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「大腦與肌肉不可兼得」是真的!科學家計算給你看

2018-12-25 14:29馬可孛羅 文/摘自《好奇心:從達文西、費曼等天才身上尋找好奇心的運作機制,其實你我都擁有無限潛能》

【文、圖/選自馬可孛羅《好奇心》,作者馬里歐.李維歐】

演化成現代人類的人族靈長類大腦,在過去的一百五十萬年間,增大了將近三倍! 圖/i...
演化成現代人類的人族靈長類大腦,在過去的一百五十萬年間,增大了將近三倍! 圖/ingimage

頭越大,越聰明?

野生動物不像人類擁有直接走到最近的超市,然後買下所有信用卡額度付得起的食物的奢華(令人感傷的事實是,許多人也一樣付不起這樣的奢華)。野生動物必須出外覓食。在野生動物健康開始走下坡之前,牠們每天可以花在搜索、狩獵、咀嚼和飲食方面的時間有限,因為牠們還需要睡覺、照顧幼崽以及躲避掠食者。這個受限的時間通常不會超過八、九個小時。平均而言,任何特定動物(包括靈長類)每天飲食所獲得的能量不會超過一個定值。在廣泛觀察眾多野生物種的經驗中,研究人員歸結認為,靈長類動物的每日食物攝取量取決於體重多寡,這個比例為當一物種的體重是另一種的十倍時,同一天可以累積及食用的覓食量熱量(卡路里)大約是三.四倍。

然而,獲得能量的同時,各物種也會消耗維持身體運作及大腦神經元功能的能量。這就是限制之處。首先,事實證明在體重上,生理(身體)的能量消耗速率比覓食獲得的能量增加速率更快。從數量上看,一個體重為十倍重的物種,其身體代謝的成本約高出五.六倍,同時覓食獲得的能量卻僅多三.四倍。此結果限制了靈長類動物在花費最高時間量覓食時,可能具有的身體尺寸。賀庫拉諾—胡賽團隊據此計算出最重體重大約可達一百二十公斤,與銀背大猩猩(silverback gorilla)的重量很接近(但銀背大猩猩的雄性首領體重更重些)。

圖二十 圖/摘自《好奇心:從達文西、費曼等天才身上尋找好奇心的運作機制,其實你我...
圖二十 圖/摘自《好奇心:從達文西、費曼等天才身上尋找好奇心的運作機制,其實你我都擁有無限潛能》
圖二十一 圖/摘自《好奇心:從達文西、費曼等天才身上尋找好奇心的運作機制,其實你...
圖二十一 圖/摘自《好奇心:從達文西、費曼等天才身上尋找好奇心的運作機制,其實你我都擁有無限潛能》

當我們將大腦中大量神經元額外消耗的能量成本也一併考慮時,情況變得更加有趣。我們可以清楚發現,即使靈長類動物的身體允許長期維持最高覓食時間(大約八到九個小時),牠們也無法同時負擔較大身體及較多神經元的能量花費。正如賀庫拉諾—胡賽所說:「大腦與肌肉不可兼得。」犧牲其中一個才能成就另一個。更具體地說,研究人員估計,即使野外的靈長類動物每天花八小時覓食,最多只能支援五百三十億個神經元的大腦(仍然遠低於人類的八百六十億個);若想擁有人類的神經元數量,代價就是體重不能超過二十五公斤!如果我們可以直接用腦力交換體重(假設演化允許我們如此選擇),一個體重七十五公斤的靈長類動物只會有約三百億個神經元,大約只有人腦數量的三分之一(圖二十,其中收錄了部分哺乳動物物種的大腦重量與神經元總數)。大約在六百萬年前,現今黑猩猩和人類的最後共同祖先現身時,擁有的神經元數量便似乎是如此。接著,人族(hominin)化石的發現數量在大約四百五十萬年前開始顯著增加,其中特別知名的是一具來自三百二十萬年前、很接近人類物種的女性化石骨架(圖二十一,此為巴黎國家自然歷史博物館﹝Muséum National d’Histoire Naturelle﹞的模鑄化石),明確顯示人類祖先與演化成現代黑猩猩(modern chimpanzee)與倭黑猩猩(bonobo)的支系血統間的分歧。

這副化石骨骸是由古人類學家唐納德.約翰森(Donald Johanson)於一九七四年十一月二十四日,在衣索比亞北部的哈達爾(Hadar)發現,並命名為「露西」(Lucy)。順道一提,「露西」這個名字是由探險隊員帕梅拉.阿爾德曼(Pamela Alderman)提出,靈感來自披頭四合唱團(Beatles)某首歌的歌詞:「露西在鑲滿鑽石的天空中」(Lucy in the Sky with Diamonds)。露西的骨骸及一九七五年在哈達爾發現的至少十三具遺骸,以及二○一一年發現的一塊骨頭,被認為是代表人族的阿法南方古猿(Australopithecus afarensis)成員。古人類學家從腳、膝蓋和脊柱的結構判斷露西身高大約一○六公分,大多時候以直立方式行走。飲食方面,她跟現代黑猩猩一樣是素食主義者,以水果為主食。

如果露西所屬的南方古猿(即「南猿」)與某些現代類人猿的祖先之間清楚的區分還不足為奇,其後的發現絕對相當驚人:演化成現代人類的人族靈長類大腦,在過去的一百五十萬年間,增大了將近三倍!

增大速率起初還算相對平緩,當露西和她的同類開始習慣雙足直立行走時,能夠探索的距離變得更長,涵蓋的區域也更廣。他們能深入探索更多環境,因為雙腳行走與同時以腳和指節撐地移動相比,所消耗的能量少了四倍。能量成本的降低再加上可以採集到更廣泛的食物,可能讓後來(大約兩百萬年前)的巧人(Homo habilis,指的是「有技藝的人」或「手巧的人」)的神經元數量適度增加。巧人的大腦已經大過現代大猩猩的大腦。

在不到兩百萬年前,神經元數量和腦容量的增加速度開始真正提高。推測人類好奇心漸增與腦力驚人提升有密切關係的想法,實在相當誘人。好奇心可能讓巧人發明了第一種工具,以兩塊岩石相互撞擊而製成邊緣鋒利的岩塊。一旦這些工具出現,好奇心將再一次幫助巧人發現這些石器可以讓他們解決兩個問題,這兩個問題是露西與她的同類還無法輕易解決的,也就是將肉從骨頭割下,切成更容易消化的小塊,並且從食物的骨頭中取得骨髓。根據他們的牙齒及食物遺骸顯示,巧人擺脫了純素飲食,將肉類當成日常食物的一部分,進而顯著增加了熱量攝取

.書名:好奇心:從達文西、費曼等天才身上尋找好奇心的運作機制,其實你我都擁有無限...
.書名:好奇心:從達文西、費曼等天才身上尋找好奇心的運作機制,其實你我都擁有無限潛能
.作者:馬里歐.李維歐
.譯者:顧曉哲
.出版社:馬可孛羅
.出版日期:2018/09/06
演化成為現代人類的下一個主要步驟,約在一百八十萬年前出現,他們是被稱為直立人(Homo erectus)的物種。這種長腿、短腳趾的物種可能是出色的耐力跑者,因此能主動狩獵活體動物(儘管最初可能是小型動物),而不僅僅是腐食其他肉食動物遺留的屍體。

這些改進的特徵無疑都促成了智人物種腦內神經元數量的增加。天擇的壓力很可能也起了一定的作用,因為狩獵探險不像挖樹根那樣簡單,組織探險隊伍和執行狩獵需要高度的認知能力才能辦到。然而,關鍵問題依然存在:是什麼使智人的大腦容量比直立人的大腦容量還要大幅增加一倍以上?而且這驚人的變化在不到一百萬年的時間完成。原因可能就是如今我們習以為常的行為。

熱量攝取
活化大腦

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