人類能夠在地球上享有絕對的生存空間、資源,以及站在食物鏈的頂端,成為地球繼恐龍之後的新一任霸主,靠的不是蠻力,不是體型的絕對優勢,而是一顆重量約為1.4千克的大腦。
雖說我們的大腦在自然界不是最重的,但是我們大腦皮層的表面積絕對是最大的,而更大的大腦皮層表面積就能容納更多的腦細胞、以及神經元。
這就造就了人類發展出了獨特的語言能力、文化藝術和超強的邏輯能力、認知能力,正是這些能力使得人類有別於其他的動物。
那麼人類頭部的體積有限,是如何進化出更大的大腦皮層表面積的?
人類頭顱的大小跟有些哺乳動物比起來簡直像一顆芝麻綠豆一般,例如大象的頭顱,獅子、老虎的頭顱、鯨魚的頭顱,它們都能容納體積更大、重量更大的大腦;
比如大象的大腦重量約為4000克,,鯨魚的大腦重量約為7000克,這比人類大了好多,但是它們大腦皮層的表面積卻比人類小了很多,擁有的神經元也少了很多。
因為人類的大腦看起來是這樣的:
人類大腦看起來像一顆核桃仁,表面擁有非常多的凹陷和突起所形成的褶皺,這些結構就使得人類的大腦在有限的體積內,長出了非常大的表面積。
而其他動物們的大腦,雖然有些比人類的大,但是它們大腦的表面是光滑的,看起來是這樣的:
這就造成了自然界其他的動物大腦沒有人類大腦神經元的數量多,也沒有人類大腦複雜,這一點就造成了人類和其他動物大腦最大的區別。
我們知道人類在地球上並不是獨立進化而來的,而是和其他動物有著共同的祖先,在進化之路上離我們最近的親戚就是黑猩猩,它們的大腦同樣沒有人類這麼多的褶皺。
這說明人類是在450萬年前和黑猩猩分家以後才出現的基因突變,造成大腦的發育。在大腦發育的過程中人類花了數百萬年的時間;
根據我們現在發現的化石證據顯示,大約在380萬年前,人類的祖先南方古猿阿爾法種(露西少女)的大腦體積不到五百立方釐米,跟現在人比起來只有1/3;
但這時的露西已經有了現代人類直立行走的特徵,其大腦相比於黑猩猩也有了明顯的進化。
到了180萬年前人類的大腦已經進化的比南方古猿大了兩倍,當時的直立人有證據表明它們已經會使用火和工具了。
還有在數十萬年前,我們現代人和人類的兩個亞種(尼安德特人以及丹尼索瓦人)的大腦體積基本相當,已經進化到了1400立方釐米;
大腦雖然無法形成化石,但很明顯在人類大腦體積增大的同時,大腦皮層的表面積也在以更快的速度增加。那麼是什麼導致了人類大腦增大,以及皮層出現褶皺的?
經過研究,科學家在人類的身上發現了一種獨有的DNA片段:ARHGAP11B,這種DNA片段在其他動物身上,甚至是黑猩猩的身上都沒有;
科學家認為正是這一種單一的、人類特有的基因造成了人類大腦發育出了大量的神經元,並且這些神經元導致了人類大腦形成了特有的褶皺;
使得人類的大腦可以在有限的空間內將更多的腦細胞壓縮成更小的體積。
為了驗證這種基因導致了人類大腦神經元數量的增多,科學家將這種DNA片段插入到了老鼠的胚胎中,結果發現老鼠胚胎的大腦出現了進化;
這個基因片段誘導了小鼠大腦更多神經元的形成(上圖中的紅色)。當然出於實驗的安全和倫理問題,這個老鼠並沒有出生,科學家當然也沒有繼續研究這個老鼠是不是變得更聰明了。
但實驗確定了正是這個單一的基因導致了人類大腦的進化,為人類成為地球霸主鋪平了道路。
以上的研究結果在2015年發表在《科學》雜誌上。
最近科學家又將這項實驗擴展到了靈長類的身上,使用得實驗對象並不是我們的近親黑猩猩,而是離我們關係比較遠的狨猴。
同樣的,科學家這次依然通過基因手段將人類特有的DNA片段ARHGAP11B插入到了狨猴胚胎中,總共培育了7個狨猴胎兒。
在距離胎兒發育成熟還有50天的時候,也就是胚胎發育了102天,科學家就將胚胎取出研究狨猴大腦的變化。
結果發現,雖然狨猴的大腦沒有像人類那樣充滿褶皺,但依然出現了類似的特徵,包括體積變大,以及大腦皮層有了凹陷和突出的結構。
上圖是狨猴大腦的一半,箭頭處就可以看到大腦皮層的凹陷和突起,這表明經過人類特有基因的影響,狨猴的大腦也開始進化了。
下圖可能看起來更為明顯、直觀一些。
上圖左邊是狨猴正常的大腦,右面是基因編輯以後的大腦,很明顯發生變化,體積增大,箭頭處可以明顯地看到有凸起,而且這樣的大腦更加類人化。上圖的標尺為1毫米。
當然人類也並沒有讓這些狨猴存活,還是因為涉及到了倫理問題,以為未知的實驗風險。相信你有看過《猩球崛起》這部電影。
裡面的凱撒就是經過人類的干預以後有了自己的意識,並且帶領其他的類人猿還像人類發起了戰爭。
雖然電影多半都有帶有科幻色彩,但是這樣的情況在科學上也並非不可能。
如果我們的實驗對象使用的是黑猩猩這種和人類更為親近的靈長類,那麼它們的大腦肯定會發生更大的改變;如果我們人類還允許其出生,並且在經過幾代的培育,我相信黑猩猩的大腦也會進化成人類的樣子,它們很可能會擁有更強的認知能力、甚至有語言和邏輯能力,到時《猩球崛起》的那一幕出現也未必不可能。
最新的對狨猴大腦的變化的研究同樣發表在《科學》雜誌上。
論文:Human-specific ARHGAP11B increases size and folding of primate neocortex in the fetal marmosetHuman-specific gene ARHGAP11B promotes basal progenitor amplification and neocortex expansion