［腦科學(xué)與科學(xué)教育］哲學(xué)思想的重大變化會(huì)帶來多個(gè)領(lǐng)域顛覆性創(chuàng)新的出現(xiàn)（中）——腦的進(jìn)化
作者：韋 鈺
在2000多年以前，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到人之所以是萬物之靈，大地之秀，是因?yàn)槲覀冇歇?dú)特的心智。到了17世紀(jì)，人們普遍接受了這樣的科學(xué)知識(shí)，我們的心智來自于腦，而不是心臟。既然人腦如此重要，那么人類獨(dú)特的腦是怎么形成的？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(dá)爾文提出的進(jìn)化論，在物種競(jìng)爭(zhēng)中，依靠自然選擇，適者生存，經(jīng)過長(zhǎng)期進(jìn)化而形成。雖然達(dá)爾文提出的進(jìn)化論是研究一切生物學(xué)問題的核心，始終指導(dǎo)著生物學(xué)的發(fā)展。但是，在他最初提出時(shí)，進(jìn)化論類似于一種假說，缺少實(shí)證數(shù)據(jù)的支持。在每一次生物學(xué)的新進(jìn)展中，達(dá)爾文的進(jìn)化論都會(huì)遇到挑戰(zhàn)，在挑戰(zhàn)之中，得到不斷地深化和完善，其中，有關(guān)人腦的進(jìn)化是進(jìn)化論中最具有挑戰(zhàn)性的問題。
在開始研究腦的進(jìn)化時(shí)，限于科學(xué)手段的有限，研究者主要集中關(guān)注解剖學(xué)上的比較和腦進(jìn)化的生理形態(tài)。在宇宙形成的時(shí)間長(zhǎng)河中，人類存在的歷史只占很短暫的一瞬間。根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)資料顯示，大約在200億年以前，宇宙發(fā)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(xiàn)生命；4.5億年以前，出現(xiàn)魚，地球上開始有了約1毫米大小的腦；3億年以前爬蟲動(dòng)物出現(xiàn), 爬蟲動(dòng)物的腦分成3個(gè)部分：前部很小，用于嗅覺、中部用于視覺、后部用于平衡和協(xié)調(diào)；2億年以前出現(xiàn)哺乳動(dòng)物，哺乳動(dòng)物的腦中出現(xiàn)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，這之后，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(dāng)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，到了后期平均為1?100毫升。智人最早出現(xiàn)在50萬年以前，腦的平均容積為1?200毫升。前額皮層的出現(xiàn)，皮層面積的增加，提供了人更多的適應(yīng)性和更多的復(fù)雜功能?，F(xiàn)代人腦的尺寸平均為1?380毫升，重量在1?300?1?500克范圍。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(dāng)于10秒，人類有文明史的時(shí)間只相當(dāng)于0.2秒。
在人的進(jìn)化過程中，人腦的體積不僅增大了，形狀也發(fā)生了變化，前額部分明顯突出，皮層實(shí)際面積大大增加，為了能塞進(jìn)腦顱，大腦皮層出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)打字紙那么大。人腦中皮層的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，結(jié)構(gòu)不同的層數(shù)增加到6層，而且神經(jīng)元間的相互連接明顯增多。腦顱體積增大的同時(shí)，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(dòng)物中比例最高的，而日夜工作不停的心臟，所消耗的能量只占總能量的5%。
在分子生物學(xué)的發(fā)展和人類基因組計(jì)劃完成后，如何從基因角度解釋達(dá)爾文基于自然選擇的進(jìn)化論，成為科學(xué)界的又一次挑戰(zhàn)。根據(jù)基因遺傳的原理，物種進(jìn)化必須發(fā)生基因的突變?；虻耐蛔?，要能夠引起生物行為的變化，如果這種行為的變化有利于該物種的生存和繁殖后代，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(guān)基因變化的一些問題。比如，從測(cè)出的基因組對(duì)比看，我們?nèi)祟惡同F(xiàn)存的近親黑猩猩，以及曾經(jīng)存在的尼安德特人基因組有什么不同，發(fā)生了哪些變化？這些基因的變化改變了人的什么功能？尼安德特人大約在50萬年前和我們來自同一個(gè)祖先，曾經(jīng)在歐洲和近東地區(qū)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(guó)洞穴里發(fā)現(xiàn)的尼安德特人骨頭殘留物中，美國(guó)科學(xué)家測(cè)出了尼安德特人的基因序列。對(duì)比結(jié)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(guān)鍵的。例如，現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)鑒別出使人類和其他靈長(zhǎng)類的腦尺寸產(chǎn)生差異的2個(gè)基因：Microcephalin和ASPM。這2個(gè)基因也是在現(xiàn)代人群發(fā)育時(shí)控制人腦尺寸的基因。如果這2個(gè)基因發(fā)生變異，會(huì)導(dǎo)致腦小畸形的疾病。
在對(duì)比人腦和猴腦的研究中，發(fā)現(xiàn)基因變異有三種形式，一是直接選擇（Direct Selection），即一個(gè)新的基因取代了原有的基因；二是平衡選擇（Balance Selection），一個(gè)新的基因和原來的基因共存；第三種是重復(fù)次數(shù)的選擇（Frequency Depending Selection），基因出現(xiàn)的重復(fù)次數(shù)變化了。在人進(jìn)化過程的基因變異中，第三種形式最為普遍。在進(jìn)化過程中，最后勝出者意味著在正確的地方，正確的時(shí)間，正確的一組基因被表達(dá)[1]。
無損傷功能腦成像技術(shù)的問世，也為腦的進(jìn)化研究提供了新的工具。可以用功能成像技術(shù)，比較人腦和猴腦功能回路和行為的相關(guān)與差異[2]。例如，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)人腦皮層中，腦島區(qū)皮層的特殊性。前腦島皮層是一個(gè)很小的腦區(qū)，幾乎是塞進(jìn)腦深部的其他皮層里面。它與包括情緒、自我察覺、社會(huì)交互行為有關(guān)；并在人的自我察覺和精神疾病中起著關(guān)鍵的作用。在這個(gè)區(qū)域里，存在一種特殊的神經(jīng)元（VEN）。以前認(rèn)為這個(gè)區(qū)域和VEN神經(jīng)元是人特有的，但是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)在猴子的腦中也存在，但是數(shù)量很少，它們和其他神經(jīng)元連接的通路也很少。又例如，人腦和猴腦處在靜息狀態(tài)的腦回路驚人地相似，但是人有兩個(gè)回路是獨(dú)特的，猴子有一個(gè)獨(dú)特的回路。我們特殊的回路位于腦皮層的后頂部，以及在皮層的前部，這兩個(gè)區(qū)域都和人腦的高級(jí)功能有關(guān)，和意識(shí)有關(guān)。最近科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，早期脊椎動(dòng)物的左右腦的功能就是不對(duì)稱的。
所以，人類的確具有獨(dú)特的腦皮層回路，但是它是從其他低等動(dòng)物經(jīng)過長(zhǎng)期的自然選擇，進(jìn)化而形成的。不僅自然環(huán)境對(duì)人的進(jìn)化形成了驅(qū)動(dòng)力，從近幾百萬年來腦進(jìn)化的突然加速看，人的社會(huì)性增加，會(huì)形成很大的進(jìn)化驅(qū)動(dòng)力。如今，科學(xué)技術(shù)以驚人的速度在發(fā)展，信息量急劇增加。因移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，人與人之間，人與物理世界之間的聯(lián)系出現(xiàn)了新的特點(diǎn)，范圍大，速度快，聯(lián)系緊密。在這種環(huán)境和文化中，個(gè)體和群體人腦的變化情況如何，已經(jīng)引起了跨學(xué)科的關(guān)注。
科學(xué)研究還證明了在人類這個(gè)總的種族中，普遍存在著人與人的差異，80%的人有單個(gè)編碼的差異，20%的人存在基因的缺失和重復(fù)的差異，這種差異在少數(shù)民族中經(jīng)常出現(xiàn)。人群中出現(xiàn)的這種多樣性，有利于人作為一個(gè)種族在競(jìng)爭(zhēng)中生存。如果一個(gè)種族完全一樣，那么一種疾病就可能把整個(gè)種族消亡。環(huán)境的變化和食物的缺失就容易引起種族的災(zāi)難，同一種族中的競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)更加激烈。所以自然界不同種族的多樣性要保護(hù)，同一種族內(nèi)的多樣性也是有利于自然選擇的，也同樣需要保護(hù)。在人類社會(huì)中，需要保護(hù)多樣性，尊重差異，相互包容和愛護(hù)。
進(jìn)化論是一切生物學(xué)研究的核心，也是科學(xué)和宗教爭(zhēng)斗的重地。前幾年，美國(guó)就發(fā)生了反對(duì)在學(xué)校科學(xué)課中講授進(jìn)化論的一股逆流。美國(guó)科學(xué)界為此展開了堅(jiān)決的反擊，美國(guó)科學(xué)院發(fā)表了正式的報(bào)告[3]，加強(qiáng)了對(duì)中小學(xué)科學(xué)教師進(jìn)化論知識(shí)的培訓(xùn)。在我國(guó)的科學(xué)教育中，往往重視知識(shí)的傳授，不太重視哲學(xué)思想的討論。在一次重點(diǎn)科學(xué)教師的培訓(xùn)中，討論到進(jìn)化論，相當(dāng)部分的教師認(rèn)為，很難向?qū)W生說明人和動(dòng)物有很多相像的地方。因此，在撰寫“做中學(xué)”科學(xué)教育內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和這次修訂小學(xué)科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我們把人與動(dòng)物類似的身體和器官功能的部分放在一起，而把進(jìn)化而成的腦單獨(dú)予以列出，以加強(qiáng)對(duì)進(jìn)化論的關(guān)注。
腦是經(jīng)過自然選擇進(jìn)化而成的。腦的起源和發(fā)展的進(jìn)化理論對(duì)最后地理解腦是本質(zhì)性的。在研究腦有關(guān)問題的全過程中，需要始終考慮到這個(gè)重要的出發(fā)點(diǎn)。研究任何生物學(xué)問題，我們都需要考慮為什么這個(gè)生物學(xué)的結(jié)構(gòu)或是功能被進(jìn)化過程所保留。任何功能和結(jié)構(gòu)所以存在，一定有它們存在的理由，是因?yàn)橛欣谠谶M(jìn)化中保存這個(gè)物種。我們腦中有和動(dòng)物相同的結(jié)構(gòu)，所以我們和動(dòng)物有共同點(diǎn)，確有獸性，然而，更重要的是有長(zhǎng)期發(fā)展進(jìn)化而形成的人性。人腦并不是什么都能做，而是為了能夠更好地適應(yīng)環(huán)境而生存，保留和發(fā)展著相應(yīng)的功能。
我們需要了解，哪些特點(diǎn)是人類共有的，哪些行為會(huì)在一定程度上因文化、語言而產(chǎn)生差異和變化。世界上的人共同點(diǎn)遠(yuǎn)大于不同點(diǎn)，對(duì)于不同點(diǎn)要相互尊重，多樣性的存在是有利于人類社會(huì)發(fā)展的。有的人喜歡強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一思想，統(tǒng)一行動(dòng)。實(shí)際上，除了特殊的人群處于特殊的環(huán)境下，如軍隊(duì)在戰(zhàn)場(chǎng)上，能大致統(tǒng)一外，差異是絕對(duì)的。差異是有利于人類進(jìn)化的，在目前人類適應(yīng)性進(jìn)化壓力明顯增大的時(shí)代，了解這些是很必要的。多樣性才能對(duì)付復(fù)雜性，從而保持整體人類社會(huì)的穩(wěn)定和發(fā)展。
主要參考文獻(xiàn)
[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.■
