智力的第二種起源？它們看似普通，卻擁有地球上最難以解釋的智慧

知識 10-09

來源：pixabay

在動物世界裡，章魚顯得獨樹一幟。它們雖然只是軟體動物，卻有著超乎想像的智力水平。更為神秘的是，沒有人知道它們的智力從何而來。甚至有科學家猜想，它們可能起源於地球之外……通過基因層面的研究，科學家找到了章魚大腦複雜性的三條線索……

撰文 | Elizabeth Finkel

編譯 | 陳德芊

審校 | 吳非

2008年，德國科堡市海洋之星水族館裡的工作人員遇到了一件怪事。接連兩個早晨，他們上班時都發現水族館異常安靜，整個水族館的電力系統都短路了。他們重啟系統後，第二天早上迎接他們的都是同樣的寂靜。因此，在第三天，幾個員工決定在水族館守夜，輪流在地板上休息。

果然，罪魁禍首出現了。一隻六個月大的章魚奧托（Otto）爬出水族缸，將出水孔對準了頭頂的燈。或許是燈光使它感到惱怒，或者只是出於無聊。正如主管Elfriede Kummer所言：「奧托一直渴望得到關注，它總是會有新的驚人之舉。有一次，我們看到它在水缸里戲弄一隻寄居蟹。」

關於章魚惡作劇的趣聞軼事比比皆是。據報道，已經有章魚能夠走出迷宮，擰開藥瓶，甚至分辨不同的人類。解決問題、使用工具、做計劃……這些都是複雜靈活的智力的標誌，我們通常將這些特徵與脊椎動物，尤其是哺乳動物相聯繫。

但這些又濕又軟的章魚，是如何擁有智力的？

智力的第二種起源？

一些學者研究章魚及其聰明的近親——墨魚和魷魚，他們提出了「智力的第二種起源」，而這是一種與哺乳動物大相徑庭的奇特構造。

章魚有一個很大的中央大腦，它的每一條觸手也都有一個獨特的小型「大腦」網路。它們需要協調複雜到令人難以置信的八隻觸手和數百個靈敏的吸盤，更不必說偽裝在珊瑚礁背景中的能力了。通過改變像素色塊和紋理，以及腕足的扭曲，這些身體藝術家可以瞬間融入背景，只在威脅對手或吸引配偶時再次出現。

章魚觸手上密布的吸盤（來源：pixabay）

「它們的行為就像聰明的動物一樣，即使他們是牡蠣的近親，」芝加哥大學的神經學家Clifton Ragsdale說，「我想知道的是，它們是如何以區別於脊椎動物的方式組織較大體積的大腦的。」

那麼，進化是如何產生這種第二種智力，也就是電影製片人Jacques Cousteau在上世紀70年代所稱的「軟智力」的？

過去的幾年中，越來越多的學者都被這些神秘的生物吸引。自2015年以來，研究人員們已經獲得了章魚的DNA藍圖、基因組信息以供仔細研究。這些資料提供了一些引人注目的線索。

編輯RNA

事實證明，章魚有大量與腦部形成相關的基因，這些基因先前僅在脊椎動物中發現。但是章魚智慧的秘密武器可能不是我們已知的基因。

複雜的大腦需要一種方法來儲存複雜的信息。令人吃驚的是，在遺傳密碼快速而自由的組合中，章魚可能已經擁有了這種複雜性。

在構建生命體的過程中，DNA的解碼過程通常有極度的保真度，也就是我們所知的「中心法則」。全部的DNA序列中，只有一小部分會被複制，得到的副本被稱為信使RNA（mRNA）。然後，mRNA能夠精確指導一種特定蛋白質的合成。

但是，一些驚人的例子並沒有遵循中心法則。章魚能夠修改它們的mRNA。這種調整被稱為「RNA編輯」。在人類中，只有少量的大腦蛋白質的mRNA會被編輯，而在章魚的大腦中，大部分mRNA都會被編輯。

「這個過程讓章魚大腦的複雜程度超出了我們的想像。或許這種複雜性與它們的記憶有關。」特拉維夫大學的計算生物學家Eli Eisenberg這樣說。儘管他很快補充道：「我必須強調，這只是個推測。」

毫無疑問，將章魚的智力和RNA編輯相互聯繫屬於邊緣科學，但是好消息是，這是一個可檢驗的假說。藉助最先進的工具，如基因編輯技術CRISPR、新型腦電波記錄儀和嚴謹的行為學測試，研究人員正在檢測RNA編輯是否確實是章魚智力的關鍵。

章魚如何變得這麼聰明？

大約在4億年前，頭足類生物統治著海洋。這些動物因頭與足直接相連而得名，它們體型巨大，甚至能夠生長到6米。它們以蝦和海星為食，用螺旋型的貝殼在海洋中漂浮並保護自己。

後來，魚類的時代到來了。頭足類不再位於海洋生物鏈的頂端。大多數有螺旋型貝殼的物種都滅絕了，現代鸚鵡螺則作為少數的例外存活至今。

但是，一些頭足類生物擺脫了殼。因此，它們可以不受妨礙地探索與更聰明、靈活的魚類競爭的方法。這些生物進化成為章魚、魷魚和墨魚——也就是我們所知的蛸亞綱。

這些生物進化中的創新令人目眩。它們的足分開，形成了八條高度靈巧的腕足，每條腕足上都有數百個吸盤，這使得它們的腕足就像拇指一樣靈活。為了說明這種靈敏，Mather講述了一位同事的故事，他發現他的章魚在手術後自己把縫線拆掉了。

但對於捕食者來說，章魚柔軟的肢體是一頓美味的大餐。所以章魚進化出了「能夠思考的皮膚」，能夠在0.2秒內融入背景。這些快速變色的藝術家不僅用皮膚內的色素改變自己的顏色，還能夠用光滑的皮膚紋理和身體與腕足的彎曲來完成它們的表演。當它們靜靜地搖擺自己的兩條腕足時，或許可以偽裝成一棵海草。

擅長偽裝的章魚（來源：pixabay）

「這不是由簡單的反射能夠協調的，」在伍茲霍爾海洋研究所研究偽裝行為的Roger Hanlon說，「這是基於特定情境，在大腦多個層面進行的快速決策。」這種反應還依賴於形同相機的敏銳雙眼。

章魚需要強大的計算能力來控制腕足、吸盤、皮膚和雙眼。因此，相對於章魚的體型，它的大腦非常大。章魚的大腦中有5億個神經元，是大鼠大腦中神經元數量的2.5倍。

不同動物神經元數量對比（單位為百萬，從左至右依次為海蛞蝓、大鼠、章魚與人類）

但它們大腦的解剖結構非常特殊。哺乳動物的大腦類似於一個中央處理器，能夠通過脊髓發送或接收信號。但是對於章魚來說，只有10%的大腦處於高度集中的摺疊狀態，這部分大腦分為30葉，以甜甜圈狀圍繞食管分布。兩個視神經葉佔30%，剩餘的60%大腦則分布在腕足中。

以腕足為例。人們認為腕足有自己的「微型大腦」，這不僅僅是因為腕足中存在神經元，還因為腕足有獨立的處理能力。舉例來說，章魚在逃離捕食者時可能會自斷腕足，而離體後最多十分鐘內，這條腕足還能夠繼續蠕動爬行。

直到2011年，沖繩理工學院的Michael Kuba及其同事通過實驗證明，章魚腕足的運動並非獨立於中央大腦。更確切地說，似乎是大腦給出了高級命令，八條腕足中的一條則會自主執行任務。

然後是它們「會思考的」皮膚。仍然是大腦，主要是視神經葉，控制著皮膚顏色的變化。這項反應的證據來自Hanlon和John Messenger1988年在謝菲爾德大學進行的研究。他們證明，新孵化的失明墨魚不能融入背景。

雖然它們依然能夠改變身體顏色和形態，但似乎是以一種相對隨機的方式進行。解剖學證據同樣表明，大腦下部的神經直接與色素體周圍的肌肉相連。

就像是在調色板上揮毫的藝術家一樣，激活這裡的肌肉可以將色素囊打開，將色素分散到色素體內組成薄的色盤。但是章魚並不是在作畫。Hanlon的墨魚實驗表明，這些生物有三個預存的模式，分別是統一、雜色和混亂：通過部署其中的一種模式，墨魚能夠偽裝融入不同的背景。

不合作的受試者

20世紀90年代，Kuba加入了希伯來大學神經學家Benyamin Hochner的實驗室。Hochner畢業於Eric Kandel實驗室，後者是諾貝爾生理學或醫學獎得主、研究海蛞蝓如何學習的先驅。

所有的行為都發生在兩個神經元的間隙，也就是突觸中。顯微鏡下，突觸可能看上去十分空曠，但這裡實際上非常擁擠。這個針尖大小的微處理器中裝配了上千種蛋白。如果每個神經元都是一根電線，那麼這個微處理器就要決定信號能否從這根電線傳入下一根。當海蛞蝓吸取了教訓，例如學會在尾部被電擊時縮回鰓，就是因為新的突觸連接方式改變了突觸。

然而，Kuba發現，章魚遠不如海蛞蝓順從。因為章魚觸手上靈活的吸盤，他在章魚大腦中插入的任何電子探針都會被快速拔出。Kuba希望有一種能安裝在大腦表面的新型微型腦電波記錄儀，這樣這些吸盤就無法再拔除儀器，這也將開啟章魚大腦研究的新時代。

具有諷刺意味的是，脊椎動物大腦能夠發送信號的觀點來源於對魷魚的研究。1934年，英國神經科學家J.Z Young發現，魷魚的一個巨大的神經元控制著覆蓋於其神經鞘上的肌肉的收縮，這些肌肉是眼球後方的球狀肌肉囊，同時也覆蓋在眼球上，並可以通過虹吸作用噴水。

和哺乳動物的神經元一樣，魷魚神經元最顯著的特徵就是線狀軸突。但魷魚軸突的直徑可達1毫米，是哺乳動物軸突直徑的1000倍。如此巨大的尺寸能夠允許研究人員插入金屬電極，對神經衝動沿軸突傳導時電壓的變化進行測量。

所有這些基礎知識都在脊椎動物中得以闡明，但是關於魷魚大腦信號傳遞的細節大部分還都不為人所知。

打破中心法則

開啟「軟智力」理解前沿的人，是另一位神經學家。

20世紀90年代初，斯坦福大學的Josh Rosenthal在研究巨型魷魚運動軸突。但Rosenthal有新的目標。他沒有測量軸突的電學性質，而是想要分離軸突的一個關鍵部件：「制動」開關。這是一種被稱為鉀離子通道的蛋白。

魷魚的神經元可以根據其DNA中所含信息合成這種蛋白，它們會被暫時儲存在細胞核中。為了獲得合成的配方，細胞會轉錄出mRNA。Rosenthal想要分離這些mRNA，並讀取合成這個通道蛋白的鹼基序列。

但他遇到了一個問題。每次他讀取鉀離子通道的鹼基序列時，所得結果都有微妙的不同。這只是一個錯誤嗎？如果是的話，這個錯誤出現的頻率太高了。這些變化不是隨機的，總是精確地發生在序列中的一個或多個位置。而且，不變的是，鹼基對A總是會變成G。

Rosenthal不知道的是，海德堡大學的Peter Seeburg當時正在因為人類大腦中谷氨酸受體蛋白的鹼基序列中類似的小故障而苦苦思考。1991年，當Seeburg的論文發表時，Rosenthal回憶道，「每個人都非常興奮。」

在人類（或小鼠）中，編輯谷氨酸受體會改變鈣離子進入大腦細胞的數量。在小鼠中，失敗的編輯是致命的，因為此時流入的鈣離子水平對小鼠有毒。也有證據表明，人類的神經退行性疾病（如肌萎縮性側索硬化症）就與其編輯能力的缺失有關。

一種名為ADAR2的酶可以對RNA進行關鍵的編輯。而為什麼進化沒有提前一步，在DNA序列中「修正」谷氨酸受體的鹼基序列仍然是個未解之謎。

至於魷魚體內的鉀離子通道，Rosenthal有一種預感。一個電子信號通過神經元後，神經元需要重置以接收下一個電子信號。鉀離子通道在其中起到了至關重要的作用。在低溫中，重置可能需要更長時間，這會使動物變得遲鈍。RNA編輯是一種動物用於應對溫度變化的微調方式嗎？為驗證自己的想法，Rosenthal花費幾年時間，收集了生活在熱帶、溫帶和極地氣候的章魚。結果如他所料，在生活在極地的章魚體內，鉀離子通道的編輯最活躍。

鉀離子通道只是冰山一角。Rosenthal與特拉維夫大學的極客Eli Eisenberg合作，藉助mRNA資料庫確認了魷魚有多少基因進行過這樣的編輯。在人類中，這種編輯是罕見的，僅限於少量大腦蛋白基因序列。而在魷魚中，大部分大腦蛋白基因的序列都會被編輯。其中的很多基因都與突觸間隙中發現的蛋白有關。

此類mRNA編輯能力對軟智力很重要嗎？這是一個誘人的想法。「對蛸亞綱動物來說是這樣的，但是對它們蠢笨的近親鸚鵡螺來說，則並非如此。鸚鵡螺就像其他軟體動物一樣，並沒有軟智力。」Eisenberg說。

Rosenthal說：「蛸亞綱動物編輯的蛋白與我們所知的有關學習和記憶的蛋白相同。或許是因為編輯了這些蛋白，這些生物更加靈活和複雜，但這並不能證明這個假說。」

DNA中的證據

在芝加哥，另一位章魚神經學家Cliff Ragsdale也把他的注意力轉向了章魚的DNA。

2015年，通過與沖繩理工學院的Daniel Rokhsar和Oleg Simakov合作，Ragsdale實驗室成功地對加亞雙斑章魚進行了基因組測序。

結果表明，章魚有3.3萬個基因，多於人類的2.1萬個。但是基因數量本身與大腦的能力並沒有很大聯繫，因為水蚤也有大約3.1萬個基因。事實上，章魚的大多數基因與他們的近親帽貝（一種海螺）並沒有很大區別。不同基因中的一組被稱為原鈣粘蛋白。這組蛋白參與了大腦環路的構建，它們允許正確的神經元相互連接。帽貝和牡蠣有17至25種原鈣粘蛋白，脊椎動物有70種原鈣粘蛋白，以及至少一百種相關的鈣粘蛋白。這些參與迴路建造的蛋白一直被認為是脊椎動物聰明的關鍵。

令人震驚的是，章魚的體內含有168種原鈣粘蛋白。

章魚基因組中另一個引人注目的地方在於一組名為「鋅指」的基因。這組基因編碼的蛋白中的一個鏈狀結構由鋅離子連接，形成一系列指狀結構，這也是這些基因得名的原因。這些指狀結構與DNA纏繞成的卷結合，以調節基因的轉錄。

帽貝有約413種鋅指，人類有764種，而章魚有1790種！或許章魚體內豐富的鋅指參與了調節大腦基因網路的工作？

迄今為止，人類已經揭示了章魚大腦複雜性的三大線索：章魚參與環路構建的原鈣粘蛋白和參與網路調節的鋅指基因數量倍增，此外，還通過RNA編輯在轉錄中增加更多的複雜性。

或許人們會在進一步研究中發現第四種機制。

現在，世界各地的團隊都在進行類似的研究。經歷了幾十年對這個領域的又愛又怕後，軟智力的神秘面紗可能很快就會被硬科學揭開。

https://cosmosmagazine.com/biology/how-the-octopus-got-its-smarts