古代栖息地的几何形状可能如何影响人类大脑的进化

在2012年的电影“霍比特人：意想不到的旅程”中，有一个关键的场景，甘道夫、比尔博·巴金斯和一群矮人被兽人在新西兰的一片经典景观中追逐。对于西北大学神经学家和工程师马尔科姆·麦克弗(Malcolm MacIver)来说，这一场景是那种斑驳景观的极好例子-点缀着树木、灌木丛、拳击手和滚动的小圆丘-与人类的水生祖先相比，这种景观可能塑造了人类更高智商的进化。根据MacIver在“自然通讯”(Nature Communications)上发表的最新论文，具体地说，它属于一个金发地带-不太稀疏，也不太密集-有利于战略思考和提前规划，导致人类大脑规划电路的发展。

这篇最新的论文是在早期研究的基础上发表的。早在2017年，麦克弗和几位同事就发表了一篇论文，提出了一个不同寻常的假设：那些最先从水中爬上陆地的远古生物之所以这样做，可能是因为他们发现，与水相比，透过空气看东西有信息上的好处。眼睛在空气中可以看到更远的地方，这种扩大的视觉范围可能会把它们引向靠近海岸的食物来源。MacIver和他的主要合著者，克莱蒙特学院的古生物学家Lars Schmitz认为，这反过来推动了原始肢体的进化选择，使第一批动物能够从水中迁徙到陆地上。

这一假设源于他对南美黑色幽灵刀鱼的研究，这种鱼是一种夜间狩猎动物，在水中产生电流来感知其环境。在建造了一个有自己的电感系统的机器人版本的刀鱼之后，他发现它可以探测到猎物(在这种情况下是水蚤)的空间体积与依靠视觉捕猎水蚤的鱼的体积大致相同。关键因素是水对光的吸收和散射，限制了光的传播距离：通常是10厘米到2米，而光在空气中的传播距离是25到100公里。

增加眼睛的大小将产生在雾气条件下打开远光灯的效果，这样生物就可以看得更远，但眼睛也需要大量的能量来维持，使得这样的发展对古代水生生物来说在进化上代价高昂。但是更大的眼睛将在空气中赋予巨大的进化优势，使成本在陆地环境中成为一个可以接受的权衡，MacIver推理道。

因此，麦克艾弗和施密茨仔细研究了化石记录，寻找在关键的水陆过渡期间眼睛大小增加的证据。他们发现，在大约1200万年的时间里，在这段过渡期内，眼睛的大小增加了两倍，从之前的13毫米增加到之后的36毫米。更耐人寻味的是，这一增长在从水到陆的全面过渡完成之前就开始了。麦克弗在2017年接受“广达”杂志采访时说，这表明那些学会了像鳄鱼一样把眼睛探出水面，在附近海岸寻找新的食物来源的水生生物偶然发现了通往陆地的药物。

现在，MacIver带着一个更具挑衅性的假设回来了：某些栖息地的几何形状决定了在捕食者-猎物环境下的进化选择压力。基本的想法是，开放的空间--开阔的草原，平坦的平原--只是一种速度游戏，对捕食者有利，因为它们更大，麦克弗告诉Ars。封闭的空间--茂密的森林或丛林--偏爱简单的跑步掩护策略。使用复杂性度量，我们表明这两个栖息地的复杂性都很低。复杂性度量是Lacunity，这是一个几何术语，用于描述模式如何填充空间。

根据MacIver的说法，复杂的最佳地点是一片像霍比特人追逐场景中那样的景观，或者像博茨瓦纳奥卡万戈三角洲那样的景观，这两个地方都有开阔的草原和苔藓地带，点缀着成丛的树木和相似的树叶。MacIver说，在这个区域，速度游戏和寻找掩护都不能最大限度地提高存活率。但是计划--我指的是想象未来的道路，并根据你认为对手会做什么来选择最好的--给你带来了相当大的优势。而这种计划需要人类大脑中典型的高级神经回路。

麦克弗和他在西北大学的同事兼合著者乌古尔坎·穆根(Uurcan Mugan)进行了大量的超级计算机模拟，结果显示，虽然需要看得更远(麦克伊弗的原始理论)，才能在进化上提前规划，但仅凭这一点是不够的。相反，它需要远景和复杂景观的结合。这反过来可能导致了最困难的认知操作之一的发展：预见未来。

MacIver和他的团队接下来建立了新的捕食者/猎物模拟，以测试两种不同策略下猎物的存活率。第一种是基于习惯的，类似于在提示时输入记忆的密码；第二种是基于计划的，包括想象几种情况并选择最有可能存活的一种。他们使用一个没有视觉障碍的简单景观来模拟水环境，并添加不同密度分布的各种对象来模拟陆地。

结果：在简单的水和陆地模拟中，无论采用哪种策略，猎物的存活率都很低，这表明能够在非常开放或过于密集的环境中进行规划没有进化上的好处。在前一种情况下，最好的办法是试图逃脱捕食者；在后一种情况下，清晰可用的路径太少，而密集的环境阻碍了猎物能看到的距离。

但是，金发碧眼复杂地带的斑驳景观显示，与基于习性的方法相比，依赖于计划策略的猎物的存活率有了巨大的提高。MacIver的团队已经开发了一款在线游戏，以说明不同的景观(珊瑚礁、丛林、稀树草原和开阔水域)如何影响我们计划和躲避跟踪捕食者的能力。(你可以在这里玩。)。

现在麦克伊弗到处都能看到金发碧眼地带的证据，包括像“霍比特人”这样的电影。麦克弗说，就不透明和开放空间之间的相互作用而言，[在追逐场景中]空间的使用非常吸引人。虽然他还没有想出如何测量序列中的风景的确切空隙，但他的预感是，它会落在离他的金发碧眼地带非常近的地方。

这很可能不是电影制作人刻意的选择；麦克弗认为这是一种直观的把握，说明了是什么构成了一场激动人心的追逐场景。他说，这是关于对某种如此强大的东西的期待，他说，这可能不是电影制作人刻意选择的，而是对什么是令人兴奋的追逐场面的直观把握。他说，这是关于对某种如此强大的东西的期待。看到远处展开的一幕，并预见到一些坏的或好的事情即将发生，这是该剧的原动力。茂密的热带雨林或类似的杂乱的地形会使场景变得模糊不清，而一架平坦、贫瘠的飞机则太难预测了。但影片中的风景(以及热带草原)恰到好处。麦克弗说，在这种情况下，基本上每一个动作都变得像国际象棋一样，因此看起来更具娱乐性。

麦克弗是第一个承认要完全防弹的假说还需要做更多的工作--特别是关于它与人类在从黑猩猩分化后大脑大小几乎翻了两番的关系。他说，但他的模拟给出了一些强烈的信号，说明为什么陆地动物变聪明了，而水生动物却没有。(一个可能的例外是头足类动物，根据MacIver的说法，它们确实显示出更高智商的迹象，可能是因为它们被陆地动物捕食。)。

他目前正与西北大学的丹·东贝克合作进行一项后续研究，通过机器人环境中的实验来测试他的计算预测。麦克弗说，我们用重新定位障碍物和可控制的熵创造了这个复杂的空间，这里有两个机器人。一种是捕食性机器人，其驱动方式与本文给出的超简单算法相同。例如，如果它看到猎物，就会朝它跑去。另一个机器人是猎物。猎物必须到达目标，因为捕食者正在紧追不舍，就像在网络游戏中一样。

更具推测性的是，麦克弗认为，这可能会被证明与这样一个问题有关，即为什么人类如此努力地思考迫在眉睫的生存威胁，特别是那些遥远的未来-例如，气候变化，或者抗药性细菌(或者一场全球大流行)。他说，既然你认为思考未来的能力是由计划的需求驱动的，我们思考过去的能力是这种需求的衍生，那么我们是谁，可能在很大程度上取决于为什么我们一开始就进化出了计划的迂回。我们对遥远未来的规划如此糟糕的原因可能会加剧这种电路的局限性，因为我们还没有开发出文化传播技术来规避。