第一章

人脑的起源

山重水复疑无路，柳暗花明又一村。

——陆游

几乎世界上的每种文化都有一套关于人类起源的说辞，例如，中国古代就有女娲抟土造人的传说。在这个故事背景下，人类的智慧和人脑一样都是出自女娲之手的杰作。然而传说总归只是传说，因为人类是由其他物种进化而来的这一事实，已经是众所周知的常识。那么，作为人类智能基础的人脑，又是怎么进化而来的呢？

一、原始细胞的形成

细胞是生命活动的基本单位。构成物种生命活动基础的细胞的出现时间大约是38亿年 前，那个时候距离地球诞生已经过了750万年。

在原始细胞诞生之前，地球的景象如同小说的开场白——“天地初开，一切皆为混沌”，地球上不仅有对于生命体极具挑战性的酸碱物质，还有来自太空强烈的宇宙射线，频繁发生的火山、地震等。从宏观角度看，那时的地球一片荒芜；然而从微观的角度看，地球存在着一些诸如氮气、一氧化碳、氢气、硫化氢、水之类的小分子。这些非常不起眼的小分子正是原始生命得以诞生的基础。至今我们依然很难想象，这些小分子可以经过几十亿年后演变成有生命的东西。在强烈宇宙射线、灼热高温等条件的催化作用下，各种小分子可以发生聚合反应形成化学大分子，其中一类大分子就是我们今天所熟知的核酸。

核酸是所有生命体的遗传物质。为什么核酸可以作为生命的火种遗传给下一代呢？我们可以通过核酸的结构来看它的神奇之处。下页上图中（a）是一个双链的核酸，其中核酸上的每种碱基只能与特定的碱基进行配对。比如，图中的碱基A只会与碱基U配对，碱基C只会与碱基G配对。

当图中的核酸需要产生新的遗传物质的时候，需要先把双链解开变成单链，如下页上图中（b）。这个时候单链的核酸就会吸引游离的碱基来与之进行配对，如下页上图中（c）。配对好之后会产生两个与原来一模一样的遗传物质，如下页上图中（d）。

根据谢伯让 在《大脑简史》一书中的描述，我们可以把在这样一种情况下诞生的生命体叫作复制子。复制子经过配对，复制，再配对，再复制，一个复制子变成两个复制子，两个复制子变成四个复制子。如果没有意外，复制子的数目将以非常惊人的速度增长。所以可以想象，没过多久，地球就遍布复制子的踪影。

然而，现实情况并不是我们想象的那个样子。很多复制子受到极端环境的影响，都很容易在诞生不久后“死亡”。

就在复制子任由极端环境肆虐蹂躏的时候，复制子的“救星”——磷脂双分子出现了。

磷脂双分子（如上页下图）由两层磷脂分子构成，由于磷脂分子是由亲水性磷脂质的头部和疏水性碳氢化合物组成的尾部形成的，所以两层的磷脂分子在水环境中时，疏水性的一端自然而然地靠在了一起。

磷脂双分子的特性是它自身具备极高的稳定性和可流动性。它包裹在复制子外层，即便受到外界张力被迫改变外形也不会轻易地破裂。这就有效地保护复制子不用直接暴露在强烈的宇宙射线下，减缓了高温、高酸碱值等不利因素的伤害。

旧的问题解决了，新的问题又产生了。磷脂双分子虽然为复制子提供了保护的“壁垒”，但是由于这个“壁垒”对于复制子来说过于坚实，就像把复制子放进了一个没有门窗、四面隔绝的房间里。复制子虽然能够在其中保全自身，但如果没有外界的物质进来，要实现繁衍生存还是很难的。

正如我们前面提到的，因为磷脂双分子具有流动性，一些具有通透性的蛋白质分子很容易被镶嵌在磷脂双分子上，这样复制子能通过这类特殊的蛋白质与外界进行有效的物质交换。

当然，这种蛋白质分子对于复制子来说，并不是简单地在磷脂双分子层构成的“壁垒”上“凿”了个洞。相反，这种蛋白质分子的作用像给复制子的房间安装了一扇门。当外界的营养物质需要进入的时候，门会打开，复制子能自由地获取它需要的物质。当有害物质要进入“房间”的时候，房门会紧闭，将之阻挡在外。

有磷脂双分子和可通透的蛋白质膜做屏障，复制子的生存概率得到提高。这种由复制子、磷脂分子和蛋白质组成的物质被叫作原始细胞。

二、神经细胞的形成

在进化起源的早期，大多数生命体都以单细胞形式存在于地球的“原始汤锅”里，它们以扩散进细胞内部的营养物质为生。

生命体要在自然环境中生存下来，被动获取营养物质的方式显然随时都有面临“饥饿”的风险。具备自由移动能力的原始生命体，比那些无法动弹的生命体活得更轻松自在。首先当发现某个方向有大量养料时，它们会主动移动到养料充足的地方，可以让更多的养料扩散进入细胞内部，满足生命活动所需，免受“饥肠辘辘”之苦。其次原始生命体的生存环境十分恶劣，稍有不慎就会丧命，能感知周围环境中的威胁并快速逃跑将增大生存的概率。因此，毫无疑问，自然环境必然会把生存的机会留给会移动的生命体。

原始生命体移动需要借助一种叫作鞭毛的蛋白质附属丝状物。有了鞭毛，原始生命体可以在“原始汤锅”中自由自在地生活，不会再过食不果腹的日子。

如果只有鞭毛，就算生命体“知道”某个地方有美食，不惜耗尽精力“赶往现场”的时候，可能已经被“其他人”吃完了。出现这种情况的原因在于原始生命体对于细胞外环境的感知只能依靠分子的扩散来完成，但是分子扩散的速度非常缓慢，低浓度氧气分子在25摄氏度的水中往前扩散10厘米需要27天。这就意味着一个生活在原始地球环境中大小为10微米的原始单细胞生物，从身体某一处感知到“食物”的存在到它发动全身鞭毛准备朝着“食物”移动需要花费4分钟左右的时间，对于稍微大一点的生物，比如身长240微米的生物来说，发动全身鞭毛的整个过程需要花费1.5个小时左右的时间！想象一下如果你在回家的路上发现下雨了，但是花了1.5个小时才把伞撑起来会是什么情况。

从一定程度来说，如果没有有效的感知能力，原始生命体鞭毛的作用顶多就是能够让自己可以移动而已，低端感知能力极大地限制了鞭毛的优势。要在恶劣的环境中生存下来，超强的感知能力必不可少，所以那批在进化过程中率先采用电信号而非依赖分子扩散传送信息的生物胜出了。

这种依赖电信号传输信息的单细胞生物利用细胞膜上的离子通道和离子泵，使得细胞内的电荷为负，细胞外的电荷为正，这样细胞膜内外自然地形成电荷差。当感受到周围环境的刺激时（如有“食物”或是有“威胁”），细胞膜上的离子通道会打开。细胞膜外带正电的离子会往细胞内移动，这种细胞内外的电荷分布随着带正电离子的流动而发生的变化，很容易在一瞬间被细胞体的每一个部分感知到，从而引起全身鞭毛对外界刺激做出相应的反应：感到威胁时立马逃跑，感到有“美食”时立刻去获取。

依靠电位变化传播信息的方式大大提升了信息的传播速度，这种速度可达每秒5米，相当于让之前的氧气分子移动10厘米只需要0.02秒，是扩散方法速度的1亿倍。拥有较强感知能力的原始生命体，能够通过对外界敏锐的觉察力进行有效的趋利避害，得以在这个星球上生存。

但这种在当时的自然界里算是最高配置的生命体并非完美无瑕。

快速的信息传递如果仅限于在身体内部发生，那么原始生命体所感知到的信息只能为自己所用，再根据刺激做出相应的行为：逃跑或靠近，但不能和其他生命体共享。

能“表达自己的想法”虽然不会决定个体的生存与否，但是对于群体来说却是至关重要的，特别是在某些群聚生存的种群中。当其中一个生命体发现潜在威胁时，可以发出警报信号，提醒种群尽快逃散。

那么，原始生命体怎么向其他生命体发出信息呢？

一般来说信息的传输需要一定的媒介，就像声音需要借助空气进行传播一样。原始生命体之间的信息传播媒介就是原始生命体生存的水环境。

原始生命体居住在原始地球的水环境中。当一个生命体侦测到周围环境中的威胁时，会向外发出信号，信号透过细胞膜扩散在周围的水环境中，接收信号的生命体只要距离发送方不是很远，总有一些信号分子以扩散的形式进入接收方细胞内。然后以改变细胞内外电位差的方式把这条信号在细胞内“广播”，于是就有了一次“逃跑”的行动。

这种原始生命体最早的交互方式可以说是神经细胞传递信息的原始方式，而细胞间传递信息的区域，就是现代突触的雏形。突触虽然属于神经细胞的结构，但实际上所指的范围是两个神经细胞的间隙连接处。信息在神经细胞内依赖电信号传递，而在突触（即两个神经细胞的间隙）中依赖的是递质分子在神经细胞的水环境中进行扩散。

三、神经系统及脑的形成

在原始自然条件下，体型庞大的生物体倾向于捕食体型小的生物体。越庞大的体型遇到能吞食自己的生物体越少，存活概率越高。体型的悬殊直接导致生存概率的差别，较大体型对于原始生命体来说比较具有优势。

但是对于以单细胞为生命载体的早期生物来说，体型的扩大很难，因为这种扩大毕竟是有限度的。随着单细胞的逐步扩张，各种问题随之而来，比如对能量的需求增大，需要很多食物才能养活自己，而单个个体在一定时间内可以获取到的食物非常有限。

所以自然进化的方向不言自明，团队合作的效能必然优于单打独斗。为了有效地扩大体型，多细胞生物体逐渐登上进化的历史舞台。

多细胞生物体是怎么诞生的呢？

有一种集群理论说法。该学派认为多细胞生物体源自同一种单细胞生物体，是由同种细胞简单地群聚形成的，或是由在突发状态下（比如在天敌出现时）产生后代时的不完全分裂导致的。集群理论的提出者海克尔 发现多细胞的海绵和单细胞的领鞭毛虫在形态上具备很大的相似性，而且领鞭毛虫在种系发生树上确实是早于海绵，所以认为海绵可能是领鞭毛虫聚居而产生的一种新的多细胞物种。还有科学家进一步证明了集群理论的可靠性。他们在绿藻（一种单细胞藻类植物）培养皿中加入一些会猎食绿藻的鞭毛虫后，发现绿藻会在产生子细胞的时候不完全分裂，新产生的子细胞会粘连在一起形成大型的多细胞生物体，以此对抗鞭毛虫的猎食。

和集群理论对应的另一种解释多细胞生物体起源的理论叫作共生理论，该学派认为多细胞生物体是不同种类的单细胞而非一种单细胞聚集的结果。

思考与实践

多细胞生物与单细胞生物相比，一方面由于体型大了，被捕食的危险系数降低了，存活时间比单细胞更长；另一方面，多细胞生物体的细胞聚居更有利于相互“照顾”，也从一定程度上延长了细胞的存活时间。此外，细胞职能的分化也是增加多细胞生物体竞争力的另一个主要原因。

亚当·斯密 在《国富论》中曾经讲述过这样一个社会现象，原始部落的人类以猎捕为生，每个人自己制作弓箭。由于个体的差异，各人捕猎的能力和制造弓箭的技术参差不齐。某个善于制作弓箭但不擅长捕猎的人，在一次偶然的机会中用自己制作的弓箭换取他人捕得的猎物。当他发现自己制作弓箭换得的猎物，比亲自去捕猎获得的还多的时候，出于自身的利益考虑，他的生活重心会从捕猎转向制作弓箭。相应地，捕猎的人发现使用他制作的弓箭比自己亲自做的更好使，会更愿意使用他做的弓箭。久而久之，整个部落的人出现了分工。他们虽然从事着不同的工作，但是总体而言是以一种相互协作的形式存在的，这个群体中的个体（每个人）通过相互协作获得了比独自行动更多的利益。

和人类社会一样，多细胞生物体的诞生，标志着在生物体内以细胞为主体的社会形态的形成。群体聚居的必然结果是“细胞社会”中各种各样分工的诞生，即细胞的分化。

细胞的分化对整个生命体有什么好处呢？

我们可以先设想一下人类社会没有职业分工会是什么情况：你穿的衣服要自己从养蚕开始，先收获蚕丝，然后织成布，再裁剪做成衣服；你吃的米饭要从播种开始，播种，浇肥，收割再做成饭；你住的房子要一砖一瓦自己盖……生活琐事很多，需要做的东西远远不止这些。此外，你再也听不到新歌，看不到新的漫画，追不了网上的新剧。因为那些大咖、网红都在忙着做自己的衣服，种自己的米饭，修自己的房子。不仅如此，你也没有时间学习了。这种无分工形态，致使整个社会的效能极为低下。想想现在，在社会分工明确的条件下，不仅各种各样的生活需求得到满足，你还有大量的剩余时间丰富精神世界，所以分工带来的好处是显而易见的。对于细胞亦是如此，每个细胞专注自己擅长的方面，从不同功能对生命体给予支撑，这样附属在生命体上的每个细胞都处于最好的状态，这也是前面提到的聚合成多细胞生命体的细胞寿命更长的原因。

凡事都具有两面性。多细胞生物体内细胞的分化降低了单个细胞的工作量，但随之而来的是细胞在某些领域的功能丧失，好比在现代社会里不是每个人都会种粮食一样，社会分工致使没有长期从事这方面工作的人逐渐丧失了这种能力。细胞分化面临的另一个挑战是协同合作问题，聚居在生物体上的细胞怎么知道自己该做什么，谁来告诉它们什么时候应该做什么。这个时候，前面所说的原始神经细胞的优势就显示出来了，它通过向其他细胞发送信号（或是传输接收到的信号）来指挥调度生物体的其他细胞，使它们有条不紊地协同工作。那些被指挥、被控制的细胞心甘情愿“沦为”神经细胞的傀儡，接受神经细胞的差遣吗？我们不得而知，但是可以肯定的是，如果分化的细胞没有接受神经细胞的“指挥”，可能会给整个生物体带来巨大的生存威胁。所谓皮之不存，毛将焉附，如果整个生物体不幸沦为这场指挥权较量的“亡魂”，那么不接受命令的细胞必然也难逃厄运，成为“政权争夺战”的牺牲品。相反如果分化的细胞接受神经细胞的“指派”，完全按照“命令”行事，生物体获得充足的养料，接受“指派”的细胞自然也得到不少好处。总的来说，服从大局指挥也许对于每个细胞而言都更加有利。在神经细胞的指挥下，生物体的各个细胞都能获得养料和不错的生活环境。所以，那些控制着其他细胞的神经细胞“黄袍加身”，走上了统治的巅峰，让被操纵的细胞“俯首称臣”。

生物体细胞各司其职、相互合作、互惠互利，极大地增强了生物体的生存能力。但是细胞分化由神经细胞统一控制的局面并不是有百利而无一害的，体内有明显细胞分化的生物体，不得不面对由之产生的种种不利后果。最大的弊端是，一旦神经细胞受损，将会使得其控制的细胞处于群龙无首的状态，生物体会因此而丧失正常的生理活动能力，如不能感知周围环境中捕食者的存在。

宇宙万物本来就是福祸相依，利弊并存的。神经细胞的存在使得生物体获得强大的生存能力，也因为神经细胞的存在，成为生物体最大的软肋，破坏掉生物体的神经细胞会使其未亡体僵。避免这种缺陷的办法是，将神经细胞藏到其他细胞后面保护起来，使得这个脆弱但极其重要的部位不至于那么容易被破坏。

于是，一场关于神经细胞的大迁徙在几亿年的进化历程中拉开序幕，神经细胞在生物体中的位置不断后退，而受神经细胞控制的细胞却不断地被推到生物体的体表。神经细胞退居幕后之后，生物体在遭遇诸如受伤之类的突发事件时，神经细胞由于处于生物体内部而受到保护，被扼杀的概率降低了，受伤的生物体仍然能够有效地与外界进行交互。

另一方面，前面提到过，细胞分化的结果是细胞特化：一种神经细胞只具备某一项或某几项功能，比如获取外界光线的神经细胞可能无法感受外部的声音。如果负责这些功能的神经细胞随机在身体挑选一个地方聚集，显然不太合适。因为假设危害恰巧不幸落在感知区域的盲点部位，生物体会在毫无防备的情况下命丧黄泉。所以最好的办法是把这些负责感知的神经细胞放置在一个最适当的位置。实践证明，生物体进化方向的最终结果就是这个“最佳”位置。这个位置的细胞，在远远超过人类寿命的时间里，伴随着生物体生活环境和自身体型不断进化，最后人脑伴随着人类的出现诞生在地球上。

神经细胞的聚居演变产生了脑的雏形。脑的诞生过程和地球上生命的诞生一样充满了随机性。偶然发现多细胞群居分工合作更有利于生存，偶然发现分工合作中有“人”指挥比无“人”监管更有效，偶然发现把有指挥权的神经细胞集中在一个隐蔽的地方在遭遇不幸时更存生机。脑成为生物体与自然环境“争斗”中意外获得的至宝，并成为大多数动物身体上最重要的部分。 SAvfJkJzjp+SY60ydRZs/NBp7DHnt0zM6ts4l/UDO1WklgCZldU8ekd6IX5Z3ppP