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脑容量太大是浪费?最高效大脑或许是那些微型大脑

来源:网络 作者:上海新闻网 人气: 发布时间:2018-04-02
摘要:在一些蜘蛛身上,科学家发现了一个有趣的现象:纵使大脑体积相差多个数量级,但它们表现出的行为能力却几乎没有差异。据此以及从其他动物中观察到的类似现象,科

脑容量太大是浪费?最高效大脑或许是那些微型大脑

  在一些蜘蛛身上,科学家发现了一个有趣的现象:纵使大脑体积相差多个数量级,但它们表现出的行为能力却几乎没有差异。据此以及从其他动物中观察到的类似现象,科学家提出:或许一个微型的大脑,已经足以更加高效地完成所有复杂的生命活动。这一结论不仅影响我们对生物演化的认知,更为人工智能的研究提供新见解。

  撰文 | Erik Vance

  翻译 | 叶宣伽

  审校 | 吴非

  Samoan moss spider是世界上最小的蛛形纲动物,它的体长仅三分之一毫米,单靠肉眼几乎观察不到;世界上最大的蜘蛛则是生活在南美的亚马逊巨人捕鸟蛛,这种蜘蛛重达142克,体型可媲美吃西餐时使用的大餐盘。形象地说,如果把Samoan moss放大到捕鸟蛛那样,那么等比例放大的捕鸟蛛就有一只海豚那么大。

  只不过,更大的体型并没有让捕鸟蛛占到什么行动上的便宜——它们并没有比小蜘蛛表现出更为复杂的行动方式。“以绝对体积而言,昆虫、蜘蛛或是一些类似的生物拥有我们目前能够研究的最小的脑,”巴拿马市史密森尼热带研究所的科学家William Wcislo这么告诉我们,“神奇的是,这些生物的行为与大脑体积相对更大的生物同样复杂,所以我们不禁会好奇:它们是如何做到的?”

最大的蜘蛛Theraphosa blondi

最大的蜘蛛Theraphosa blondi

  哈勒定律

  没有人会指望狼蛛能拥有和海豚相当的智力,也没有人质疑体积更大的大脑能够胜任更复杂的功能,不过越来越多的科学家开始思考体积变大是否是大脑功能增强的唯一途径。为了捕食狡猾的猎物、设计精密的结构、构建复杂的社交网络,一个“大”脑是否是必须的呢?

  在这之前,一代代的科学家们都着眼于一个问题:智能生物是如何演化出体积更大的大脑以进行复杂工作的,而另一小群科学家们(Wcislo也是其中之一)关心的却是问题的相反方向——大脑为什么会出现小型化的趋势,以及在体积减小后如何继续保持功能,甚至还比那些拥有更大脑体积的物种表现的更为出色。简单来说,这种被科学家们称作“大脑微型化”的行为就类似于电脑芯片中晶体管体积的缩小。如果这项研究能够取得突破性的进展,工程师就有可能从中获取灵感,将小动物的智慧融入下一代电脑的设计中。

  研究大脑微型化的科学家常常会提到哈勒定律(Haller‘s Rule)。哈勒定律由德国神经系统学家Bernhard Rensch提出,取名“哈勒”则是为了纪念18世纪的生理学之父Albrecht von Haller。哈勒定律声称,体型更小的动物的大脑也会相应变小,但是大脑与整体体型的比例将会上升。神奇的是,几乎所有生物都遵从哈勒定律。“哈勒定律的普适性超出了人们的想象。虽然这个定理在很早之前就已经被学界提出,直到现在科学家们都没能提出合理的解释。”与Wcislo任职于同一家研究所,并且保持频繁合作关系的蜘蛛学者William Eberhard这么说道。

  想象你为了一次长途旅行打包了一只巨大的行李箱,却在上飞机前被告知只能携带原有箱子体积一半大小的行李。旅行还得照旧,只是可用空间一下就变得狭小了许多——被逼无奈,你只能更有效率地利用可用的空间,仅有的包裹也会被塞得拥挤杂乱。类似的情况的确发生在Eberhard教授养的一些小蜘蛛身上,“他们的大脑并不在寻常的位置上,在体型极其微小的蜘蛛中,有的大脑长到了腿上;还有些胸骨突出,胸腔内部充满了大脑。为了以小体型容下大脑,它们的身体构造被完全重塑。”Eberhard教授告诉我们。

  蜘蛛实验

  蜘蛛世界的体型范围之广令人困惑,就拿Eberhard教授最喜欢的圆蛛科为例,他饲养的圆蛛中,最大的重约3克,然而最小的仅重0.005毫克,比它的“堂兄弟”小了约60万倍。形象地说,两者相比,就像一个正常体型的成年男子站在一个40万米高、超过300条蓝鲸重量的巨人身旁,仅这个巨人的脑子就有900吨重。

  那么现在问题来了,这个拥有更重大脑的巨人会比正常人更聪明吗?如果我们回到蜘蛛世界来问答这个问题,答案是否定的。通过近距离观察蜘蛛结的网,科学家们能够以此推测蜘蛛的智力水平。

  在蜘蛛织网的过程中,它必须不停地作出决定,以寻找最有效率的连接蛛丝的方式。尽管蜘蛛们都是杰出的建筑家,它们也会犯错——而且这些错误会持续出现。利用这一点,Eberhard教授将蜘蛛织网时犯的错误作为衡量其认知能力的指标。考虑到蜘蛛缩小体型和脑容量所付出的惊人代价,Eberhard教授认为这种代价将会反应在它们的织网水平上,即体型更小的蜘蛛将会在织网过程中犯更多的错误。

  出乎他们意料的是,体型更小的蜘蛛并没有在织网中表现出什么劣势,无论是在物种之间还是在同一物种内部,蜘蛛们犯错的几率是完全一样的。随后,Eberhard教授的一位学生测试了这些小型生物在限定的狭小环境中织网的能力。同样,无论体型大小,这些蜘蛛都表现出相近的失误率,即使是新生的小蜘蛛也是如此。类似的现象也发生在寄生蜂的身上,无论是体型巨大的沙漠蛛蜂还是比单细胞草履虫更小的缨小蜂,哪怕缨小蜂的脑部已经小到了极致,也并不影响它们熟练地定位和伏击猎物。“迄今为止,在行为学上我们还没有发现大脑微型化带来的负面作用。”Wcislo教授总结。

  大脑是如何在体积更小的情况下不影响其功能的呢?答案是通过残酷的生存竞争筛选。一些小型生物的确拥有缩拢的脑细胞群,神经元细胞之间通过极短的轴突互相连接;不过即使如此,这种缩拢也是有下限的——一个细胞不可能比它的细胞核更小(尽管有些甲虫直接放弃了所有的细胞核)。而且如果轴突过短的话,它们就会像纠缠的电缆线一样变得乱七八糟。

  小型无脊椎动物们为了得到一个合格的大脑可谓费劲了心思。那么对于更大的动物来说,又是什么情况呢?研究结果发现,无论是蜘蛛、寄生蜂这样的小型动物,还是更大的鸟类、甚至人类,都在哈勒定律的适用范围内。如果动物在面临气候变化或是其他选择压力时选择向更小的体型方向进化,他们的大脑反而需要更高比例的能量和容量的分配。

责任编辑:上海新闻网
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