低取決于大腦容量。
利弊難題 大腦所需的能量中，相當(dāng)一部分都耗費(fèi)在信息交流網(wǎng)絡(luò)上：人類大腦皮層中，80% 的能量都用于信息交流。不過，隨著腦容量的增大，神經(jīng)間的連接似乎會在更精細(xì)的結(jié)構(gòu)層次上，遇到更嚴(yán)重的問題。事實(shí)上，早在20 世紀(jì)中葉，當(dāng)生物學(xué)家在收集關(guān)于大腦重量的數(shù)據(jù)時，他們也在探究一個更有挑戰(zhàn)性的問題：弄清楚大腦的“設(shè)計原則”，以及這種原則又是如何在大小各異的大腦上發(fā)揮作用的。 通常，神經(jīng)元都有一條細(xì)細(xì)的“尾巴”，稱為軸突（axon）。軸突末端會分叉，每條分支的末端會形成突觸（synapse），也就是該神經(jīng)元與其他神經(jīng)元的連接點(diǎn)。軸突就像一根根電話線，可以連接大腦的不同部位，或形成神經(jīng)束，從中樞神經(jīng)系統(tǒng)延伸到全身各處。 在早期的一些開創(chuàng)性研究中，生物學(xué)家利用顯微鏡，測量了軸突的直徑，計算出了神經(jīng)元的大小和分布密度，以及每個神經(jīng)元擁有的突觸數(shù)量。他們觀察了10 多種動物的大腦，對于每個動物大腦，都會檢測數(shù)百，甚至數(shù)千個神經(jīng)元。由于急于把研究對象擴(kuò)展到更大型的動物中，以便完善數(shù)據(jù)和統(tǒng)計曲線，生物學(xué)家甚至想了些辦法，從鯨的尸體上剝離完整的大腦。古斯塔夫· 阿道夫· 古德貝格（Gustav Adolf Guldberg）曾在19 世紀(jì)80 年代詳細(xì)描述了一種方法，使用雙人伐木鋸、斧頭、鑿子和足夠的氣力，像開罐頭一樣，打開了鯨的顱骨頂端。 觀測了多個物種的大腦之后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，隨著腦容量增大，就會發(fā)生一些微妙卻不可持續(xù)的變化。首先，神經(jīng)元的平均大小在變大。由于神經(jīng)元的總數(shù)也在增多，這種改變使得神經(jīng)元可以連接越來越多的“同胞”。但在大腦皮層上，神經(jīng)元變大后，密度卻下降了，導(dǎo)致神經(jīng)元之間的距離增大，連接神經(jīng)元的軸突也得相應(yīng)增長。軸突越長，神經(jīng)元之間的信號傳遞就要耗費(fèi)更多時間，因此只有軸突變得更粗，才能保證神經(jīng)信號的傳遞速度（軸突越粗，信號傳遞越快）。 研究人員還發(fā)現(xiàn)，腦容量越大的物種，功能區(qū)域就會劃分得越多。如果給大腦染色，你會發(fā)現(xiàn)，在顯微鏡下，大腦皮層上呈現(xiàn)出很多顏色各異的斑塊。每個斑塊就是一個功能區(qū)，它們各司其職，比如有的負(fù)責(zé)語言表達(dá)，有的負(fù)責(zé)面部識別。隨著腦容量增大，這種特化現(xiàn)象會在另一個層次上出現(xiàn)。比如，在左右大腦半球上，相互對應(yīng)的兩個區(qū)域會執(zhí)行不同的功能，比如空間想象和言語推理。 幾十年來，人們一直把大腦的這種功能區(qū)域劃分視作智力的一種標(biāo)志。但這也反映了一個更加普遍的現(xiàn)象：區(qū)域分工是對腦容量變大導(dǎo)致的連接問題的一種補(bǔ)償，美國愛達(dá)荷州博伊西2AI 實(shí)驗(yàn)室（2AI Labs）的理論神經(jīng)生物學(xué)家馬克·常逸梓（Mark Changizi）說。牛腦的神經(jīng)元數(shù)量是小鼠的100 倍，但這么多神經(jīng)元不可能迅速地在兩兩之間形成連接。通過區(qū)域分工，把功能類似的神經(jīng)元劃分到同一區(qū)域，區(qū)域內(nèi)可以形成豐富的神經(jīng)連接，而區(qū)域之間僅需少量長距離連接，大腦就能解決這個連接難題。左右大腦半球的分工，也解決了一個類似的問題：這種分工方式，減少了兩個半球間必需的信息傳遞量，因而也就不需要太多的長距軸突來連接兩個半球。常逸梓說，隨著腦容量不斷增大，“所有這些看似復(fù)雜的過程，其實(shí)都只是大腦為解決連接問題而做的努力，并不代表腦袋大了就更聰明了”。波蘭科學(xué)院的計算神經(jīng)科學(xué)家簡· 卡博斯基（Jan Karbowski）對此深表贊同�！耙岣咧橇Γ竽X必須要對幾個方面進(jìn)行優(yōu)化，但有利必然也會有弊，”他說，“如果你要改善一個方面，那么其他方面就可能變得更糟。”想象一下，當(dāng)大腦增大時，如果你讓胼胝體（corpus callosum，即連接左右半球的軸突束）也立即增大，以使左右半球的連接保持暢通，這時會發(fā)生什么？如果你讓軸突增粗，以防止大腦增大后，左右半球的信號傳遞變慢，這又會發(fā)生什么？結(jié)果將不容樂觀。胼胝體會增長得太快，會把兩個半球分得更開，以至于抵消了大腦功能的任何改善。 探究軸突寬度和信號傳導(dǎo)速度的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)很好解釋了上述利弊問題�？ú┧够f，神經(jīng)元確實(shí)會隨著腦容量的增大而變大，但神經(jīng)元之間并不能迅速建立連接；軸突也確實(shí)會增粗，但增粗速度也不足以抵消傳導(dǎo)路徑變長導(dǎo)致的信息傳遞延遲。巴拉薩布拉曼尼恩認(rèn)為，限制軸突快速增粗不僅節(jié)省空間，還能減少能耗。當(dāng)軸突直徑增加一倍，能耗也會增加一倍，但傳遞信息的速度僅能提高40% 左右。即使不考慮這些因素，當(dāng)腦容量增大時，大腦白質(zhì)（由軸突組成）的體積增長速度也要快于大腦灰質(zhì)（神經(jīng)元的主體，細(xì)胞核所在位置）。換句話說，腦容量增大的那部分更多是用于建立神經(jīng)元間的連接，而不是真正為負(fù)責(zé)計算、處理信息的神經(jīng)元提供空間。這再一次說明，以腦容量增大的方式提高智力，并不是長久之計。 |
