人脑为什么这么大？

波特先生 琳达

几十年来，研究人员对此一直争论不休，各种理论层出不穷。有人提出“社会脑假说”，认为演化形成较大的大脑可以帮助我们管理日渐复杂的社会生活；也有人提出“高耗能组织假说”，认为食肉让大脑能够以肠道为代价进行演化；有的研究提示合作狩猎或分享文化知识等社会挑战促进人类大脑扩大；此外，一种解释人类大脑进化的数学模型还发现环境具有更强的影响力……

发现控制大脑大小的基因

在过去的300万年里，大脑的进化对我们这个物种思考、解决问题和发展文化的能力起了重要作用。但是，导致我们人类大脑进化背后的基因变化是难以捉摸的。2018年，两个研究团队同时发现了使人类演化出如此不可思议大脑的基因家族——NOTCH2。

在過去300万年中，这个基因家族就像人类大脑演化的催化剂一样。该基因所位于的基因组在过去被发现与神经发育疾病相关，它通过延缓干细胞分化为神经元的方式在人类大脑皮层发育中起重要作用。从长远来看，这导致了在整体上产生更多的神经元。该基因也是人类所特有的（即使人类近亲物种也没有），并且在大脑皮层干细胞中高度表达。

在800万到1400万年前的一个远祖身上发现了一个复制错误导致了“额外的大块DNA”，加州大学圣克鲁斯分校和霍华德·休斯医学研究所的研究员大卫·豪斯勒博士说，他是其中一项新研究的资深作者。

这种名为NOTCH2NL的特殊基因可产生蛋白质，并参与将神经干细胞转化为皮层神经元。NOTCH2NL增加了高级认知功能所在的新皮层神经元的数量。随着时间的推移，造就了更大、更强的大脑。

“我们的大脑主要是通过大脑皮层某些功能区的扩张而变得更大，这是我们成为人类的基础。”豪斯勒博士说，“我所能想到的最令人兴奋的科学问题，莫过于发现并解码那些使我们成为我们自己的神秘基因变化。”

豪斯勒说：“这是已知的第一个控制大脑大小的基本途径中的人类特异性基因。”

在发现只有人类细胞携带NOTCH2NL基因后，豪斯勒的团队开始忙着比较人类和猕猴大脑发育过程中的基因表达情况。

脑容量急剧增加之前它翻了两倍

通过复制将NOTCH2的部分拷贝插入基因组中，这发生在远古猿类物种中，它们是人类、黑猩猩和大猩猩的共同祖先。这种部分复制是一种非功能性的“假基因”，在黑猩猩和大猩猩的基因组中仍然存在。

然而，在人类谱系中，当额外的NOTCH2 DNA被复制到它的位置时，这个假基因就“复活”了，并产生一个功能基因。这个新基因会被重复几次，并产生4个相关的NOTCH2NL基因。

四种NOTCH2NL基因中有一种似乎是非功能性的假基因，但另外三种是活跃的基因，是指导原NOTCH 2蛋白截短体产生的活性基因。

研究人员解释说：“我们在比较人类和猕猴大脑发育过程中在干细胞衍生模型中表达的基因时，才意识到我们可以在人类细胞中检测到NOTCH2NL，但在猕猴细胞中却无法检测到。”

“观察DNA，我们也没有在猩猩身上发现它，只在我们最近的亲戚，大猩猩和黑猩猩身上发现了截短的、不活跃的版本。”

“重新构建的NOTCH2NL基因进化史表明，一种称为基因转换的过程可能负责修复NOTCH2NL的非功能性版本，这种版本最初是作为一种重要的神经发育基因NOTCH2的部分复制而出现的。”

该团队认为，这种修复作用只发生在人类身上，大约发生在300万到400万年前，约与化石记录显示人类大脑开始扩张的时间相同，也就是我们从其他类人猿中分离出来几百万年后。但在我们与尼安德特人的共同祖先分离之前，NOTCH2NL又重复了两次。

豪斯勒博士和他的同事研究了NOTCH2NL没有表达时会发生什么：他们从人类干细胞中删除了NOTCH2NL，并利用它来生长被称为有机物的皮层。研究发现，在NOTCH2NL耗尽的干细胞中产生的有机化合物分化速度更快，但最终形成的有机化合物更小。

“如果你失去了NOTCH2NL，它会导致皮质干细胞过早分化成神经元，但与此同时，非常重要的干细胞库也会枯竭，”豪斯勒博士团队的成员、阿姆斯特丹大学研究员弗兰克·雅各布斯博士说。

被称为1q21.1的基因组区域的重复或缺失已知会分别导致大头症或小头畸形，并与一系列神经发育障碍有关，包括多动症、自闭症谱系障碍和智力残疾。由于NOTCH2NL是大脑和1q21.1疾病易感性之间的一种进化权衡，所以研究人员很快指出，这里也有很多健康的变异。

寻找活跃的人类特有基因

另外一个研究小组由布鲁克斯大学的发育生物学家皮埃尔·范德海根和维布库鲁文领导，他们从一个相关的方向抵达NOTCH2NL，利用原始组织寻找在胎儿大脑发育过程中活跃的人类特有基因。

范德海根说：“对于我们这些研究人员来说，弄清楚在人类发育和演化过程中导致大脑（尤其是大脑皮层）变得更大的因素是非常重要的事情。鉴于人类大脑相对较快的演化，人们很容易猜测到新进化的、人类特有的基因可能有助于我们以一种特定于物种的方式塑造大脑”

寻找与大脑发育有关的人类特有基因被证明具有挑战性，因为难以和其他物种区分开来。因此该团队开发出一种新的RNA测序分析方法，专门用于在胚胎组织中进行人类特有基因的特异性和敏感性检测。这使得研究人员能够识别出35种人类特有的在人类大脑皮层发育过程中活跃的基因，包括NOTCH2NL基因家族。

他们将注意力集中在NOTCH2NL上，因为其祖先基因NOTCH 2在控制皮质干细胞是否产生神经元或再生更多干细胞的信号过程中具有重要作用。他们发现，在小鼠胚胎中人工表达NOTCH2NL可以增加小鼠大脑皮层中的祖细胞数量。

通过对基于人类多能干细胞的体外皮层发育模型进行测试后研究人员发现，NOTCH2NL能够显著增加培养物中的细胞数量，从而产生更多神经元。

“一个干细胞有三种分化可能性：再生两个祖细胞，生成两个神经元，或者生成一个祖细胞和一个神经元。而NOTCH2NL所做的就是轻微地改变这种决策可能性，使干细胞更容易生成祖细胞，而这最终会使神经元增加。”范德海根博士说。

为了更好地了解这些基因在人类中的作用，科学家们从人类多能干细胞中建立了一个皮层发育的体外模型，以探索NOTCH2NL的功能。在这个模型中，他们发现NOTCH2NL可以显著增加皮质干细胞的数量，进而产生更多的神经元，这一特征有望区分人类和非人类的皮质神经发生。

关于NOTCH2NL我们还有很多不懂的事情。到目前为止比较明确的是，NOTCH2NL在人类大脑进化过程中起到重要作用。它或许可以部分回答那个古老的问题——我们之所以成为人类，是因为几百万年前发生的一个基因突变，这个突变使我们变得聪明起来。

社会挑战推动了更高的智力

NOTCH2NL帮助我们祖先的大脑变大，但从新陈代谢的角度来说，脑组织是昂贵的东西。苏格兰圣安德鲁斯大学的数学进化生物学家毛里奇奥·冈萨雷斯·费莱罗博士说：“大脑占身体重量的4%，但却消耗了20%的能量。”

一定有什么东西推动了更大、更昂贵的大脑的进化。出现了三个竞争者：社会挑战（包括合作和竞争）、生态挑战（寻找食物，躲避捕食者）和文化挑战（能够分享获得的知识和技能）。

大多数研究人员认为，社会挑战推动了更高智力的出现，但这些模型在很大程度上是不可测试的。

在2018年5月份的《自然》杂志上，冈萨雷斯·费莱罗和他的同事安迪·加德纳首次展示了一种计算工具，用来了解是什么驱使人类的大脑变得更大。冈萨雷斯·费莱罗说，他们的方法比其方法更复杂，但也基于实际的数字运算。我们的目标不仅仅是研究为什么我们的大脑会变大，而且是为什么它们会变得如此之大。

冈萨雷斯·费莱罗说：“这是基于經验的证据，有实际的代谢成本，所以也更容易测试。”

他们研究了不同组织的能量消耗，以及身体大小。任何一个组成部分的生长都需要增加能量，但这是一种权衡：增大大脑体积也能提高技能，但一个更大、更需要能量的大脑会减少身体其他部分的能量，比如生殖组织。

新模型产生了多个场景，每个场景都有不同的挑战组合。冈萨雷斯·弗莱罗认为社会智力的需要——主要的假设是最重要的，但事实正好相反。他称之为“军备竞赛”的是越来越聪明的个体之间的竞争，结果适得其反。

他说：“这会让你的大脑变得更大，但它们（在新陈代谢方面）代价太大。”

相反，研究发现，最可能解释我们的大脑与身体比例的情况是60%的生态挑战，30%的合作和10%的群体间竞争。社会智力理论家们仍然对这些结果持怀疑态度，但冈萨雷斯·费莱罗指出：“我们并没有拘于任何特定的假设，我们只是提供一种工具。”他已经在计划完善这个工具。最初的模型没有考虑文化智力假说，而他希望将文化智力假说纳入模型。

人脑未来可能发生更大的变化

社会和工作场所的新近变化甚至有可能推动孤独症病例在最近呈上升趋势。剑桥大学孤独症研究中心主任西蒙·巴伦·科恩想知道孤独症病例的增加是否部分地归咎于“选型配对”，即人们挑选同他们相像的人作为配偶。自闭症谱系障碍患者通常更注重细节，分析能力更强，如今，他们也许比过去更容易找到与其情投意合的伴侣。巴伦·科恩指出，在20世纪50年代末期，麻省理工学院仅有2%的毕业生是女性，而现在这一比率达到50%。他正在制定一项研究，用以测试易患孤独症的人群中存在的选型配对，是否会提高他们生下患孤独症的儿童的几率。

人脑如今已变成世界上独一无二的认知机器，且很可能在未来发生更大的变化。从事语言和大脑进化研究的哈佛大学实验心理学家斯蒂芬·皮克表示，我们所处的环境从本质上讲是一个“认知环境”。在一项研究中，威雷发现人脑中控制葡萄糖代谢的基因是最新进化成的基因之一。可能正是这种进化，使得人脑的体积达到与我们关系最亲近的物种黑猩猩大脑体积的两倍。

第一个不同古人类种群之间的混血儿

研究人员从在西伯利亚丹尼索瓦的洞穴里发现的一根大约仅有两厘米长的骨头碎片中，找到了一位生活在大约9万年前的少女的基因组。研究人员给她取名叫“黛尼”。虽然这块骨头仅有两厘米，但是经过研究之后却有重大发现。

DNA分析显示，这位“黛尼”女孩是来自两支已经灭绝了的古人类种群——尼安德特人（母亲方）和丹尼索万人（父亲方）——的直接混血儿。并且这两支古人类种群和我们现代人类都不属于同一进化支。虽然遗传学家此前已经发现了人属间杂交的证据，但是研究人员首次发现了不同古人类种群的第一代后代。

地球上第一位艺术家不是人类

我们常常会感叹远古文明中人类的智慧与创造力，也会不禁遐想地球上第一位艺术家到底是谁。然而，英国的南安普顿大学、德国的马克斯·普朗克研究所、西班牙的巴塞罗那大学以及其他研究小组利用最新的铀钍测年法，共同探究了先前发现的西班牙洞穴壁画遗址的作者身份。研究后发现，地球上的第一位艺术家并不是人类，而是尼安德特人。在此之前，尼安德特人被广泛描述为野蛮且没有审美和认知能力的劣等种族；然而，这些洞穴壁画的发现表明，我们现代人类并不是地球上第一批能够处理象征思维和拥有自我意识的复杂高知生物。

300多万年前的古人类“幼童”能直立行走

我们现代的两足动物可以有效地用两条腿走路，但进化而来的树栖动物却不能。确切地说，在我们的起源故事中，从树上生活到陆地生活的转变发生在什么时候，一直是古人类学家争论不休的问题。许多研究人员认为，阿法南猿生活在300万到400万年前的东非，是第一个完全两足的祖先。

然而，在2018年7月的《科学进展》杂志上，美国研究人员分析了约331万年前南方古猿阿法种一个2.5岁雌性幼猿的足部骨骼化石，该化石与人类拇指差不多大，2002年发现于埃塞俄比亚的迪基卡地区。

研究发现，该幼猿足部的许多结构特征表明她可以直立行走，其内侧楔骨凸出，可用来帮助爬树。

南方古猿阿法种最著名的代表是1974年在埃塞俄比亚出土的“露西”，她生活在距今约320万年前。此前有学者认为，南方古猿阿法种几乎完全双足行走，但也有研究认为他们部分栖于树上，“露西”可能因从树上掉下受伤而死。这可能意味着更年轻阿法种的个体为了躲避捕食者会在树上游荡，但一旦成年，它们就会花时间在地面上觅食。

我们的扩张故事

研究人员一致认为，最早的原始人——灵长类的分支——出现在非洲。但是在那之后事情就变得有点模糊了。特别是，人类在何时以及如何在旧大陆传播的地图一直在变化。这些发现为我们的祖先和远亲开辟了一条“新”的道路。

以色列米斯利亚

有关现代人类起源的故事不断被修改，但总的来说，智人首先是在我们现在称之为埃塞俄比亚的地区出现的，某些留在东非的后裔在大约10万年前进化为现代智人。2018年1月在《科学》杂志上公布的数据显示，从解剖学角度看，一个现代人类的部分下颚可追溯到17.7万至19.4万年前。这是人类在非洲以外的最古老的骨骼证据，比早期估计的智人出现在非洲大陆的时间还要早5万多年。

该研究的首席研究员伊斯雷尔·赫斯柯维兹说：“虽然米斯利亚化石的所有解剖细节都与现代人类完全一致，但有些特征类似于尼安德特人和其他人类群体的遗迹。这表明，虽然非洲是我们物种的起源地，但我们的一些特征一定是在非洲以外的地区进化而来的。

沙特阿拉伯中部省

十多年来，一个由考古学家和人类学家组成的团队一直在阿拉伯沙漠中寻找证据，以证明人类最早的一些成员曾一度穿过那里曾经的绿地。研究人员2018年4月在《自然生态与进化》杂志上发表报告称，这块手指骨大约有8.5万年的历史，是在阿拉伯半岛发现的最古老的解剖学意义上的现代人类化石。根据同一地点的动物骨骼、石器和沉积物，研究小组认为，它位于一个全年都有水的淡水湖旁边，周围是半干旱的草原，到处都是猎物：这是一个吸引早期狩猎采集者的营地，他们相信这些人曾在这里生活过一段时间。

新发现支持这样的观点——早期现代人扩散到欧亚大陆的时间比此前很多人认为的更早，而且更频繁。

印度阿提兰帕克卡姆

很久以前，就在现在的南印度，早期人类展现了令硅谷的科技奇才们羡慕不已的创新能力。随着时间的推移，古代发明者们放弃了笨重的手斧和劈刀，转而选用光滑的薄石片来切割东西和制作长矛。

与此同时，非洲大陆上现代人类祖先也开始了类似的更新换代活动。但考古工作者们在印度阿提兰帕克卡姆遗址的土壤层中发现了工具换代时期的痕迹，这很令人惊讶。这片遗址的工具换代可能发生在25万年前，也可能是更早的38.5万年前，这要比印度其他遗址早得多。这意味著旧石器时代中期文化在印度地区的起源又提早了十万年。尽管没有发现人类骨骼，但大量距今38.5万年前的石器证据表明，智人离开非洲的时间比人们想象的要早得多。然而，其他研究人员认为，这些工具并不那么先进，可能是由另一个更古老的物种制造的。

中国上陈遗址

在陕西省西安市蓝田村一带，中国科学院广州地球化学研究所朱照宇领导的中外团队新发现一处早更新世的古人类旧石器遗址——上陈遗址。在该遗址中发现的96件石器，经过一系列野外测量和实验测试分析，发现这些石器距今最早已有212万年。也就是说，人类至少早在212万年前就已经离开非洲，这比此前提出的年代要早约27万年。

它们与鹿和其他动物的骨头一起被发现，但没有人类的化石。然而，1964年的一次挖掘在几英里外发现了一个163万年前的部分直立人头骨。