Biology 版 (精华区)
发信人: rainy (段誉), 信区: Biology
标 题: 二、基因和脑
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月23日08:35:18 星期六), 站内信件
随着生物进化,机体复杂性也同时增大。当今地球上最复杂的机体,所含
有的存储信息量(遗传和非遗传的)要比二亿年前最复杂的机体大得多。二亿
年,仅是行星生命史的百分之五,在宇宙日历上只有五天的时间。今天地球上
最简单的和最复杂的机体都共有同样长的进化史,但很可能现代细菌体内的生
物化学效能要高于三十亿年前的细菌。可是,现代细菌的遗传信息量也许并不
比其远古的祖先大得很多。因此,区分信息的数量和质量是十分重要的。
各种不同生物的形成,称之为生物类别。生物分类学的最大分界线,就是
把整个生物界分为植物界和动物界;或者区分为细胞内细胞核不发达的机体—
—原核生物(如细菌和蓝绿藻)与细胞核界限明显、结构完善的机体——真核
生物(如原生动物和人)。但是地球上的所有机体,不管其细胞核界限是否分明,
它们都具有染色体,这些染色体都含有传代的遗传物质,核酸就是机体中的这
种遗传分子。除了一些无关紧要的例外,这类遗传性核酸多是脱氧核糖核酸
(DNA)分子。奄种不同的动物植物还可细分为种、亚种和属,这也被称作为
分类。
物种是通过种内而不是种外的杂交可以产生能生育后代的居群。种内的各
个品种的狗交配生出的幼犬,成熟后有生育能力。但是异种交配甚至是象驴和
马这样相近物种的杂交只能生出不育后代(骡子),因此,驴和马不能划为同一
种。种属相隔较远的杂交,如有时发生的狮虎杂交,其后代虽然能够生存,但
不能生育传代。如果偶然这样杂交后代可以繁殖,这仅说明种的界限划分得不
明确。整个人类都是同一个种——智人的成员。智人在风趣的拉丁语中意指“智
慧人”。大概我们的祖先是能人和直立人(现已灭绝)。能人和直立人两者都归
为同一个属——人(Homo)。但它们却是两个不同的种。可是直到最近还没有
人试图作个恰当的实验,验证一下,假使能人和直立人同我们现代人交媾能否
再生出有生育能力的后代。
古时,人们普遍认为,即使物种极不相同的机体相互交配,都能生育后代。
希腊神话中传说,雅典王子提修斯杀死的那个半人半牛的怪物米诺陶,就是公
牛和女人交媾生的。罗马历史学家普利尼(Pliny)认为,驼鸟就是长颈鹿和蚊
子交配的杂种(这可是个最新发现?!我猜测可能是雌长颈鹿和雄蚊子交配的
杂种)。在实际生活中可能有许多这样因缺少某些诱导而从未试探过的杂交。
图1在本章中是要反复提到的。图中的实线表示几个主要生物分类最早
出现的时间。当然实际存在的物种要比图中圆点标出的多得多。这些圆点表示
地球生命史中陆续出现的成千上万个物种的特征,而这条曲线则表明这些圆点
密集排列的特征。新近进化发生的主要物种一般来说是最复杂的。
一些有关机体复杂程度的概念,只有通过考察机体的行为才能弄清楚,即
研究机体一生中,要完成多少种不同功能活动。机体的复杂性也可根据机体内
遗传物质的最低信息含量推测出来。脱氧核糖核酸(DNA)分子很长,呈螺旋
形,压缩成很微小的染色体。人的典型染色体就是由这样的分子组成的。由于
它绕成螺旋形,这样它所占据的空间显然要比拆开时占据的空间小得多。这种
脱氧核糖核酸分子是由较小的构体块组成的,与楼梯和绳梯的侧面相似。这种
构体块叫做核苷酸。它总共有四种,生命的语言,即我们的遗传信息,就是由
这四种不同的核苷酸的序列决定的。因此我们可以说,遗传的语言就是由只有
这四个字母组成的字母表写成的。
生命这本书是丰富多采的。人的典型染色体的DNA分于是由大约五十亿
对核苷酸组成的。地球上所有物种的遗传指令都是用同样语言和相同密码写成
的。的确,共用的遗传语言就成了一条证据,证明地球上一切有机体都是共祖
的,都是从四十亿年前生命起源的同一种场合进化来的。
任何电文的信息量一般均用称为比特(bit)的单位来表示。比特是二进位
制的缩写,二进位制的一位所包含的信息称为一比特。最简便的运算模式不采
用于位数(我们常用十位数是因为我们有十个手指这一偶然性所造成的),而是
采用二位数:O和1。这样,任何直截了当的问题都可用单次的两位数0或1、
是或否来回答。如果遗传密码以两个字母而不是四个字母的语言记入的话,那
么DNA分子内的比特数将是核苷酸对数的二倍。既然现有四种核苷酸,那么
DNA中信息比特数就是核苷酸对数的四倍。如果一个染色体有五十亿(5×
10^9)个核苷酸,这样它就含有二百亿(2×10^10)信息比特(象10^9这样的
数学符号仅表示1后面跟若干个零,此例中是1后面跟9个零)。二百亿比特是
多少信息呢?如果用现代人类语言记录在普通印刷书中,那么它的等值是多少
呢?人类语言字母表的特征就是有20~40个字母,加上12个或24个数字和标
点符号,这样64个可以来回替换的印刷符号就能足以满足这种语言的最大需
要。由于2^6等于64(2×2×2×2×2),这样不要多于6个比特就能确定一个
给定的符号。当我们做完一种20问的游戏后,我们就能得出这个结论。在这个
游戏中,每一答案都相当于在是或否的问题上投入一比特。假设要问的印刷符
号是字母J,我们通过下列程序确定它。
第一问:它是个字母(0)还是别的符号(1)?
答:是字母(0)。
第二问:它在字母表中的前半部(0)还是在后半部(1)?
答:在前半部(0)。
第三问:在前半部的13个字母中,它是在前7个字母内(0)还是在后6
个字母中(1)?
答:在后6个字母中(1)。
第四问:在后6个字母(H、I、J、K、 M)中,它在前8个字母内(0)
还是在后8个之中(1)?
答:在前3个字母内(0)。
第五问:在字母H、I、J里,它是字母H(0)还是I和J中的一个(1)?
答:I和J中的一个(1)。
第六问:是I(0)还是J(1)?
答:是J(1)。
因此,确定字母J就相当于二进制信息001011。它不需要20问,而只有6
问就够了,因而在这一断定中,仅需6比特就能确定某一给定的字母。由此可
见;二百亿比特大约是三十亿(2×l0^10/6=3×10^9 )字母的等值。如果平
均每个单词大致有六字字母,那么人染色体的信息量就相当于五亿(3×10^9/
6=5×10^8)单词。如果铅字印刷版书的普通一页上大约有三百个单词,这就
相当于二百万页左右(5×10^8/3×10^2=2×10^8)。如果一本标准书共有这样
的页数500页左右,那未一个人染色体的信息量就相当于大约4000册书那么多
(2×l0^6/5×10^2=4×10^3)。显然,我们机体DNA的核苷酸就好象一个庞
大的情报资料图书馆。同样道理,要确定象人这样结构精致、机能复杂的对象,
也需要同样一座规模宏大的图书馆,简单的有机体复杂性较小,能做的事也少
些,从而需要的遗传信息量也不会大。1976年登上火星的“海盗”登陆器,其
电子计算机内的预先程序指令可达几百万比特,这样登陆器的“遗传信息量”
稍多于细菌,但却大大地少于海藻。
图1中展示了各种生物DNA的最低遗传信息量。因为大部分哺乳动物的
遗传信息小于人类,所以图中表示的哺乳动物信息量要比人少。在一些生物分
类里,如两栖动物,其遗传信息量在品种之间是截然不同的。有人认为,很多
这种脱氧核糖核酸可能是多余的或不起作用的,所以图1只表示已知生物分类
DNA的最低信息量。图1中带有满圈的实线表示不同生物分类含在基因内的信
息位数。在地理资料中,也标明了这些生物分类的大约起源时间。由于某些生
物分类的每个细胞的DNA量变化不定,所以这里仅表示出已知生物分类的最
低信息量。这部分资料选自布里顿(Britten)和戴维森(Davidson)1969年的
著作。带有空圈的虚线是表示对这些相同机体的神经系统和脑信息量进化的大
体估量。两栖动物以及更低级动物的脑信息量都靠近图的左边。这里也标出了
病毒遗传物质的信息位数。但病毒是否起源于几十亿年前,至今还弄不清楚,
有可能病毒是新近进化的,是因机能退化而从细菌或其他较精致的机体演变来
的。
如把人的体外信息也包括在内(图书馆等),这一相应点就要大大地靠近图
的右下边了。
从图上可以看出大约三十亿年前地球上有机体的信息量增长是惊人的,但
此后遗传信息量增速缓慢。从此表还可看出,如果为了人类生存,所需要的信
息量大于几百亿(10^10的几倍)的话,那么就会由非遗传系统提供信息。因
为人的遗传系统发展速率是如此之慢,以至在DNA内根本找不到这种辅助生
物信息源。突变是生物进化的原料,它促使DNA分子遗传指令的特殊核苷酸
序列发生遗传性改变。引起生物突变的因素如下:周围环境中的放射线;来自
空间的宇宙射线;或者统计学机率上极为少有的自发核昔酸的自然重组合,化
学链的自然断裂等。突变在某种程度上是受机体本身控制的。机体具有修复DNA
结构上某种损坏的能力。例如机体内有查视DNA是否损坏的分子,当发现DNA
内有异乎寻常的特殊变动时,这段DNA就会被一种分子剪刀切断,于是DNA
也就修复了。但这种修复并不是完美无缺的。这种突变如发生在我们手指表皮
细胞的染色体内,在一个DNA分子中,这种突变对遗传就不会有影响。至少
手指与种的延续是不直接相关的。那么值得考虑的应是作为有性繁殖的物质配
子——精细胞和卵子的突变。偶尔有益的突变为生物进化提供了实用材料,如
尺蛾从白色变成黑色的黑色素的突变。在英国的白桦树上通常就有这种尺蛾,
白颜色为尺蛾提供了保护性伪装。在这种情况下黑色素突变并不是个有利条件,
因为黑色尺蛾赤裸易见,易被鸟类吃掉,这种突变违背了自然规律。但由于工
业的发展,烟灰开始覆盖了白桦树皮,情况被颠倒过来,只有黑色素突变的尺
蛾才能幸存,这种突变又变成了有利于自然选择了。这样过一定时间后,几乎
所有的尺蛾都变成了黑色,并将此种可遗传的变异传给了后代。如果英国的工
业污染能得到控制,当然情况又会倒转,即向消除黑色素适应的方向突变,这
种突变叉将有利于尺蛾的生存传代。值得注意的是,在突变和自然选择的相互
作用中,尺蛾绝不会“自觉努力”去适应变化了的外界环境,这个过程完全是
无目的的,但在统计学上来看却是有意义的。
象人这样大的有机体大约每十个配子平均就有一次突变,也就是说有百分之十
的突变。即任何一个成熟的精子或卵细胞在决定下一代结构的遗传指令上将会
有一种新的和遗传性变异,这些突变随机发生并几乎都是有害的。就象一台精
密机器,随意改变操作规程反倒得到了改进的现象是微乎其微的。大多数的突
变都是隐性的,也就是说不立即显露出来。然而,也有象某些生物学家所指出
的那样高突变率,即因遗传性DNA的一个较大的补体可产生一种反而不使人
满意的高变异率。这是因为如果含的基因(注:在某种程度上突变率本身是受
自然选择控制的,正如人们列举的“分子剪刀”一样。但很可能存在一种不能
再降低的最低突变率。这样首先是为了进行相当多的遗传试验,以便对自然选
择产生影响,其次则是为了在产生的突变之间进行平构,比如说,由于光线引
起的突变和有成效的可能存在的细胞修复机制引起的突变之间的平衡。)较多的
话,突变率太大,故障就会出现得过于频繁。假如这是事实,那就应存在着一
个大机体DNA可容纳得了的遗传信息量的实际上限。这样一来,大而复杂的
机体,就其本身存在这一事实来说,也不得不有个具体的非遗传信息源,除人
外,所有的高级动物的信息几乎都不存贮在大脑里。
什么是脑的信息含量?让我们考查一下关于脑功能的截然相反的两种观点吧。
一种观点认为,脑至少是脑的外层——大脑皮层是等效的,脑的任何一部分功
能可以被其他的部分代替,不存在机能定位的问题。另一种观点认为,脑是很
难传导相通的,特种的认识功能定位在脑的特定部位。我们从计算机的设计上
得到启发,真理可能就介于这两种极端不同的观点之间。一方面脑功能的任何
非神论观点都必须把生理学和解剖学紧密联系起来,脑的特异功能必然依附于
特定的神经结构模式或其他脑的特殊结构;另一方面,为了确保准确性和预防
意外,我们预料到自然选择已发展了脑功能的大量多余信息。这点很可能从探
索脑的进化途径中得到说明。
哈佛大学心理神经学家拉什利(Karl Lasheley)确切地证实了记忆存贮多余信
息的存在。他用外科手术摘除了大鼠大脑皮质的重要部分,发现没有明显影响
大鼠以往所学会的怎样走迷路的行为记忆。通过这样的实验证明,相同的记忆
应定域在脑的多种不同部位。现在我们知道,某些记忆是通过一个称之为胼胝
体的白质桥(Conduit)汇集在大脑左右半球之间的。
拉什利曾报道,当鼠脑的相当大的一部分,比如说百分之十切除后,没有发现
鼠的一般行为有明显的改变。当然不会有人去询问鼠的看法了。但为了更好地
研究这一问题,就应对鼠的社会行为、寻找食物的举止以及掠夺回避动作等做
详尽的研究。这种摘除术引起鼠的多种可以想象到的行为变化,这些变化对漫
不经心的科学工作者来说可能不会一目了然,但对鼠来说却是关系重大。比如
说,手术后的大鼠对有吸引力的异性鼠也不那么感兴趣了;对正在迫近捕食的
猫表现出无动于衷的神态(注:顺便说及,正如测验一个栩栩如生的动画片对
美国人生活发生如何影响一样。试一试,反复阅读本段,文中凡有猫字的地方
以鼠字代替,这样看一看你对那只遭到手术变得糊里糊涂的大鼠的同情心能否
骤然增加。)。
有时通过实验可以证明,切除人的大脑皮质的重要部分或该部发生损伤,例如
施用双侧前额切除术,或因意外事故,结果对人行为举止几乎没有发生什么影
响。但人的某些行为从外观或从内在思想上来看都不是明显的。人具有感性认
识,也有象创造力这样罕见的理性认识活动。有关创造才能行为的联想,那怕
很少一点,都得化费相当多的脑力。这些创造行为确实成为我们整个人类和文
明的特征。许多人缺乏创造力,可是无论是脑损伤受试者,还是做此种研究的
医生,都觉察不到他们缺乏创造力。
脑功能存有大量多余信息,已成了不可回避的事实,几乎可以肯定他讲,风靡
一时的等效说是错误的,当今的大部分神经生理学家已经抛弃了这一假说。但
从另一角度来讲,那种认为记忆是大脑整体功能的等效观点,尽管它的科学论
据还很不充分,况且又处于试验之中,但是,对这种观点完全不给予考虑依我
们来看也并非容易。而认为脑的一多半空间是无用的观点,是容易为一般人所
接受的。可是要从进化论的观点来看,这又完全站不住脚。既然脑的一多半没
有功能作用,脑为什么还需要不断进化增大呢?实际上,这种论点的证据也少
得可怜。在实践中,人们发现有时脑虽有许多损伤(一般都是在大脑皮质内),
然而对行为并没有明显的影响,从此就得出脑的一多半没有功能作用的结论,
显然这是不正确的。这种观点,第一没有把多余信息功能考虑进去,第二没有
注意到人的某些行为是难以捉摸的这一事实。例如大脑皮层右半球的损伤可导
致思想和行动的减损,但这些都属于非语言领域,就其定义来说,对患者或医
生都是很难说清楚的)大脑功能定位的证据还是不少的。已发现大脑皮层下部
的脑的特定部位同食欲、体姿平衡、体温调节、血液循环、精细运动和呼吸等
有关。加拿大外科医生彭菲尔德(Wilder Penfield)对高级大脑活动作了研究,
用电流刺激大脑皮层的不同部位,试图减轻象精神运动性癫痫这类疾病症状。
受试者主诉有一点片断的回忆,嗅到以往闻到的气味,听到一种声音,看到一
种颜色,这一切都是由大脑内特定部位的微量电流刺激引起的。
在另一个典型病例中,切开患者颅骨,露出大脑皮质,将电流经过彭菲尔德的
电极遇到患者皮质时,病人可以详尽地听到乐队的乐曲。如彭菲尔德没有通电,
但他却对手术中完全清醒的患者说,他刺激了患者的大脑皮质,患者始终回答
说,没有记忆痕迹。如不告诉患者就经电极向患者的皮质通电,记忆痕迹便开
始出现或继续。这时,病人可以主诉,听到了乐曲的音调,或者一种熟悉的感
觉,或者在其思维里重新出现很多年前演奏时的感受。与此同时病人又清醒地
意识到他正在手术室里同医生谈话,这与患者的上述感觉或感受又不相冲突。
有些患者描述这种倒叙宛如一场短梦,可是患者并没有做梦感受的典型征象。
上述几乎全是癫痫病人的感受,但非癫痫病人很可能在类似的环境下也会出现
相似的感性回忆。可是这一点尚未通过试验证实过。第三个病例,是用电流刺
激与视觉有关的枕叶。患者主诉,他看见了飘飘飞动的蝴蝶,病人并从手术台
上伸出手要去捕捉蝴蝶,似乎真有这种使人相信的事实似的。在类人猿身上也
作了相似的试验,猿紧张地凝视着,似乎它在死死地盯着它面前一件东西,它
的右手作了个快速捕捉动作,尔后非常迷惑不解地端详着它那空空的拳头。用
电无痛地刺激人的大脑皮层的某些部位,能诱出一连串特殊事件的回忆。可是,
若切断脑组织同电极的接触,记忆犹新。因此,我们可以做出结论:至少是人
的记忆存储在大脑皮质内,一有电流刺激就可恢复记忆,而这种电流就是由脑
本身产生的,这个结论是无可非议的。
如果说记忆是大脑皮质的整体功能,即一种动态回响,或者说成是脑整个组成
部分的电流驻波图,而不是脑的个别部分的静态存储分布图,这样就能解释在
脑的重要部分损伤后,记忆为什么还能残存的原因。但也有与此相反的论证。
美国神经生理学家杰勒德(Ralph Gerard)在密执安大学作了如下试验:首先训
练仓鼠学会走回路,然后将其放在冰箱内冷冻到冰点,一种诱导式的冬眠,要
使温度降低到动物脑中一切可探测出的电流活动全部中断时为止。假如说,记
忆的动态观点是正确的话,此试验应能成功地消除仓鼠跑迷津的一切记忆。事
实相反,仓鼠记忆尚存。看来记忆是定位在脑的特定部位,脑在损伤后,记忆
仍然存在,这一定是静位记忆痕迹在脑的不同部位多余储存的结果。
变形的身体模型图说明大脑皮质中有多少注意力集中到机体的各种不同部位,
所展示的部位越大说明这部分越重要。图的左半部是大脑皮质展示的身体部位
接收神经信息的感觉区;图的右半部是脑通向机体的神经冲动传递的对应图。
图2是彭菲尔德的感觉区和运动区的大脑皮质机能定位图。从图中可见,脑的
大部分区域都用于控制手指(特别是拇指)、口和其他语言器官。正是这些器官,
在人的生理学中才根据人的行为把人和动物加以区别开来。没有语言,我们的
知识和文明不能发展;没有双手,我们的技术和业绩也永远不能建树。在某种
意义上说,运动皮质图是对人的特点准确生动的描述。当前比这更有说服力的
就是机能定位的论述。在一组精密的试验中,哈佛医学院的哈布尔(David
Hubel)发现存在特殊脑细胞的网状结构。它们是水平位细胞、垂直位细胞和对
角位细胞。这些细胞能有选择地对各个方位觉察到的影线进行应答,但每种细
胞仅在觉察到的相应方位线上才能发生兴奋。至少,某些抽象思想的萌芽是由
这些脑细胞引起的。
大脑皮质特定区域处理特殊的感性认识、感觉和运动功能。这些区域的存在意
味着在脑重和智力间不需要有完整的相互关系。显然脑的有些部位要比其他部
位重要。根据现存的记录(公开发表的资料);脑最重的人是克伦威尔(Olive
Cromwell)、特吉纳夫(Ivan Turgenev)和拜伦,这些人都是非常聪明的。艾伯
特·爱因斯但虽很聪明,但他的脑量并不很大。弗朗斯(Anoctole France
)
比好多人都聪明伶俐,但他的脑仅是拜伦脑重的一半。刚生的婴儿其脑重/体
重比率是相当高的(大约是12%)。人脑,尤其是大脑皮质在初生头三年
——这个最快学习期内生长迅速。到六岁脑重就可达到成人量的90
%。现代人平均脑重1375克左右(几乎有三磅重)。既然脑的密度同整个人体
组织一样,大约等于水的密度(每立方厘米重1克),这样脑的容积就是1375
立方厘米,不到一升半(一立方厘米体积大约有成年人肚脐那么大)。
不过现代女人的脑要比男人轻150克左右,如果把女人抚养孩子癖好考虑进去,
就没有明显证据能说明男女之间还有总的智力差异,因为人的150克脑重肯定
是无关紧要的。况且,不同人种的成年人脑重也不一样(一般来说,黄种人的
脑要稍大于白种人)。既然证实了在相同的条件下智力不存在差异,所以相似的
结论也就随之产生。拜伦脑重2200克,弗朗斯脑仅重1100克。脑体积上的差
异表明,在一定范围内几百克的差额,对于脑的功能来说大概是无关紧要的。
畸形小脑——天生过小的脑,这种成年人的认识能力大量丧失。典型畸形小脑
者的脑重只有450克到900克重,正常的新生儿标准脑重为350克,1岁幼儿
脑重大约是500克。当我们考查一个比一个小的脑重时,会很明显地得出如下
结论:同正常的成人脑相比,如脑重过小其功能也一定会受到严重损害。
况且,在脑重(或者说脑体积)和人的智力之间存在着统计学对比关系,但这
种关系不是一一相对的,不象拜伦——弗朗斯脑重相比看得一清二楚。固为我
们无论如何不能通过测量某个人的脑体积大小,从而来判定此人的智力好坏。
但是正如美国芝加哥大学进化论生物学家范.瓦伦(Leigh van Valen)所指出的
那样,现有的资料已提供了脑体积和人智力间相当完整的平均对比关系。这是
否意味着脑体积的大小在某种程度上将导致智力的高低呢?在脑体积和智力间
没有相互影响的情况下,如果说如营养不良,尤其是在子宫内和婴儿期的营养
不足将能引起脑体积过小,从而造成智力偏低又有什么不可以的呢?范.瓦伦指
出,脑体积和智力间的对比关系,要远远胜过众所周知的受营养不足影响的身
高或成人体重同智力间的对比关系。毫无疑问,营养不足可以降低智力。因此
除这方面影响外,似乎应有一个范围,在此范围内体积绝对大的脑趋向产生较
高的智力。
在考察新的智力区时发现,可对脑体积进行数量级估计,但不必要高度精确。
这对勾画问题轮廓和指导今后的研究是有用的。在研究脑体积和智力间联系的
问题时,想要统计每立方厘米脑功能的具体数字,这显然远远超越了现代科学
的能力。但可不可以有一个粗略的大致的方法算出脑重和智力的关系呢?
因为女人的脑重小已成体系,况且女人的体重也比男人轻,正是由于这个原因,
男女间脑重差异引起了人们的研究兴趣。既然受控机体较轻,脑重相应小些又
有什么不可以的呢?这就暗示出,计算脑重/体重比率是一种比单纯测量绝对
脑重较好的测定智力方法。
图3所示为各种动物的脑重和体重。鱼和爬虫类同鸟类以及哺乳类有着显著的
区别。就脑重/体重比率而言,哺乳动物的脑重一贯是较高的。哺乳动物的脑
要比在体积上与其类似的现代爬虫动物的脑,重十到一百倍。哺乳动物和恐龙
的差异就更引人注目了。这种差异虽然大得惊人,但却是完全成规则体系的。
人属于哺乳动物纲,因此可能对哺乳动物和爬虫动物的相应智力存有某些偏见。
但哺乳动物的智力同爬虫动物相比,确实是较高的,在这一点上证据确凿,并
且是令人信服的。这里也提到了引起人们兴趣的例外,有一种和小型驼鸟相似
的白垩纪晚期恐龙,称之似驼龙。由于它的脑重/体重比率大大超出了爬虫类,
所以只好将其归入地区图表里,否则它是介于大型鸟类和低等哺乳动物之间的
一种生物。进一步探究这种生物是非常有趣的。加拿大国立博物馆古生物部主
任拉塞尔(Dale Russell)已对这种动物作了更详尽的考察和研究。在图3中也
可看出包括人这个生物分类的灵长目动物已同其他哺乳类截然区分开了。但还
缺少系统性,灵长目动物平均脑重要比相同体重的非灵长目哺乳动物大2~20
倍。
如果要详尽研究这一图表以便把一些特殊的动物区分出图4所展示的机体中,
就体重而论,脑重最大的动物是智人,占第二位的是海豚(注:按脑重/体重
比率这一判断标准,鲨鱼是鱼类中最灵敏的。此点与鱼类生态学环境是相符合
的。因为捕食者必须比草食者浮游动物聪明。在脑重/体重比率增长上,以及
脑的三个主要组成部分的协调中枢的发育上,鲨鱼的进化与陆上高级脊椎动物
的进展是并驾齐驱的)。另外,从其行为上也可证实,至少人和海豚是地球上智
力最强的机体,我不认为这种观点是沙文主义的。就连亚里士多德也意识到了
脑重/体重比率的重要性。洛杉矶加利福尼亚大学神经精神病学家杰里森是当
代这一观点的主要代表者,杰里森也曾指出,在这个相互关系中总有一些例外,
例如欧洲微小的鼩鼱,其脑重与体重比是0.1克比4.7克,这是人的范围内的较
大比率。我们知道即使脑的功能再简单,仅是一些辅助性功能也必须有最低限
度的脑重。但是我们还不能预料这种脑重和体重的相互关系是否也适用于最小
的动物。
海豚的近亲,成熟的巨头鲸的脑重几乎达9000克,是人平均脑量的6.5倍,
这在脑的总重中也是少见的,但其脑重/体重的比率就小得可怜了。然而身躯
庞大的恐龙的脑重又只是巨头鲸的百分之一。鲸鱼要这么大的脑做什么?是否
巨头鲸还有思想、见解、艺术、科学和传说呢?如果不考虑行为,只考虑脑重
和体重比率,井以此作为判定各种动物相对智力的标准,往往是较为准确的,
这正是物理学家所说的那种颇受欢迎的第一近似值。如果说不是人祖,至少是
人的旁系亲属——南方古猿也具有对其体重来说体积较大的脑。这一史料可供
未来参考。和同种的成年者相比,头颅较大的婴儿和小动物,对人们有着一种
莫名其妙的吸引力,我不知道此种兴趣是否来源于我们对脑重/体重比率重要性
的下意识的了解。
到现在为止,论述的资料表明,哺乳动物是从二亿年前的爬虫动物进化来的。
这种进化总是伴有脑体积和智力上相应明显的增长,同样表明,人是几百万年
前的灵长目动物进化来的,这一进化也是以脑的更加惊人的增长为特征的。人
脑(除似乎与认识功能无关的小脑外)含有大约100亿称之为神经元的开关元
件(小脑位于脑后部,在大脑皮层之下,另含有100亿神经元)。神经元或神经
细胞能产生出电流。意大利解剖学家高尔瓦尼(Luigi Galvani)正是通过和利用
这个办法来发现电的。他发现电流冲动一传导到青蛙的下肢,下肢就必然发生
抽动。因此动物的运动(活动)从最深的意义来讲是由电引起的。这种观点虽
普遍能为人们接受,但这顶多不过是部分真理。沿神经纤维传导的电冲动通过
神经化学的中介物,引起了这种肢体关节运动。而这种电冲动是在大脑里产生
的。不过要追溯现代的电学和电力与电子工业的起源,可看成是来源于十八世
纪的电刺激青蛙抽动实验。
事情发生在高尔瓦尼后的几十年,有一组从事文学创作的英国人,因险恶严酷
的气候被困搁在阿尔卑斯山中,他们争先恐后地编写极端恐怖小说。他们当中
的谢利(Mary Wollstoneeraft Shelley)编著了一部现代闻名的小说《弗兰肯斯
坦
医师的畸胎》。据说这个畸胎就是用强电流救活的。从那时起恐怖凄凉的哥特式
小说和恐怖电影的主要情节都围绕电气设备来进行构思,其基本思想就是高尔
瓦尼的观点。这些想法虽然都是虚构的,但这种思想却逐渐巧妙地潜入许多西
方语言,如我写此书所用的语言——英语。尽管已有证据表明,某些特殊记忆
和其他感性认识活动可能存储在脑的特殊分子内,如在核糖核酸和小分子蛋白
质内,但大部分神经生物学者认为,神经元是脑功能活动的有效组成成分。脑
的每个神经元大部含有10个精神胶质细胞(来自希腊字“glue"——胶),它们
为神经元结构的支架提供了保证。人脑中每个神经元有1000~10000个突触,
即同邻近神经元毗连的神经键[许多脊髓神经元似乎有10000个左右神经突触,
那种所谓的小脑浦肯野氏细胞(存于小脑皮层的中层内——译注)所含的突触
数目可能还要多,脑皮质中的神经元键数大概小于 10000个]。 假如每个神经
元突触都能应答是或否这样的基本问题,象电子计算机的开关元件那样,这个
是或否答案的最大值即信息位大约可达1010x103=1013。10万亿位(假如每个
神经元我们用了10000个突触,那就是100万亿位, 1014 位)。某些此类突触
也一定含蕴着同在其他突触中所含有的相同信息量。某些突触与运动原(指肌
肉、运动神经或中枢——译注)和其他非感性认识的活动有关。某些突触可能
仅仅是一种等候新的信息振颤通过的空间缓冲剂。
在每个人头脑中如仅有一个应答极度迟钝的突触,那我们就能有两种精神状态。
如果我们有两个突触,那么就有22= 4种精神状态。如有3个突触,那就是23
=8种精神状态。人脑的特点就在于有10万亿(10 13) 突触。这样,人脑的不
同状态数是之的10 13幂,也就是2自乘到10 13次。这是个难以想象的惊人数
字。这个数大大超过整个宇宙中基本粒子(电子和质子)的总数,基本粒子的
总数远远小于之自乘到1000次。正因为这种巨量的脑功能的不同构型,两个人,
甚至是一对完全一模一样的孪生子,也不会完全相象。这种大量的不同构型也
能解释人们的某些不可预料性,这也是有时我们为自己所做的一切感到惊讶的
根源。确实面对这些数字,人们渴望知道人的行为还有没有规律性。这个问题
答案应是:所有脑状态并非已经全部都搞清楚了。在人类历史中,可能还有大
量的神经构型从未被人探究过,甚至从未一瞥过。从这个观点来看,每个人都
各不相同,而所谓个人生命的神圣就是一种似是而非的伦理学的后果。
近年来已清楚地知道,在脑里有微型电路,在这个微型电路中,神经元能够应
答是或否问题的范围,比电子计算机开关元件还要广泛得多。这种微型电路虽
然异常微小(其典型的尺寸大约是万分之一厘米),但却能敏捷地处理数据,它
们能对兴奋一般神经元所必需的大约百分之一伏电压发生应答,因此,这种应
答是比较精细敏锐的。此种微型电路有点符合我们平时对动物复杂性的看法,
这种复杂性的绝对和相对界限达到了最大值。近来在人的胚胎学中,对微型电
路的研究也取得了进展。微型电路的存在表明了,智力可能不仅是高度的脑重
/体重比率的结果,同时也是大量的脑开关元件功能特化的结果。微型电路使
脑可能存有的状态数比我们以前计算的还要多,这样也就大大增强了每个人脑
的惊人的独立性。
我们可以通过各种不同途径——内省地探讨人脑信息量问题。试想一下童年时
的视觉记忆,详尽考察你的视力情况。想象它是由象报纸传真照片那样一群细
点组成的,而且每个圆点都有一定的颜色和亮度。现在你要问,如表征每个圆
点的颜色和亮度需要多少信息位?构成这幅可以回忆起来的图象需要多少圆
点?在你头脑的视力内,要回忆起所有的图象细节需多长时间?在这一内省中,
在任何时刻你都会把焦点集中在很小的图象部分。你的视界是有限的,当你投
入所有这些数字时,你就能讲出大脑所处理的信息速率(比特/秒)。当我做此
种计算时,我就说出我的大脑处理的峰值速率大约是5000比特/秒(注:在一
个水平面上水平地构成一个180度的角。观察月亮的径向视角是0.5度。我想
要能看到月亮上的细节,在径向上要分成12个象点。这样我的视力就可大约解
决0.5/12=0.04度。比这再小的任何东西我就看不见了。我头脑中的观察力
以及我真正的视力的瞬时视界似乎每一边都有2度,困此在任何指定时刻,我
所能见到方块图象包括有(2/0.04)2= 2500象点,与传真照片的圆点相对应。
为了表征所有可能存在的灰影和此种园点的颜色,每个象点需要大约20比特。
这样要描画出我所见的小图象就需2500x20即50000比特左右,画出这个图象
所花时间大约为10秒钟,这样我处理速率的感觉数据大概不大于50000/10=
5000比特/秒。为对照起见,我们看看“海盗”着陆器的照像机。它的析象清
晰度是0.04度,每个象点仅需6比特来表征亮度,并通过500比特/秒速率
的无线电波直接传送到地球上。脑神经元产生大约25瓦特的功率,这个功率仅
能勉强打开一个小白炽灯。这样“海盗”登陆器要传送无线电通讯和完成其他
活动就需要有大约50瓦的总功率。)。
这种最常见的视力回忆都集中在形成图象边缘和由明到暗轮廓鲜明的变化上,
而不是在中等亮度的轮廓上。例如青蛙注视东西时,总对亮度梯度有很大的偏
向。大量的证据表明,相当常见的详细记忆是在内部,而不是在形状的边缘上。
可能最引人注目的事例就是人的空间图象立体结构实验。用一只眼回忆图象,
另一只眼观看着图。汇集这一立体图象需要10000象点的记忆。
我醒着时,从不进行视觉图象回忆,也从不连续不断地对人或物进行紧张而细
腻的端详。也许我一生中有百分之几的时间是从事那种工作的。我的其他信息
通道——听觉、触觉、嗅觉和味觉的传送速率是很低的。我推断我的头脑处理
的平均数据速率大约是5000/50=100比特/秒。假如我的回忆是完美无缺的
话,在我过了60岁以后,我在视觉和其他方面的记忆总计会达到2x10 11,即
2000亿比特。这个数字要比突触即神经键的数目小,但不是小得很多(固为除
了回忆外,脑还要做更多的工作)。这也表明神经元确实是脑功能活动的主要开
关元件。
美国心理学家罗森茨韦克(Mark Rosenzweig)和他的伯克利加利福尼亚大学同
事们,做了一系列学习期间脑变化的实验研究。这一实验是卓有成效的。他们
训养了两种不同种群的试验鼠,一种放在单调重复贫乏无味的环境中,另一种
则生存在生气勃勃丰富多样的环境中。后一种群的试验鼠的大脑皮质厚度和脑
重上都表现出惊人的增长,同时在脑的化学结构上也伴有变化。成年鼠和幼鼠
都有这种增长,这种试验说明生理变化与智力的经验是同时发生的,并表明可
塑性是受形态结构控制的。既然较大较厚的大脑皮质可以使未来的学习更轻松
容易些,从而就能推断出丰富多采的环境对儿童的重要性。
这意味着,学习新事物同形成新突触或激活濒死的老突触是一致的。伊利诺斯
大学美国神经解剖学家格里诺(Willian Greenough)同他的合作者已得到这一
结论的证据。他们发现,在实验室里,经几周学习训练后, 在鼠的大脑皮质中
增加和发展了那种形成突触的新神经分枝。另一群鼠虽经相同处理,但未经类
似训练,就显露不出这种神经解剖上的新奇变化,要构成新的突触就需合成蛋
白质和核糖核酸分子。大量的证据表明,这些分子都是于学习期间在大脑里生
成的。许多科学家认为,学习就含蕴在脑的蛋白质或核糖核酸内,看来可能性
更大的是,新的信息贮存在由蛋白质和DNA依次构成的神经元中。
存储在脑里的信息密度有多大?现代使用的计算机的典型信息密度大约是每立
方厘米一百万比特。电子计算机的总信息量除以计算机的体积所得的数值,正
象我们估计的那样,在比1000立方厘米多一点的大脑里约含10 13 比特,人脑
的信息量可达1013/103=1010,即大约为100亿比特/立方厘米。所以尽管
计算机体积较大,但脑的存贮信息密度要比计算机大一万倍。换句话说,电子
计算机要处理人脑这么多信息量,在体积上就得比人脑大一万倍。
现代电子计算机可以处理的信息率为1016~1017比特/秒。人脑同计算机的峰
值速率相比就要慢100亿倍。尽管脑的总信息量是如此小,处理速率又是这样
低,但人脑要比最好的电子计算机完成的工作还要多,而且还卓有成效。可想
而知,脑的“组装”和“配线”就需要格外精细了。
动物的脑神经元数并没有象脑体积本身那样成倍增长,这方面增长很慢,正如
我们所估量的那样,人脑体积如不把小脑计算在内大约是1375立方厘米,在这
么大体积的人脑内有100亿神经元并含有大约1013(10万亿)比特。在美国马
里兰州贝塞斯达镇附近的国立精神保健研究所实验室里,我还保存着一个家兔
的脑。它的体积大约是30立方厘米,中等萝卜那么大,相当于几亿神经元和几
千亿比特,这么大的脑就能控制用力咀嚼莴苣、抽动鼻子以及成年兔的调情等
动作。
既然象哺乳类、爬虫类或两栖类这样的生物分类包括有脑量大小截然不同的各
种各样动物,因此我们不可能确切地估量出每类有代表性的动物脑神经元数,
但是我们可以估计出图1中所提出的平均值,这些粗略的估计表明人脑的信息
位要比家兔大100倍左右。我不晓得这是否就意味着人要比家兔聪明100倍。
我不能确定这是否是一种令人啼笑皆非的论点(当然更无法理解100只家兔和
一个人一样聪明的说法了)。
目前我们可以通过进化时间来比较贮存在机体的遗传物质和脑内信息量的逐步
增长情况。图1中两条曲线交叉处的时间是在几亿年前,当时脑的信息量只有
几十亿比特。石炭纪时,在水汽濛濛的丛林里,世界上首次出现了一种脑内信
息大于基因信息的生物体,这就是早期爬虫。假如我们在一个已采用了先进技
术的时代里见到它,决不会认为它是异常聪明的。但是在生命史上,它的脑是
一个象征性的转折点。随着哺乳动物的出现以及象人类一样的灵长目动物的诞
生,在脑进化中两次相继的飞跃大地促进了智力的进化。自石炭纪后,生命史
上有许多事件可以说明脑对基取已逐步地(肯定不是完全地)取得了优势。
--
想念你的笑,想念你的外套, .oooO Oooo.
想念你白色袜子和你身上的味道, ( ) ( )
想念你的吻和手指淡淡冷水味道, \ ( ) /
静静中体味被爱的味道. \_) (_/
※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: sunny.hit.edu.cn]
Powered by KBS BBS 2.0 (http://dev.kcn.cn)
页面执行时间:204.396毫秒