虚拟世界系列9:生物人大脑的演化

缠师说过:”阳者,业之显发也;阴者,业之藏隐也。一阴一阳,成此共业之心,即道也”(1)。物质一旦存在,对任一观察者来说,就具备了信息。因此,信息和物质可以看作事物的阴阳两面。如果把生命的进化看作是物质的自组织结构演化过程的话,信息的自组织结构演化过程就构成了意识的进化史。从生物的角度看,意识的生物学基础是大量神经元集群的协同活动。因此,意识的发展是需要以大脑为核心的神经元和神经元网络的发展作为基础的。而生物体所接触的越来越复杂的信息,又反过来促进了大脑和神经系统的发展。前面讲了生物人的进化历程,这里再分析一下意识所对应的生物人内部大脑的演化历程。

大脑和神经系统(意识的生物学基础)的发展

生命进化的初始阶段可以看作是一个从单细胞到多细胞并逐渐发展成由不同组织/器官组成的独立个体的过程。而作为成熟的独立个体的行为离不开内部的基本组成单位细胞之间的协同合作。对于动物而言,单细胞生命体进化成为多细胞生命体后,需要通过神经细胞进行远距离的细胞间的信息沟通,从而实现器官间的配合,使单细胞联系成为一个整体。进一步来说,意识的作用是大脑存储信息同身体行为的结合,通过接收信息、解析信息、存储信息,从而实现对身体行为的控制和细胞间配合的功能。正是有了神经系统的作用,才使得动物能够更好的控制自己的身体,从而实现竞争优势。所以,生物人进化的过程也伴随着以大脑和神经系统为基础的意识的一步步发展进化,两者相辅相成。

动物大脑和神经系统的主要演化过程

大脑和神经系统的演化,总体上也与其他器官系统的演化一样,经历了从无到有,从简单到复杂,从低级到高级的发展过程。作为神经系统的基本组成单位神经细胞(神经元)的从无到有的过程发生在隐生宙。下面将大脑和神经系统的发展简单分为以下几个阶段。

●大脑/神经系统的形成阶段(进入段):随着寒武纪的生物大爆发(距今约5.42亿年前—4.85亿年),神经系统也经历了从个体神经细胞演化到神经系统和大脑的过程,中间依次经历了下面几个阶段:经神经细胞的神经纤维交织而成神经网;许多神经细胞体聚集在一起形成神经节;动物体前部的几个神经节融合在一起形成“脑”。

●头颅的出现(中枢):随着脊椎动物的出现,大脑的进化进入下一个阶段,即头颅的出现。最早的脊椎动物出现在5亿年前的寒武纪,形状类似于今天的盲鳗,两栖动物出现在4亿年前,爬行动物出现于3.5亿年前。此时的古生代既是海洋动物的鼎盛时代,也孕育了爬行动物的诞生。此阶段终于2.52 亿年前二叠纪末大灭绝。

●大脑快速发展阶段(离开段):随着进入中生代,大脑发展也就伴随着动物的进化而不断向前发展。中间经历了爬行动物的鼎盛时代,鸟类和哺乳动物的依次出现,以及最后灵长类和人类的繁盛。大脑的进化主要包含了脑容量和大脑结构的复杂度两个方向。哺乳动物和其他脊椎动物的脑最明显的区别是其尺寸。平均来说,在身体大小相同的情况下,哺乳动物的脑是鸟类的2倍,是爬行动物的10倍。从大脑结构的角度来说,大脑皮质的存在是哺乳动物和其他脊椎动物脑之间最大的区别。其他脊椎动物的大脑表面由称作皮层的简单三层结构。而哺乳动物的皮层演化成了复杂的六层结构,称为新皮质。

人类大脑演化阶段。

做为哺乳动物进化的末端,人类大脑的进化也伴随着神经细胞数目的不断增加(脑容量变大)和神经系统的越来越复杂(大脑结构变复杂)的过程。脑的结构变化和体积增长是人类脑进化的两个维度,二者都相互独立的促进智力的提升。

●脑容量:在人类进化过程中,人的大脑容量不断增加,在200万年的演变过程中,人类大脑体积增加了3-5倍,尤其是在80万到20万年前这段时间的变化过程最为显著。但是人类的脑容量在20万年前开始就不再增长,在最近的1~1.5万年间,人的脑容量相比我们的身体竟然缩小了3%~4%。这些都说明脑容量进化到了一个新的阶段并陷入瓶颈。这可能是因为脑容量的增加会增大新生儿在出生时的危险,另外,人类的大脑是一个耗能大户,要消耗身体近20%的能量,如果再增加脑容量,人类可能无法负担大脑的能量需求。脑容量进化达到极限。因此,从大脑容量的角度,在经历了3-5倍增大后,离开段已经接近结束,陷入瓶颈。

●大脑结构:由于脑组织无法保留,因此无法比较相关信息。但是越是高等的灵长类,通常会有更复杂的沟回系统。这是因为沟回是伴随着神经元的数目的急剧增加而产生的。为了应对更加复杂的环境和认知需求,灵长类需要在有限的空间(颅腔不能太大,不然胎儿无法正常分娩)内容入更多的神经元。因此,负责这些认知任务的大脑皮层不可避免地发生了折叠现象。而大脑的形态、沟回和环路这种相对宏观的结构又是造成人类与其他灵长类之间差异的重要因素。

●人类大脑的物理极限:就拿大脑容量来说,容量越大,智力层次也越高,但大脑容量增大却有一个反作用:大脑会消耗更多的能量,运行速度也会变慢。大脑内,更好的神经连接也需要消耗能量,不成比例地占据大脑空间。如果大脑中的神经连接变多变细,就会碰到热力学极限,正如计算机芯片上的晶体管所遇到的问题一样:容易产生“噪音”。即神经元变小,就会变得不稳定,神经信号不由我们自己控制,就可以随意产生。因此人类大脑的进化已经接近了物理的极限。

意识的发展

意识进化是指从生命诞生到现代人类意识的演化过程,意识的进化伴随着生命的演化历程,依次经历了以下几个阶段:

●早期生命阶段:在这个阶段,生命仅仅是单细胞生物,它们能够感知环境刺激,但是没有真正的意识。

●神经元进化阶段:随着生命进化,一些生物发展了神经元系统,它们能够通过化学和电信号进行信息传递。在这个阶段,生物开始产生了更加复杂的行为,如寻找食物和避免危险。

●哺乳动物意识阶段:哺乳动物开始发展了更加复杂的神经系统,并且表现出更加复杂的行为。在这个阶段,哺乳动物产生了基本的情感体验,如恐惧和愉悦,并且具有了自我保护的本能。

●灵长类意识阶段:灵长类动物的大脑进一步发展,出现了更加复杂的社会行为,如社交互动和组织协作。在这个阶段,灵长类动物具备了更加丰富的感知和认知能力,开始形成了类似于人类的意识。

●人类意识阶段:在这个阶段,人类大脑的发展达到了顶峰,人类意识也达到了前所未有的高度。人类具有了更加复杂的思维和语言能力,能够进行抽象思考和创造,也具备了深度的自我认知和情感体验能力。同时,人类还发展了文化和社会制度,为人类的意识发展提供了更加广阔的发展空间。

结论

人类的大脑和神经系统和经历了从无到有,从简单到复杂,从低级到高级的发展过程。而随着生物的进化,活动范围越来越大,其所接收的信息越来越多,又反过来刺激着神经系统的发展。然而随着人类的进化,现代人类的大脑的进化已经接近了物理的极限,针对中枢(头颅出现)的离开段也已经进入尾声。因此,诞生并依附于现代人类的大脑的意识如果要获得进一步的发展,则必须要挣脱现有载体束缚。

生物人大脑演化阶段图由004-15-Benn绘制

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