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人類的智力可能已經接近極限，無法進化到更高層次了——多種證據表明，通往更高智力層次的進化途徑都已被物理定律堵死。 科學家能否找到突破極限的辦法？ 
撰文 道格拉斯· 福克斯（Douglas Fox） 翻譯 欒興華 道格拉斯· 福克斯是一名自由科學作家，目前居住在美國舊金山。他常為《新科學家》（New Scientist）、《探索》（Discover）以及《基督教科學箴言報》（The Christian Science Monitor）撰稿。福克斯曾獲多個獎項，最近的一項大獎是由美國新聞記者與作家學會評出的重大事件報道獎。 物理限制 人類的智力可能已經接近極限，無法進化到更高層次了。各種證據都表明，大多數通往更高智力層次的進化途徑都已被物理定律堵死。 就拿大腦容量來說，容量越大，智力層次也越高，但大腦容量增大卻有一個反作用：大腦會消耗更多的能量，運行速度也會變慢。大腦內，更好的神經連接也需要消耗能量，不成比例地占據大腦空間。如果大腦中的神經連接變多變細，就會碰到熱力學極限，正如計算機芯片上的晶體管所遇到的問題一樣：容易產生 “噪音”。 不過，人類仍可能達到更高的智力水平，而且借助一些現代技術，比如寫作和網絡，我們可以使智力不受身體的限制。
另一個極端例子是大象，它們的大腦體積是蜜蜂的500 萬倍，運行效率卻如龐大的美索不達米亞帝國一般低下。神經信號從大象大腦的一端傳到另一端，以及從大腦傳到腳趾間所需要的時間，均是蜜蜂的100 倍之多，因此這些龐然大物只得減少軀體反射，放慢行動速度，以便把那點寶貴的大腦資源用在如何走好每一步上。 人類的大腦容量可能不像大象或蜜蜂那么極端，但有人發現，人類智力同樣受到了物理定律的限制。人類學家已經推測出腦力擴展所面臨的解剖學障礙 ——對于兩足的人類來說，腦袋變大能通過產道么？即使我們假設，進化可以解決產道問題，那么腦袋變大所帶來的問題，可能更多更復雜。 有人或許認為，只要通過進化，我們大腦中的神經元數量變多，或者神經元之間的信息交流速度加快，我們就會更聰明。但若匯總新近的一些研究，根據結果進行邏輯推斷，你會發現，如果大腦真朝這個方向進化，很快就會觸到物理極限。這些限制與神經元的自身性質，以及神經元之間頻繁的化學信號交流有關。英國劍橋大學的理論神經科學家西蒙· 拉夫林（Simon Laughlin）認為，“信息、噪聲和能量之間的聯系是剪不斷的，這種聯系有著熱力學根源”。 那么，熱動力學定律針對神經元而設置的這種智力限制，是否對鳥類、靈長類、海豚、螳螂等所有動物都有效？顯然，從來沒人考慮過如此寬泛的問題，但本文提到的科學家都認為，這個問題確實值得探討。“這是一個很有意思的研究點，”美國賓夕法尼亞大學致力于研究神經信息編碼的物理學家維賈伊· 巴拉薩布拉曼尼恩（Vijay Balasubramanian）說，“ 我還沒有在科幻小說中看到有誰探討過這個問題。” 顯然，智力是一個內涵豐富的詞匯：它難以衡量，甚至難以定義。不管從哪個方面來看，人類都是地球上最聰明的動物，但我們的大腦進化到今天這個程度，它處理信息的能力會不會已經受到“硬件”上的限制？除了人類，其他神經類生物的智力進化是否也無法擺脫物理定律的束縛？ 大腦越大越聰明？ 從直覺上來看，要使腦力變強，最明顯的方法就是增加大腦容量。事實上，100 多年來，大腦容量與智力之間的關系一直是科學家研究的熱點。19 世紀末到20 世紀初，生物學家花了大量時間來探索生命體的一些共同特征——與體重，尤其是與大腦容量相關的、在整個動物界都適用的數學定律。大腦容量增大的一個好處是，可以容納更多的神經元，神經元的生長、連接也可以更復雜。然而，大腦容量的大小并不是決定智力高低的唯一因素：牛的腦體積是老鼠的800 倍，但牛并不見得比老鼠聰明多少。身體越大，大腦反而需要完成更多的瑣碎工作，比如監管更多的觸覺神經、從更大的視網膜上整合信號、控制更多的肌纖維等與智力無關的內務工作。 1892 年，荷蘭解剖學家尤金· 杜布瓦（Eugene Dubois）在爪哇發現了直立人頭骨，他想尋找一種方法，根據顱骨化石的大小來評估動物的智力。因此，他首先提出假設，如果動物大腦異乎尋常地大，它們也會更聰明，然后在這個假設的基礎上，確立了動物大腦容量與體型大小之間的精確數學關系。杜布瓦與其他學者收集了很多關于動物大腦容量與體型大小的數據，形成了一個日漸龐大的數據庫。當年的一篇經典論文就曾報道過3 690 種動物的身體、器官以及腺體的重量，涉及從木蟑螂（wood roaches）、黃嘴白鷺（yellow-billed egret）到兩趾和三趾樹懶的多個物種。 杜布瓦理論的繼任者發現，在哺乳動物中，大腦容量的增長速率要慢于體型的增長——大概是體重增長倍數的3/4 次冪。因此，麝鼠（muskrat）的體重是老鼠的16 倍，它的大腦容量大約只有老鼠的8 倍。根據這一認識，科學家發明了杜布瓦一直在尋找的數學工具：腦商（encephalization quotient），也就是某一物種的實際大腦重量，與根據體重預測的腦重的比值。換句話說，腦商反映了一個物種的大腦增長速度偏離3/4 冪律的倍數。比如人類的腦商為7.5（即我們的大腦重量是預測值的7.5 倍），寬吻海豚為5.3，猴子是4.8，而牛只有0.5（見右圖）。簡而言之，一個物種智力的高低可能取決于大腦的神經儲備量：除了處理皮膚觸覺之類的日常瑣事，還為智力留下了多少神經元。或者，我們還可以歸納得更為簡單：至少從表面上來看，智力高低取決于大腦容量。
利弊難題 大腦所需的能量中，相當一部分都耗費在信息交流網絡上：人類大腦皮層中，80% 的能量都用于信息交流。不過，隨著腦容量的增大，神經間的連接似乎會在更精細的結構層次上，遇到更嚴重的問題。事實上，早在20 世紀中葉，當生物學家在收集關于大腦重量的數據時，他們也在探究一個更有挑戰性的問題：弄清楚大腦的“設計原則”，以及這種原則又是如何在大小各異的大腦上發揮作用的。 通常，神經元都有一條細細的“尾巴”，稱為軸突（axon）。軸突末端會分叉，每條分支的末端會形成突觸（synapse），也就是該神經元與其他神經元的連接點。軸突就像一根根電話線，可以連接大腦的不同部位，或形成神經束，從中樞神經系統延伸到全身各處。 在早期的一些開創性研究中，生物學家利用顯微鏡，測量了軸突的直徑，計算出了神經元的大小和分布密度，以及每個神經元擁有的突觸數量。他們觀察了10 多種動物的大腦，對于每個動物大腦，都會檢測數百，甚至數千個神經元。由于急于把研究對象擴展到更大型的動物中，以便完善數據和統計曲線，生物學家甚至想了些辦法，從鯨的尸體上剝離完整的大腦。古斯塔夫· 阿道夫· 古德貝格（Gustav Adolf Guldberg）曾在19 世紀80 年代詳細描述了一種方法，使用雙人伐木鋸、斧頭、鑿子和足夠的氣力，像開罐頭一樣，打開了鯨的顱骨頂端。 觀測了多個物種的大腦之后，科學家發現，隨著腦容量增大，就會發生一些微妙卻不可持續的變化。首先，神經元的平均大小在變大。由于神經元的總數也在增多，這種改變使得神經元可以連接越來越多的“同胞”。但在大腦皮層上，神經元變大后，密度卻下降了，導致神經元之間的距離增大，連接神經元的軸突也得相應增長。軸突越長，神經元之間的信號傳遞就要耗費更多時間，因此只有軸突變得更粗，才能保證神經信號的傳遞速度（軸突越粗，信號傳遞越快）。 研究人員還發現，腦容量越大的物種，功能區域就會劃分得越多。如果給大腦染色，你會發現，在顯微鏡下，大腦皮層上呈現出很多顏色各異的斑塊。每個斑塊就是一個功能區，它們各司其職，比如有的負責語言表達，有的負責面部識別。隨著腦容量增大，這種特化現象會在另一個層次上出現。比如，在左右大腦半球上，相互對應的兩個區域會執行不同的功能，比如空間想象和言語推理。 幾十年來，人們一直把大腦的這種功能區域劃分視作智力的一種標志。但這也反映了一個更加普遍的現象：區域分工是對腦容量變大導致的連接問題的一種補償，美國愛達荷州博伊西2AI 實驗室（2AI Labs）的理論神經生物學家馬克·常逸梓（Mark Changizi）說。牛腦的神經元數量是小鼠的100 倍，但這么多神經元不可能迅速地在兩兩之間形成連接。通過區域分工，把功能類似的神經元劃分到同一區域，區域內可以形成豐富的神經連接，而區域之間僅需少量長距離連接，大腦就能解決這個連接難題。左右大腦半球的分工，也解決了一個類似的問題：這種分工方式，減少了兩個半球間必需的信息傳遞量，因而也就不需要太多的長距軸突來連接兩個半球。常逸梓說，隨著腦容量不斷增大，“所有這些看似復雜的過程，其實都只是大腦為解決連接問題而做的努力，并不代表腦袋大了就更聰明了”。波蘭科學院的計算神經科學家簡· 卡博斯基（Jan Karbowski）對此深表贊同。“要提高智力，大腦必須要對幾個方面進行優化，但有利必然也會有弊，”他說，“如果你要改善一個方面，那么其他方面就可能變得更糟。”想象一下，當大腦增大時，如果你讓胼胝體（corpus callosum，即連接左右半球的軸突束）也立即增大，以使左右半球的連接保持暢通，這時會發生什么？如果你讓軸突增粗，以防止大腦增大后，左右半球的信號傳遞變慢，這又會發生什么？結果將不容樂觀。胼胝體會增長得太快，會把兩個半球分得更開，以至于抵消了大腦功能的任何改善。 探究軸突寬度和信號傳導速度的實驗，已經很好解釋了上述利弊問題。卡博斯基說，神經元確實會隨著腦容量的增大而變大，但神經元之間并不能迅速建立連接；軸突也確實會增粗，但增粗速度也不足以抵消傳導路徑變長導致的信息傳遞延遲。巴拉薩布拉曼尼恩認為，限制軸突快速增粗不僅節省空間，還能減少能耗。當軸突直徑增加一倍，能耗也會增加一倍，但傳遞信息的速度僅能提高40% 左右。即使不考慮這些因素，當腦容量增大時，大腦白質（由軸突組成）的體積增長速度也要快于大腦灰質（神經元的主體，細胞核所在位置）。換句話說，腦容量增大的那部分更多是用于建立神經元間的連接，而不是真正為負責計算、處理信息的神經元提供空間。這再一次說明，以腦容量增大的方式提高智力，并不是長久之計。 |
